预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道特性研究

陈诚， 袁绪龙， 邢晓琳， 党建军

(西北工业大学 航海学院， 陕西 西安 710072)

0 引言

常规水下航行体由于速度方面的局限性[1]，其在现代舰船防御系统面前的攻击能力已经大为削弱。为了使水中兵器航速突破现有的局限，俄罗斯科学家提出了超空泡技术[2]，即将航行体包裹在空泡之中，减小航行体表面的摩擦阻力，从而使航行体的速度可达100 m/s量级。与此同时，火箭助飞和空投技术[3]作为提高水中兵器远程运载和快速攻击能力的重要发展方向，可有效提高航行体的突防能力。结合上述两点，航行体在空中以较高速度入水后调整至预定弹道，快速实现以超空泡状态航行可以缩短打击时间，从而提高攻击效率。航行体入水过程具有复杂的力学特性，对航行体入水初期弹道的稳定性和机动性提出了较大挑战。

李佳川等[4]基于弹道学和超空泡流体动力理论，建立了射弹高速入水纵向运动的动力学模型，对弹体以不同扰动角速度入水过程进行了弹道仿真和分析。Kim等[5]建立了超空泡航行体6自由度运动的动力学模型，研究结果表明，当水平和竖直面的力学特性不对称时，尾舵浸水深度不同，将导致航行体运动具有不稳定的特性。超空泡航行体在水下运动过程中，任何小的扰动及其竖直平面内非平衡受力特性都会使航行体尾部与空泡壁面发生连续的周期撞击，即尾拍现象[6]。May[7]通过航行体入水试验揭示了超空泡航行体尾拍现象形成的原因，分析了尾拍运动对弹道稳定性的影响。Kirschner等[8]对超空泡射弹进行了大量试验，记录了其在自由飞行过程中的空泡形态和尾拍特性。鉴于超空泡航行体运动时的流体动力特性，采用预置舵角的方法实现其机动转弯的目的为一可行手段。曹伟等[9]针对超空泡航行体的弹道及操纵特性进行研究，通过对雷顶舵进行典型操舵控制，超空泡航行体可以在无反馈控制的情况下，实现定深直航以及变航向、变深度等典型弹道机动。王云等[10]进行了4种头部外形模型的入水试验，发现椭圆斜截头弹体产生了明显的弯曲弹道，且斜切角越大，弹道弯曲程度越大。时素果等[11]采用小长细比超空泡航行体头部预置舵角方法研究了其在水平面机动转弯过程的弹道特性。Zhao等[12]分析了超空泡航行体失稳现象，设计了一种简化带俯仰运动的超空泡航行体，提出的带反馈机制的稳定控制方法可获得较好效果。

从现有的国内外研究现状分析，研究人员对超空泡航行器的相关内容已进行了大量研究工作，但对于其高速入水弹道偏转特性研究相对较少。目前，研究人员对相关问题研究建立的数学模型均进行了大量简化和近似处理，其模型的正确性缺乏校验。而对超空泡航行体的高速入水弹道偏转特性进行试验研究，可真实反映此物理过程，同时为校验数值算法的准确性提供了数据。

本文开展了预置舵角下超空泡航行体入水角为20°时的试验，并分析了不同预置舵角对航行体弹道的影响。

1 试验方法与装置

1.1 试验方法

如图1所示超空泡航行体倾斜入水试验平台，由发射系统、高速摄像系统和内测系统3部分组成。开展试验时，将航行体以指定姿态固定于发射管的起点。调整发射管的倾斜角度α确定航行体初始速度方向。航行体在储气罐内高压氮气的推动下产生加速运动，由此获得入水初速度。通过高速摄像系统拍摄记录航行体的运动和空泡演化过程，同时由内测系统记录航行体的运动参数变化和尾部测压点的压力变化。

1.2 试验装置

发射系统采用的加速炮管内径60 mm、长6 m. 试验前向储气罐内充入一定量的氮气，在发射控制系统给电磁阀发出开阀指令后，高压氮气进入发射炮管推动航行体开始加速运动，与此同时，内测系统开始记录数据。炮管末端配有激光测速装置可用于校验惯性测量单元(IMU)系统测量结果的准确性。航行体入水后，经过一段距离的航行，对其进行拦截、回收并提取内测数据。为方便查看高速摄像所得结果，发射控制系统同时发出电磁阀的开阀指令和摄像机的触发指令，使内测系统和摄像机同时开始工作。

高速摄像系统采用Phantom系列V711型高速摄像机对航行体入水过程进行拍摄，拍摄帧速率为5 000 帧/s.

