水下發射超空泡射彈對UUV平臺姿態影響分析

魏 平，侯 健，魯春佳，趙澤鵬，榮 里

（海軍工程大學，湖北 武漢 430033）

0 引言

為提高水下攻防作戰能力，各軍事強國都致力于高速水中兵器的研究。超空泡減阻技術可大幅減小水中兵器的運動阻力，有效提高運動速度和射程，具有廣闊的應用前景[1]。超空泡射彈武器是應用超空泡減阻技術研制的一種新概念武器，能夠突破普通射彈水中運動極限，有效打擊水雷等水下目標。美國、俄羅斯分別研制了基于機載平臺及單兵作戰的超空泡射彈武器——機載快速滅雷系統和水下突擊步槍，但基于水下平臺發射的超空泡射彈武器及其平臺適應性研究鮮有報道[2-5]。隨著UUV的快速發展，UUV平臺搭載水下超空泡高速射彈武器成為可能，超空泡射彈武器水下發射時伴隨強烈的振動沖擊，研究沖擊力特性及其對UUV平臺的影響規律具有重要的現實意義。本文主要針對基于水下發射平臺的超空泡射彈武器開展平臺適應性研究，初步探索水下超空泡射彈武器在不同方位、不同角度發射時對UUV平臺姿態的影響規律。

1 建立模型

1.1 坐標系

建立如圖1所示的固定坐標系（o0x0y0z0）和移動坐標系（oxyz）。固定坐標系的原點o0可以取水平面內任意一點，o0z0軸垂直于水平面指向地心，o0x0軸為水平面任意方向，o0x0y0平行于水平面，符合左手規則。移動坐標系的原點o在航行器的質心，其坐標軸ox、oy、oz分別是經過的橫切面、橫剖面、縱中剖面的交線，ox軸指向航行器艉部，oz軸處在航行體對稱面垂直于ox軸指向下方，oy軸垂直于oxz面，符合左手規則。

圖1 坐標系Fig. 1 Coordinate system

1.2 仿真模型

應用STAR CCM+ CFD軟件建立水下超空泡射彈武器及搭載UUV航行器平臺的六自由度仿真模型[6-8]。如圖 2所示，創建長方體背景區域，6個表面按塊分割，分別設置為速度進口、壓力出口、頂部、底部、側面和系統邊界，將長方體、包面及背景過度區執行布爾減運算操作，以加快計算收斂速度，采用多面體網格劃分。

圖2 仿真模型Fig. 2 Simulation model

1.3 邊界條件

水下發射超空泡射彈武器對搭載平臺姿態的影響主要是超空泡射彈武器發射后坐力載荷的作用。為方便計算，將后坐力曲線做離散化處理，如圖3所示，后坐力總作用時間為4.2 ms，其中1.4 ms時后坐力最大為 5 500 N，2.8 ms時后坐力降至500 N，4.2 ms時降至最低值50 N。水下超空泡射彈武器發射時的俯仰角為身管與平面oxy的夾角，向下為正；方位角為身管在oxy平面投影與ox軸負方向的夾角，向左為正。為減少運算次數，分別選擇具有代表性的 0°、90°的俯仰角和 0°、30°的方位角進行仿真計算。

圖3 后坐力載荷Fig. 3 Recoil load

2 仿真分析

分別選取 0°、90°的俯仰角和 0°、30°的方位角4種工況下發射超空泡射彈進行仿真計算。

1）0°俯仰角、0°方位角發射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結果如圖 4所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下，平臺x軸速度、z軸速度快速上升，在0.004 2 s分別達到0.059 7 m/s和0.054 57 m/s，y軸速度稍有變化，在 0.004 2 s增長至-0.010 1 m/s，見圖 4（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，平臺x軸速度于0.352 s減小至0，z軸速度于0.318 s減小至0，y軸速度于0.091 s減小至0，見圖4（b）。

