跨介質飛行器觸水滑跳運動特性數值模擬

田北晨,劉濤濤,吳欽,黃彪

(北京理工大學 機械與車輛學院,北京 100081)

0 引言

物體入水過程是水動力學的經典問題,不僅在生活中極為常見,也是關系到反潛導彈、空投魚雷以及高速射彈等國防工業領域面臨的關鍵技術問題。以往研究主要針對物體垂直入水或具有較大入水角的斜射入水情況,重點關注物體入水空泡的形成與發展及其影響因素、入水流體動力特性等問題。為保證物體入水彈道的穩定性,通常要盡量避免物體觸水后出現彈跳現象。然而,也存在很多利用物體觸水彈跳的應用,最典型的就是生活中常見的“打水漂”、自然界中的蛇怪蜥蜴水上行走現象和飛機水上降落等;軍事上最著名的應用則為二戰期間利用水面跳彈水雷突破敵軍水下魚雷攔截網炸毀大壩。近年來,一些學者依據物體觸水彈跳現象提出了跨介質飛行器概念,它融合了巡航導彈、水上飛機和滑行艇的原理,可以在空氣和水兩種介質之間穿梭滑跳飛行。

跨介質飛行器近水面滑跳飛行是一種跨越水-氣兩種介質的特殊運動模式,具有機動靈活的彈道軌跡,可充分利用超低空、高隱蔽性和高機動能力等特點,能夠有效避免掠海雷達等偵察裝備的探測,從而實現對敵艦的遠程打擊,提高跨介質海戰武器的作戰效能,逐漸受到了廣泛關注。針對近水面滑跳運動的早期研究主要集中在球形彈體、圓盤以及平板等簡單物體入水的滑跳過程。Johnson基于相關實驗發現,圓球的入水彈跳現象與入水速度、臨界角及圓球密度密切相關,即臨界迎角隨著入水平均速度的增加而增加,若忽略圓球自身質量,則臨界迎角隨著入水平均速度的增加而減小;進而結合理論分析給出了產生彈跳現象的最大臨界角。Rosellini等開展了不同入水角度和旋轉速度下的圓盤入水彈跳實驗研究,發現旋轉速度對圓盤產生彈跳現象具有重要影響,旋轉速度越大,圓盤越易發生彈跳,并進一步指出能夠順利實現滑跳的臨界入水速度會隨著入水角度不同而發生改變。Bocquet基于Rosellini等的實驗觀測結果,通過建立圓盤觸水滑跳過程的動力學方程及能量方程,從理論角度分析了圓盤滑跳過程中受到的砰擊力與能量耗散過程,進而依據物體自旋運動產生的“陀螺效應”解釋了具有旋轉速度的圓盤更易發生滑跳現象的原因。Clanet等通過大量實驗觀測總結發現圓盤可以實現滑跳的最佳入水角度為20°,并將其稱之為“魔幻入水角”。Truscott等通過實驗對比分析了球體和圓盤的入水過程,指出物體形狀會影響滑跳現象的發生,相比于球形物體,圓盤的滑跳性能較好,且可實現滑跳的入水角度范圍更大。隨著計算機技術的發展,一些學者也開展了相應的數值模擬工作。Belden等基于計算流體動力學(CFD)方法對比分析了彈性球體和剛性球體的入水過程,發現在相同的觸水速度和接觸角情況下,相比于剛性球體,彈性球體通過變形為近似平板的形狀,增加了沾濕面積,同時獲得了有利于水面跳躍的攻角,更容易實現水面跳躍。Li等基于大渦模擬方法開展了不同旋轉速度下的圓盤三維入水過程數值模擬研究,詳細分析了整個滑跳過程中的流場結構和滑跳特性,發現具有旋轉運動的圓盤入水過程將會產生非對稱的空泡結構,圓盤旋轉速度的大小、方向以及水深差異都會對入水砰擊載荷和滑跳性能產生影響。

