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提拉活塞式导弹水下发射动力学建模与仿真

刘传龙  
【摘要】:潜射武器具备发射平台隐蔽、机动性高,打击突然、火力猛烈等一系列的优势,潜艇是武器水下发射的主要平台。目前国内常规战术潜艇配置的武器发射装置主要是液压平衡式鱼雷发射系统,发射管口径为534mm,用于发射直径534mm、长度7000mm左右的鱼雷。提拉活塞式发射装置作为陆上导弹发射系统,可以发射不同尺度的导弹。为了实现导弹的水下发射,对于直径350mm至500mm左右的反舰导弹和巡航导弹,目前大多采用导弹运载器或保护筒来与鱼雷发射管适配,利用鱼雷发射系统发射,发射原理与过程与鱼雷发射完全相同。对于直径150mm至250mm左右的用于打击反潜直升机小型防空导弹,不仅尺度小,而且最好是多发齐射,采用运载器或保护筒方法显然不再适用,实现其水下发射便成为一个新的研究课题。将陆上提拉活塞式导弹发射方式引入到水下实施小型导弹发射带来两个显著的变化,一是流体介质由空气变为了水,二是水下武器的发射动力由原来鱼雷尾部水的分布压力变成了提拉梁的推力。这将导致发射过程中的流场结构发生显著变化,既不同于陆上提拉活塞式导弹发射,也不同于水下的鱼雷发射,是一种全新的发射方式。本文对提拉活塞式导弹水下发射的相关动力学问题进行了深入系统的研究。完成的主要工作和创新点如下:(1)在构建了提拉活塞式导弹水下发射系统基本方案的基础上,建立了描述提拉活塞式导弹水下发射过程的动力学模型,包括流体动力学模型、活塞和导弹的动力学模型;根据刚体动力学理论结合CFD(计算流体力学)软件进行了二次开发,利用动网格技术,建立了耦合求解流场和运动的提拉活塞式水下发射非定常仿真模型。(2)对数值算法、网格影响和建模考虑的综合评价进行深入研究,获得了一套适用于水下发射算法的CFD确信(Verification)和校验(Validation)的流程与方法,并对所建立的非定常仿真模型在数值方法、网格与边界条件和模型选择影响上进行了评价,同时通过和发射试验实测数据的对比,验证了所建仿值模型的有效性。(3)利用所建立的耦合求解流场和运动的水下发射非定常仿真模型,详细研究了提拉活塞式水下发射过程中鱼雷管与提拉缸流场形成和演变过程,发现了包含“水锤”与空化现象的流场结构新特点,并揭示了其形成机理;获得了空泡的产生、收缩、脱体、溃灭和“水锤”现象对于流场结构、弹道特性以及部件受载的影响规律。(4)通过系列仿真与分析,得到了提拉缸动力特性、导弹外形以及导弹在鱼雷管内的布置形式对发射过程的影响规律,例如,随着提拉缸燃气流量的增加,弹尾区域海水汽化程度增加,受到的“水锤”压力冲击降低;改变导弹头部外形,可去除头部脱体涡引起的导弹受力及力矩的振荡特性,改变尾部外形,可减小导弹出管阻力;在鱼雷管中满载导弹发射时,会加剧弹尾空化程度,导弹出管难度增加等,表明通过合理匹配发射装置和导弹的相关参数,提拉活塞式导弹水下发射方式是可行的。为提拉活塞式导弹水下发射系统工程化提供了理论基础和技术支撑。


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