圖4 0°俯仰角、0°方位角發射平臺各軸速度隨時間變化曲線Fig. 4 Curves of axes’ speed of launch platform under 0° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

航行器平臺各軸角速度變化仿真結果如圖 5所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下，平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達到0.121 rad/s，y軸、z軸角速度稍有變化，見圖 5（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于0.390 s減小至0，y軸角速度于0.059 3 s減小至0，z軸減速度逐漸振蕩減小，于0.257 s減小至0，見圖5（b）。

圖5 0°俯仰角、0°方位角發射平臺各軸角速度隨時間變化曲線Fig. 5 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 0° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

2）0°俯仰角、30°方位角發射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結果如圖 6所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下，平臺x軸速度、y軸、z軸速度快速上升，在0.004 2 s分別達到 0.046 1 m/s、0.049 53 m/s、0.029 1 m/s，見圖6（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，平臺x軸速度于0.272 s減小至0，y軸速度于0.31 s減小至 0，z軸速度于 0.158 s減小至 0，見圖 6（b）。

航行器平臺各軸角速度變化仿真結果如圖 7所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下，平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達到0.145 1 rad/s，y軸、z軸角速度稍有變化，見圖 7（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于0.441 s減小至0，見圖7（b）。

圖6 0°俯仰角、30°方位角發射平臺各軸速度隨時間變化曲線Fig. 6 Curves of axes’ speed of launch platform under 0° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

圖7 0°俯仰角、30°方位角發射平臺各軸角速度隨時間變化曲線Fig. 7 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 0° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

3）90°俯仰角、0°方位角發射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結果如圖 8所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下，平臺z軸速度快速變化，在0.004 2 s達到-0.032 54 m/s，x軸速度和y軸速度基本不變，見圖8（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，平臺z軸速度于0.202 3 s減小至0，見圖8（b）。

航行器平臺各軸角速度變化仿真結果如圖 9所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下， 平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達到0.191 4 rad/s，y軸、z軸角速度稍有變化，見圖 9（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于0.465 s減小至0，見圖9（b）。

4）90°俯仰角、30°方位角發射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結果如圖10所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下，平臺y軸和z軸速度快速變化，在0.004 2 s分別達到0.025 3 m/s和-0.030 2 m/s，x軸速度基本不變，見圖10（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，y軸速度于0.146 s減小至0，z軸速度于0.196 s減小至0，見圖10（b）。

圖8 90°俯仰角、0°方位角發射平臺各軸速度隨時間變化曲線Fig. 8 Curves of axes’ speed of launch platform under 90° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

圖9 90°俯仰角、0°方位角發射平臺各軸角速度隨時間變化曲線Fig. 9 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 90° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

圖10 90°俯仰角、30°方位角發射平臺各軸角速度隨時間變化曲線Fig. 10 Curves of axes’ speed of launch platform under 90° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

航行器平臺各軸角速度變化仿真結果如圖 11所示。超空泡射彈發射后，在后坐力的作用下，平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達到0.184 8 rad/s，y軸、z軸角速度基本不變，見圖11（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于 0.459 6 s減小至0，見圖11（b）。

圖11 90°俯仰角、30°方位角發射平臺各軸角速度隨時間變化曲線Fig. 11 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 90° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

3 結束語

通過對超空泡射彈武器在 90°俯仰角 30°方位角、90°俯仰角 0°方位角、0°俯仰角 30°方位角、0°俯仰角 0°方位角 4種狀態下發射的仿真結果可以看出：由于水下發射時超空泡射彈武器后坐力作用時間很短（4.2 ms），同時受到水阻力的影響，搭載平臺各軸的速度和角速度變化很小（速度最大為0°俯仰角0°方位角發射時0.059 7 m/s，角速度最大為90°俯仰角0°方位角發射時0.191 4 rad/s），且都可在0.5 s內恢復穩定，水下發射超空泡射彈對搭載UUV平臺姿態的影響很小。