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跨声速超空泡射弹的弹道特性研究

黄闯  
【摘要】:超空泡减阻是水下航行器减阻模式的一次革命性创新,借助全新的流动模式和设计理念,航行器几乎完全被超空泡包裹,可获得显著的减阻效果,航行速度得以大幅提升,甚至可超越水中声速。基于超空泡减阻技术的射弹是一种由机/舰载火炮发射的武器系统,可快速拦截鱼雷、击毁水雷、破除水下障碍和猎杀蛙人,用于水面舰的近程防御效果显著。超空泡射弹具有发射迅捷、性价比高、杀伤力强等特点,可针对近水面威胁实现跨介质精确打击,应用前景广阔。然而,由于涉及跨介质和跨声速问题,超空泡射弹在不同航行阶段的受力机理、稳定机制和运动规律存在极大的差异,给理论研究带来了挑战。在明确各航行阶段的力学和运动学问题的基础上,开展超空泡射弹的弹道特性研究,进一步完善相关的理论体系,对于该武器系统的工程应用意义重大。本文综合运用数值模拟、理论分析和试验研究的方法,研究了跨声速超空泡射弹在全弹道运动过程中的流场数值模拟方法、流体动力特性、动力学模型及仿真技术,根据动力学模型的弹道仿真计算、基于商用CFD软件的流场-运动耦合模拟和对于全尺寸模型的试验测试得到的结果具有良好的一致性。主要研究工作及创新点如下:(1)建立了水下跨声速超空化流动的数值模型。基于运动参考系方法,采用Tait方程描述液体可压缩性,建立了射弹在水下跨越声速航行过程中的超空化流动数值模型,采用经典文献结果考核了所建模型的可行性。研究了液体压缩性、水中马赫数等因素对超空化流动的影响规律,得到了在射弹跨声速航行过程中的空泡外形预报方法。(2)提出了超空泡射弹在水下弹道的全量流体动力特性解算方法。采用移动计算域技术,对超空泡射弹的稳态变攻角、定速旋转和高频振动工况开展超空化流动数值模拟,完成了对位置力、阻尼力和惯性力特性的解算,得到了适用于水下弹道计算的流体动力特性描述方法。(3)揭示了超空泡射弹水下弹道所固有的振荡稳定特性。考虑“空泡延迟”效应,建立了超空泡射弹在水下弹道的动力学模型。基于动力学模型的仿真计算结果与流场-运动耦合数值模拟结果一致,表明超空泡射弹的水下运动是动态振荡的,振荡运动具有固定的幅值和波长。(4)研究了超空泡射弹在空中弹道的流体动力特性、动力学模型和运动特性,仿真计算结果表明射弹在空中弹道的运动参数随航程的增加具有振荡收敛特性。以空中弹道末端状态作为初始条件,研究了超空泡射弹在入水弹道的流体动力、动力学模型和运动特性,仿真计算结果表明入水初始攻角较大时,超空泡射弹的攻角和俯仰角速度在入水过程中会发生显著地变化。(5)将上述超空泡射弹在空中、入水和水下弹道的动力学模型在时间和空间上进行衔接,形成了全弹道仿真技术,仿真计算结果与全尺寸模型的平射弹道试验结果具有良好的一致性。本文研究成果可作为跨声速超空泡射弹的弹道预报、外形优化设计和工程应用的理论依据。


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