水下反蛙人火箭彈六自由度彈道仿真

王金云, 王孟軍, 周暉杰

水下反蛙人火箭彈六自由度彈道仿真

王金云1, 王孟軍1, 周暉杰2

(1. 河北省雙介質動力技術重點實驗室, 河北 邯鄲, 056017; 2. 寧波大學 科學技術學院, 浙江 寧波, 315212)

水下火箭彈作為近海港口防御的一種新型預置武器, 具有速度高、殺傷力大、使用方便等優點, 可有效對抗敵方蛙人的侵擾。為深入探索其水下彈道航行特性, 以某型水下火箭彈為研究對象, 建立水動力學彈道運動模型, 基于VC++語言自主編程, 對水下火箭彈六自由度彈道航行特性進行仿真, 并通過水下發射試驗對其航行穩定性進行驗證。結果表明, 在一定初始攻角條件下, 初速為100 m/s的射彈, 4.3 s內速度衰減至65 m/s, 并趨于穩定; 彈道水平射程達到660 m, 射高突破37 m; 彈體俯仰角在4 s內由12°變化為–7°, 俯仰角速度3 s內有5°～ –8°的波動, 彈道傾角從初始10°變化為–12°, 攻角由5°變化為–6°, 這些參數均發生顯著變化, 需在水下彈道優化設計中充分考慮。該方法可為新一代水下反蛙人預置武器彈道設計提供參考。

水下反蛙人火箭彈; 彈道仿真; 水下發射試驗

0 引言

隨著世界安全形勢的復雜多變, 水面、水下襲擊事件日益增多, 抵御敵方蛙人突襲變得愈來愈困難。而近海港口蛙人防御體系的缺失將大大增加港口遭受恐怖襲擊的幾率, 因此, 近海港口水域立體安全防御已成為各國海軍關注的焦點。

水下蛙人部隊是水下特種作戰的重要組成部分, 具有隱蔽性高、機動能力強和“非對稱戰略”的優越性, 可執行海上偵察、島礁港口破襲、反恐等特種作戰任務。為了有效防御近海港口敵方蛙人的侵襲, 各國相繼研發了反蛙人武器系統, 如水面反蛙人武器系統CS/LK-4、DP-65、CS/AR1 55 mm火箭炮等; 水下反蛙人槍械裝備, 如QBS 06、P-11、СПП-1М及APS等。為了有效打擊敵方蛙人, 一種新型水下預置火箭武器系統應運而生, 該武器系統搭載于水下無人作戰平臺, 基于平臺火控系統, 自動進行目標識別、火力跟蹤、平滑濾波、彈道解算、火力瞄準和智能發射, 實現對敵方蛙人的毀滅性打擊。水下彈道特性是該武器系統的關鍵技術之一, 由于水下環境的特殊性, 受流體阻力、海水密度、溫度、壓強分布、擾流及彈體初始姿態等多種因素影響, 航行器彈道特性發生顯著變化, 嚴重影響著武器系統的射擊精度。

近年來, 水下彈道特性尤其是水彈道建模與仿真已成為各國學者研究的熱點[1-5]。此外, 徐健等[6]基于Ls-Dyna軟件建立了彈-水耦合模型并進行了仿真; 黃闖[7]開展了跨聲速超空泡射彈在全彈道運動過程中的流場數值仿真; 張學偉[8]對水下超空泡射彈彈道特性進行了研究; Jiang等[9]開展了不同入水角和通氣量條件下有約束姿態的彈丸入水實驗研究; 孟慶操等[10]對不同入水角的反蛙人殺傷彈彈道進行了數值仿真; 龔鉑淳等[11]建立了拋射情況下的水下火箭彈彈道數學模型。文獻[14-16]研究了水下航行器彈道軌跡跟蹤與控制方法。近年來, 水下彈高速入水及彈道穩定性研究越來越受到各國海軍的重視[17-21]。

已有研究對水下航行器流體動力學、彈道建模、入水沖擊、發射氣水相互作用及傳熱傳質過程等進行了探討, 并對水下彈彈道模型進行了一定程度的簡化, 如考慮縱平面下的彈道運動方程研究, 彈丸高速入水問題研究等, 但是尚未見到針對水下反蛙人預置火箭彈研究的報道。鑒于此, 文中通過建立水下預置火箭彈動力學運動模型, 基于VC++自主編程, 對六自由度(彈體質心在空間3個軸方向的移動及繞三軸的轉動)彈道特性進行仿真分析, 以期為新一代水下反蛙人預置武器彈道設計提供參考。

1 動力學彈道模型

針對現有反蛙人武器系統水下速度低、射程近、威力有限等缺陷, 基于水反應納米金屬燃料高速推進反蛙人火箭彈, 采用水下預置發射方式, 可實現對敵方蛙人遠程打擊、超高速攻擊及高效毀傷, 可有效對抗敵方蛙人的侵擾。為深入探索其水下彈道航行特性, 以某型水下反蛙人火箭彈為研究對象, 建立水動力學彈道運動模型, 基于VC++語言自主編程, 對水下火箭彈六自由度彈道航行特性進行仿真。

圖1 彈體質心直角坐標系

水下火箭彈彈體運動方程是描述彈體在水中的運動規律, 基于解水動力學彈道微分方程組可得水下火箭彈彈道軌跡及航行姿勢態, 即任意時刻彈體質心處的坐標、速度、角速度、彈道傾角、彈道偏角和彈道傾斜角等變化規律。彈道動力學微分方程組為[10]

