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航行器低速斜入水运动规律
李永利1,2 , 冯金富1 , 齐铎1 , 杨健1 , 胡俊华1 , 徐保伟3     
1. 空军工程大学 航空航天工程学院, 西安 710038;
2. 武警工程大学 装备工程学院, 西安 710086;
3. 空军航空大学 飞行教官训练基地, 蚌埠 233000
摘要: 针对介质跨越航行器控制困难的问题,提出一种空中控制水下非控的单一控制策略;为了分析航行器非控状态下斜入水运动的规律,构建了航行器低速入水动力学模型,并分别使用数值仿真方法和理论模型求解方法进行同一条件下的航行体入水运动仿真,通过对2种方法的仿真结果对比验证本文所构建航行体斜入水动力学模型的正确性。利用构建的入水动力学模型,分别对不同初始速度、角度、攻角条件下的入水过程进行了运动状态仿真并分析,得出了航行体在入水运动过程中的姿态位置变化规律。此入水规律将指导介质跨越航行器后续的水下航行、进而出水的一系列研究。
关键词: 入水运动     动力学模型     理论模型求解     弹道     姿态    
Movement rule of a vehicle obliquely water-entry at low speed
LI Yongli1,2 , FENG Jinfu1 , QI Duo1 , YANG Jian1 , HU Junhua1 , XU Baowei3     
1. School of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi'an 710038, China ;
2. College of Equipment Engineering, Engineering University of CAPF, Xi'an 710086, China ;
3. Flying Instructor Training Base, Air Force Aviation University, Bengbu 233000, China
Received: 2016-03-02; Accepted: 2016-06-02; Published online: 2016-06-30 09:04
Foundation item: National Natural Science Foundation of China (51541905, 61502534)
Corresponding author. Tel.:029-84787514-601, E-mail:wcsfjf@163.com
Abstract: This paper proposes a single control strategy to solve the problem of difficult transmedia vehicle control. The proposed control strategy is just to control the vehicle's air navigation, but not to control the underwater navigation. The hydrodynamic model of a vehicle obliquely water-entry at low speed is founded to analyze the motion characteristics. Two methods are used to simulate the vehicle's water-entry in the same condition:numerical simulation method and theoretical model calculation method. And the results of the two methods can validate the hydrodynamic model founded in this paper. The water-entry movement in the conditions of different initial velocities, different angles, and different attack angles is simulated by this hydrodynamic model and the simulation is analyzed. And the change rule of the vehicle's gestures and position when water-entry is obtained by analysis. This water-entry rule will guide a series of follow-up researches, such as underwater navigation and water-exit process.
Key words: water-entry movement     dynamic model     theoretical model calculation     ballistic trajectory     gesture    

近年来,越来越多的国家开始研究一类既能够在空中飞行,又能够在水面和水下航行的跨介质航行器,例如文献[1-2]中提出了一种可潜水飞机详细的设计指标。航行器在水空介质交替反复的运动中,伴随着力和力矩突变、气液扰动及复杂的碰撞现象,会对航行器控制造成不利影响,从而严重制约其航行的稳定性。目前,还没有适用于航行器水空跨越的一体化控制策略,而采用空中和水下分段控制的策略,会造成控制系统的复杂程度增加,可靠性降低,同时,还存在空中和水下控制器切换不稳定的问题。因此,本文提出一种空中控制水下非控的单一控制策略:通过空中控制航行器姿态、速度等,使其能够在非控状态下完成入水、水下航行、进而出水的一系列动作,并在其出水后能够满足空中控制起飞的初始状态要求。本文针对介质跨越航行器非控状态下的入水过程展开研究。

入水过程作为介质跨越武器空中弹道的延续和水中弹道的起始,有着完整性和典型性的特征[3],整个过程涉及空气、水和弹性物体三者之间的相互作用,既是一个具有自由面和特殊空泡的流体力学问题,又是有可能引起结构破坏的高速撞击问题,还有弹性物体运动的动力学问题,研究解决这些问题,实验是必不可少的。Waugh和Stubstad[4]系统地介绍了关于入水弹道实验模拟的知识和技术,并观测记录了许多入水实验方法、过程和结果;May[5]汇集了以往有价值的入水知识和实验数据与资讯,系统分析了影响入水弹道的各种因素;文献[6-8]分别针对圆柱体和球体的入水问题开展了实验研究,分析了入水空泡的形成、发展、闭合及溃灭过程。文献[9-11]分别对不同头型物体入水进行研究,得出头部形状对空泡与入水稳定性有着重要影响。

随着计算机数值计算的发展,关于航行器入水运动的数值仿真计算方法研究越来越多,文献[12-13]应用流体体积函数(VOF)结合动网格技术的方法,对物体垂直入水进行了数值计算研究,并验证了数值计算方法的有效性。文献[14]对某型号圆盘尖拱头型水下航行器4种姿态角的高速斜入水冲击进行了探索性的数值仿真研究。文献[15]建立了空投雷弹斜入水的数值模型并对入水初始弹道进行数值模拟。Park和Jung[16]利用面元法数值计算了正切尖拱体以任意角度入水的冲击载荷,并对尖拱体的忽扑行为进行了数值计算分析。

可以看出关于航行器入水过程的研究,主要是采用实验和数值计算方法,而且多是针对某一特定工况条件或某一细节方面展开研究,缺乏对整个入水过程运动规律以及弹道特性的理论研究。本文采用理论分析方法,以低速入水的介质跨越航行器为研究对象,忽略自由面变化、喷溅、入水空泡等复杂物理现象细节,通过受力分析,构建入水动力学模型,并对航行器入水运动规律和弹道进行了研究。

1 动力学模型构建 1.1 物理模型

本文采用全长l=5.33 m,质量分布均匀,头部为30°顶角的尖拱体形状,尾部为线性截断尾部的回转圆柱体为研究对象,其物理模型如图 1所示,半径R计算公式为

图 1 航行器物理模型示意图