近年來,隨著跨介質飛行器概念的不斷深化,人們針對具有復雜形體的跨介質飛行器入水滑跳過程也開展了一定研究。裴譞等綜合考慮跨介質飛行器近水面滑跳時所受到的入水沖擊力、滑水力、慣性力及海面效應,建立了描述滑跳運動的動力學方程和運動學方程,分析了飛行器所受載荷對滑跳彈道的影響。孫士明等基于開放水面實驗平臺進行了跨介質航行體近水面滑跳試驗,結果表明,通過在彈體主體兩側加裝楔形滑行面能夠實現滑跳運動,并且重心位置改變時會影響觸水時刻的觸水傾角。吳文輝通過數值方法分析了近水面高速航行器穩定滑跳前行過程中受到的流體作用力對運動的影響。李永利等基于CFD仿真技術,對航行器的小角度入水過程進行了研究,獲得了飛行器單次入水跳彈現象的完整過程,但由于沾濕面積大、動能耗散快、無法實現連續滑跳。史崇鑌等基于實驗及數值計算方法研究了可變形跨介質航行器帶攻角單次入水過程的運動姿態及水動力特性,并通過數值模擬分析了波浪對入水形態的影響,結果表明波浪對跨介質航行器入水運動特性影響較小。劉祥等認為航行體入水時上下表面的流速差會產生升力,使得航行體向上偏轉產生滑跳,并分析了“水漂式”航行器入水角度及入水速度對運動軌跡、出水角度及出水速度的影響。

物體入水滑跳過程涉及到多相流體與物體大幅度運動的相互作用,自由液面會發生劇烈的破碎與飛濺等復雜流動現象,造成其整個運動過程的流體動力特性復雜多變。目前對該問題的研究主要集中在圓盤、球體等簡單幾何模型的觸水滑跳機理分析,對具有復雜幾何構型的跨介質飛行器入水滑跳過程研究尚處于起步階段,對滑跳過程還未形成系統和全面的認識。

本文基于STAR-CCM+商業軟件,采用體積分數(VOF)均質多相流模型和(、分別為湍動能和湍流耗散率)湍流模型,對帶滑板的跨介質飛行器靜水面滑跳過程進行數值模擬,分析了一種具有復雜構型的跨介質飛行器入水滑跳運動過程中的流場結構與載荷特性,討論了不同入水速度和入水俯仰角對此特殊構型飛行器近水面滑跳運動過程的影響,初步確定了利于滑跳運動的入水參數范圍。

1 數值計算方法

1.1 基本控制方程

采用VOF均質多相流模型進行計算。在VOF模型中,通過計算每個網格中液相體積分數及氣相體積分數來確定飛行器滑跳過程中氣體-液體兩相交界面位置和方向,該方法計算簡單且能嚴格滿足質量守恒定律。雷諾平均Navier-Stokes(N-S)方程可表述為

式中:下標和分別代表坐標方向;為混合介質密度;為來流速度;為流場壓力;為混合介質的動力黏性系數;為湍流黏性系數,

C為模型常數。

混合介質密度和湍流黏性系數分別定義為

式中:、分別為液體及氣體密度;、分別為液體及氣體黏度。

1.2 湍流模型

標準模型是典型的雷諾時均(RANS)湍流模型,它把渦黏系數和湍動能及湍動能耗散聯系在一起,該模型由Launder和Spalding于1972年提出,對于均相平衡流動的數值計算,標準模型的控制方程為

式中:為湍動能生成項;σ、C、C為常數。

1.3 網格劃分及邊界條件設置

本文采用的跨介質飛行器幾何結構如圖1所示。圖1中,為機身長度,為滑板高度,彈道傾角為入水速度與水平面之間夾角,速度沿軸負方向時為正;俯仰角為飛行器軸線和水平面之間夾角,飛行器軸線沿水平面向上時為正;機身攻角為入水速度與飛行器軸線之間的夾角,速度沿軸負方向時為正;滑板攻角為初始時刻滑板與水平面之間的夾角,研究中設定為=+10。飛行器質心初始位置位于(0 m,0 m)。由圖1可知,飛行器主要由機身和滑板兩部分組成,二者通過剛性桁架結構固定連接。機身長度=3.75 m,翼展寬0.6,滑板橫截面為矩形,其中長、寬、高分別為0.16×0.072×0.015,與飛行器機身軸線之間夾角為10。滑板質量=1.2 kg,飛行器總質量為140,飛行器質心位置距離機身頭部0.47、機身上端面0.075。

圖1 飛行器幾何模型Fig.1 Geometry model of aircraft

計算中,基于STAR CCM+平臺,采用算子分裂壓力隱式(PISO)算法求解計算過程中壓力和速度的耦合問題,對于瞬態過程的模擬采用2階離散格式。圖2給出了計算區域及邊界條件設置,計算域總長30,寬度和高度設置為2.5,水深為0.8,邊界條件為:計算域左、右兩側面以及底面設置為固壁,前、后表面設置為對稱面,上表面則采用速度梯度為零的滯止入口邊界,飛行器表面設置為絕熱、無滑移固壁條件。計算時間步長設置為0.002 s。圖3給出了計算域及飛行器附近的網格分布。為準確模擬多相流體與飛行器大幅運動的相互作用,采用重疊網格實現氣、水流體域和飛行器固體域之間的數據傳遞與網格更新。其中飛行器滑跳過程設置為3自由度體運動,采用DFBI模塊進行求解。為準確捕捉自由液面的變化以及減少整個計算域的網格數量,在自由液面及飛行器周圍進行局部網格加密,如圖3(b)所示,網格總數為750萬。