流體動力矩分量

2 彈道仿真與分析

反蛙人火箭彈由水下預置平臺發射, 火控系統接收傳感器發送的目標數據及預置平臺信息, 基于水動力學彈道方程和VC++編程, 通過4階龍格-庫塔法精確解算出水下彈彈道諸元。

2.1 初始條件

2.2 水動力學彈道仿真

水下火箭彈由水下預置平臺發射, 出管后由水反應金屬燃料發動機高速推進, 外彈道計算從彈體出炮口算起, 以一定初速和射角發射, 火箭彈彈道運動特性仿真如圖2～圖11所示。

圖2和圖3給出了水下火箭彈三維彈道、彈道水平距離及射高的變化趨勢。結果表明, 水下彈道最大水平距離達660 m, 最大射高37 m, 在軸方向上偏移量很小, 不超過0.006 m。

圖2 三維彈道軌跡圖

圖3 縱平面彈道變化曲線

Fig. 3 Trajectory variation curve in longitudinal plane

圖4和圖5給出了彈體坐標系下速度變化趨勢, 由于水中阻力為空氣中的800倍, 彈體水平方向速度V在4 s內由初始速度100 m/s迅速衰減到67 m/s后趨于穩定, 垂直速度V和軸速度V變化較小, 航行時間在4.3 s內, 彈體巡航速度穩定為65 m/s。

圖4 火箭彈水平距離與水平速度變化曲線

圖5 火箭彈彈體垂直速度與Z軸速度變化曲線

圖6 火箭彈彈道速度與橫滾角速度變化曲線

圖7 火箭彈偏航角速度與俯仰角速度變化曲線

圖8 火箭彈俯仰角與偏航角變化曲線

圖9 火箭彈橫滾角與彈道傾角變化曲線

Fig. 9 Roll angle and trajectory inclination angle cur- ves of rocket

圖10 火箭彈彈道偏角與傾斜角變化曲線

圖11 火箭彈攻角與側滑角變化曲線

圖12為水下火箭彈發射試驗圖, 圖12(a)為水面俯視圖, 圖12(b)為水下航行試驗圖。受試驗條件限制, 火箭彈發射試驗在水池中進行, 水池長120 m, 寬1.2 m, 深7 m, 初始速度100 m/s, 航行時間約為1.3 s, 彈道軌跡基本為直線。從圖12(a)可知, 在航行末端出現大量水花, 這是由于受試驗條件限制, 彈道只有120 m, 末端由擋板保護, 火箭彈撞擊至擋板上所產生的水花及空泡。從圖12(b)可知, 彈體在航行過程中, 空泡包覆狀態良好, 從而達到很好的減阻作用, 試驗結果表明, 水下火箭彈彈道具有很好的航行穩定性。

圖12 水下火箭彈發射試驗

Fig. 12 Launching test of underwater rocket

3 結束語

為深入探討水下預置火箭彈彈道特性, 建立了水下火箭彈六自由度動力學彈道方程, 基于4階-龍格庫塔法與VC++自主編程, 進行了水下彈道數值仿真, 獲得了水下彈三維彈道軌跡、速度變化趨勢、彈體姿態角變化、角速度變化率及彈道參數(包括彈道傾角、傾斜角、偏角、攻角和側滑角)等變化規律, 基于試驗的方法, 對彈道穩定性進行驗證。結果表明, 由于受復雜水動力因素的影響, 彈體速度衰減顯著, 初始速度為100 m/s且最終穩定在65 m/s左右; 彈體俯仰角在4 s內由12°變化為–7°; 俯仰角速度在3 s內有5°～ –8°的波動; 彈道傾角從初始10°變化為–12°; 攻角由5°變化為–6°。下一步將進行復雜擾流情況下水下火箭彈彈道穩定性的研究。

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Six-Degree-of-Freedom Ballistic Simulation of Underwater Anti-Frogman Rocket

WANG Jin-yun1, WANG Meng-jun1, ZHOU Hui-jie2

(1. Hebei Key Laboratory of Dual Medium Power Technology, Handan 056017, China; College of Science and Tech- nology, Ningbo University, Ningbo 315212, China)

As a new type of preset weapon for coastal port defense, underwater rockets have the advantages of high speed, high lethality, and convenient use, which can effectively resist the invasion of the enemy frogman. To deeply explore its underwater ballistic-navigation characteristics, taking a certain type of underwater rocket as the research object, a hydrodynamic ballistic motion model was established, and the six-degree-of-freedom ballistic-navigation characteristics of the underwater rocket were simulated based on VC++ language self-programming, and its navigation stability was verified through of the underwater launch test. The results show that the rocket with an initial velocity of 100 m/s decreases to 65 m/s within 4.3 s and tends to be stable under a certain initial angle of attack, the ballistic horizontal range reaches 660 m, and the rocket height breaks through 37 m, the pitching angle of the rocket changes from 12° to -7° within 4s, the pitching angular velocity fluctuates from 5° to -8° in 3 s, the angle of attack changes from 5° to -6°, the trajectory tilt angle changes from initial -10° to -12°. This study can provide a reference for the ballistic design of a new generation of underwater anti-frogman preset weapons.

underwater anti-frogman rocket; ballistic simulation; underwater launch test

TJ630; TJ012.3

A

2096-3920(2021)03-0313-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.010

王金云, 王孟軍, 周暉杰. 水下反蛙人火箭彈六自由度彈道仿真[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(3): 313-319.

2020-06-20;

2020-07-30.

王金云(1978-), 男, 博士, 研究員, 主要研究方向為水下彈道建模與仿真.

(責任編輯: 楊力軍)