内测系统包含IMU系统和测压系统。本文采用原点位于航行体重心的弹体坐标系Oxyz描述航行体的受力特性，故将IMU测量传感器安装于航行体的重心位置。主要技术指标：加速度计量程为100g，陀螺仪量程为2 000°/s，压力传感器最大可测压力为800 kPa，采样精度为16位，采样率为3 kHz，数据存储器可存储时间为2 s.

2 试验模型

设计如图2所示的大长细比超空泡航行体模型。模型长度为840 mm，最大直径为60 mm，空化器直径为12 mm，模型质量为2 kg，重心位置距离空化器为470 mm. 模型各段采用螺纹连接，根据不同研究内容选择不同预置舵角的空化器。压力传感器P1、P2分别安装于航行体尾部上、下位置，呈对称分布，P1测量航行体尾部上表面压力，P2测量尾部下表面压力。

3 试验结果

为了研究预置舵角对超空泡航行体入水弹道偏转的影响，分别进行了预置舵角为0°、15°、20°和30°时的试验研究。入水角度设定为20°，入水速度为70 m/s. 本文对预置舵角为20°时航行体入水过程的空泡流型和力学特性进行了对比分析，在此基础上研究了不同预置舵角对弹道特性的影响。试验结果表明，航行体在侧向无位移，因此本文只对其纵平面内弹道特性进行分析。为保证试验结果的可靠性，对其进行了重复性验证，并得到了较好一致性。

将航行体受力无量纲化得轴向力系数Cx和法向力系数Cy，分别定义为

(1)

(2)

式中：Fx和Fy分别为航行体受到的轴向力和法向力；ρ为水的密度；v为航行体的实时速度；S为空化器面积；ax和ay分别为IMU系统测得的轴向加速度和法向加速度；m为航行体质量。

如图3和图4所示，分别给出了预置舵角为0°和20°时航行体入水初期的空泡流型，结合图5尾部压力变化曲线进行分析。取航行体触水为0 ms时刻。

当预置舵角为0°时，航行体触水后从空化器端面开始生成敞口空泡。航行体撞击水面处产生了明显喷溅现象，航行体下方液体的避让效果不明显，与其下表面沾湿，当尾部运动至原水面位置时，P2测点处压力升高。航行体完全侵入到水面以下时生成了具有清晰水气界面的超空泡，直至拦截。由尾部测压结果可知，除入水时刻尾部下表面压力出现局部升高外，其他运动阶段尾部上下压力保持一致。航行体在超空泡航行阶段泡内最低压力为60 kPa，不能降低至饱和蒸汽压，原因是敞口空泡阶段有大量空气涌入泡内。随着航行体运动，空泡内压力表现出一定的脉动性。预置舵角为20°时，航行体入水阶段特性与预置舵角为0°时基本一致。航行体入水后伴有短暂的超空泡状态，但在预置舵角作用下，航行体产生抬头力矩，尾部下表面拍击空泡壁，导致P2处压力明显增大。在尾拍产生的恢复力矩作用下，尾部向空泡一侧运动，而后上表面拍击空泡壁，P1处压力增大。在恢复力矩作用下，航行体再次开始抬头运动，最终由于速度衰减空泡溃灭于弹体上，生成双空泡，同时尾拍运动消失。由图5尾部压力曲线可知，尾部处于沾湿状态，且下表面压力略大于上表面压力，空化器和尾部均提供向上的法向力。航行体在空化器和尾部流体动力共同作用下以抬式稳定机制航行。参考文献[11]对尾拍过程进行了类似研究，研究结果表明，尾部只有一侧表面拍击空泡壁。分析原因为其空化器面积较大，提供力矩较大，且自由攻角较大，在第一次拍击空泡壁的恢复力矩作用后随即尾部同一侧再次拍击空泡壁，故与本文研究结果略有不同。

图6所示为预置舵角为0°和20°时航行体受力系数变化。由图6可以看出：预置舵角为0°时，航行体以超空泡状态直线航行，轴向力系数为0.93，法向力系数为0，流体动力集中于弹体轴线方向；预置舵角为20°时，航行体入水后尾部浸水，轴向力系数逐渐增大，尾拍作用导致法向力显著增大，且呈波动变化，最终在空化器和尾部流体动力共同作用下航行体受到向上的法向力。

由图6可知，预置舵角为0°时航行体沿直线运动，此部分不再赘述。结合图7所示不同预置舵角下的运动参数，对预置舵角为20°时航行体的弹道参数进行分析。航行体入水后在空化器产生的正力矩作用下产生了一定的抬头角速度。17.5 ms时，航行体尾部下表面拍击空泡壁，受到了正的法向冲击力，产生恢复力矩。航行体抬头角速度值逐渐减小至负值，直至尾部上表面拍击空泡壁，此时空化器和尾部流体产生的均为正力矩，航行体俯仰角速度值迅速减小并开始向反方向旋转。此时航行体表现为抬头转动，而后航行体下表面再次拍击空泡壁，俯仰角速度减小。由于此时航行体速度减小，超空泡溃灭于弹体尾部，航行体以双空泡状态航行，并在空化器提供的正力矩作用下抬头角速度逐渐增大，抬头趋势增强。在此阶段，航行体俯仰角逐渐增大至0°. 弹道曲线表明，航行体以20°入水角倾斜入水后逐渐完成了抬头转平运动。进一步分析法向力和旋转速度变化规律可知：在尾拍运动阶段，航行体尾部受到的法向力为其姿态主要影响参数，弹体姿态在尾部拍击空泡壁受到的力矩作用下波动变化；在双空泡阶段，空化器和尾部均提供向上的法向力，表现为正、负2种力矩，而弹体俯仰角速度值逐渐增大，说明此阶段空化器提供的法向力为弹体姿态主要影响参数。

图7给出了预置舵角为15°、20°和30°时航行体入水弹道特征曲线。结合图6可知，在预置舵角为20°时，轴向力系数变化缓慢，且相对法向力系数数值较小。在3种预置舵角下，航行体受力具有一定相似性，轴向力系数变化基本一致，故本文只给出了法向力对比结果。在预置舵角为15°时，法向力系数振动幅值最小；在预置舵角为30°时，在局部时间段内法向力系数最大。整体而言，预置舵角越大，航行体受到的尾拍法向力越大，航行体抬头的俯仰角速度越大，航行体弹道偏转能力越强。

尾拍运动阶段，航行体在尾拍力和空化器提供的法向力共同作用下缓慢抬头运动，姿态角变化曲线具有一定波动性。当航行体以双空泡状态航行时，尾拍现象消失，航行体抬头趋势提升，由此可见，双空泡状态更有利于航行体弹道偏转。

4 结论

本文完成了预置舵角下超空泡航行体倾斜入水弹道偏转特性的试验研究，采用高速摄像和内测系统相结合的研究方法，综合分析了空泡流型、尾部压力和运动参数变化规律，详细阐述了入水弹道偏转过程。所得主要结论如下：

1)预置舵角为20°时出现显著尾拍现象，但整体弹道特征体现为缓慢抬头偏转运动，航行体速度降低后以双空泡状态航行，尾拍现象消失，弹道偏转趋势也随之提升。

2)在尾拍运动阶段，航行体姿态在尾部拍击空泡壁受到的力矩作用下波动变化，而双空泡阶段，航行体主要在空化器提供的正力矩作用下抬头旋转运动。

3)预置舵角为15°、20°和30°时，航行体受力特性具有一定的相似性，但预置舵角越大，尾拍法向力越大，弹道偏转能力越强。