圖2 計算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation domain

圖3 邊界條件設置及近壁面網格加密示意圖Fig.3 Boundary conditions and near-wall grid of aircraft

1.4 數值計算方法驗證

為驗證數值計算方法的準確性,首先對文獻[11]中入水速度=3.5 m/s、入水攻角=35°以及速度攻角=20°實驗工況下,無旋轉圓盤的入水過程進行數值模擬。圖4給出了數值計算結果與實驗觀測結果的對比,圖4(a)時刻=0、此后圖4(a)～圖4(h)時間間隔為8.9 ms.由圖4可見,數值計算預測獲得的不同時刻下自由液面破碎和噴濺形態以及圓盤的運動姿態均與實驗結果吻合較好,表明本文數值計算方法的可行性與準確性。

圖4 圓盤水面滑跳實驗和數值計算的滑跳姿態對比(上為實驗結果,下為數值計算結果)Fig.4 Comparison between experimental and numerical calculated skipping attitudes of a disk over water surface

2 結果分析與討論

2.1 典型滑跳過程飛行器運動特性及流場特性

為了解跨介質飛行器在滑跳過程中的運動特性以及流場特性,圖5給出了入水速度=30 m/s、彈道傾角=4°、俯仰角=0°典型工況下滑跳過程中飛行器受到的無量綱垂向砰擊載荷(為垂向載荷,為飛行器重力)、垂向速度與位移以及機身俯仰角隨時間的變化。本文定義兩相鄰垂向位移峰值之間為一次滑跳運動。從圖5中可以看出:飛行器入水滑跳過程經歷了穩定滑跳和水面滑行兩個主要階段,且該工況下飛行器可實現連續8次穩定滑跳運動;在穩定滑跳階段,飛行器的質心垂向運動軌跡整體上隨時間呈類正弦規律波動,且每次滑跳運動過程中的最小垂向位移對應于最大的垂向砰擊載荷;在逐次滑跳過程中,由于飛行器動能的逐漸耗散,入水砰擊作用逐次減弱,飛行器觸水點時間間隔逐次縮小、質心垂向位移峰值及垂向砰擊載荷峰值逐次降低。飛行器垂向速度在重力及入水砰擊載荷的綜合作用下,呈現出與運動軌跡相似的周期性波動規律,且波動幅值逐次降低。

圖5 跨介質飛行器運動參數及受力隨時間變化曲線Fig.5 Changes of motion parameters and force of trans-media aircraft over time

圖6進一步給出了飛行器首次滑跳過程典型時刻下的自由液面變化。由圖6可以看出:在=0.08 s時刻,飛行器首次觸水,并通過滑板與周圍水體不斷地進行動量交換,被擠占空間的水體在獲得初始動量后逐漸向兩側發展,造成自由液面的大幅變形;由于機身頭部的抬升作用,飛行器機身尾部在=0.284 s和=0.77 s時刻會發生兩次觸水過程,造成自由液面也出現一定程度的變形,其變形幅度明顯小于滑板觸水過程;飛行器機身尾部的觸水過程造成飛行器在滑跳過程中出現二次砰擊載荷峰值,同時引起其垂向速度發生局部的小幅波動,如圖5中=0.284 s和=0.77 s時刻的垂向砰擊載荷和垂向速度所示;對于機身俯仰角而言,滑板的入水砰擊作用會引起飛行器機身頭部抬升、俯仰角增大,而機身尾部的入水砰擊作用則會引起機身尾部上翹、俯仰角減小,在二者共同作用下,機身俯仰角呈現出較為復雜的變化過程,說明飛行器在運動過程中的整體姿態復雜多變;隨著時間的推移,當飛行器所受砰擊力不足以克服自身重力使其躍出水面時,飛行器運動將進入水面滑行階段,此時飛行器垂向運動速度逐漸減小至0 m/s,所受垂向載荷主要來自于滑行過程中的滑行力。從機身俯仰角的變化來看,飛行器將保持滑板和機身尾部沾濕姿態進行水面滑行。

圖6 飛行器首次穩定滑跳階段自由液面形態Fig.6 Free liquid surface shape during the first stable skipping stage of the aircraft

為進一步分析跨介質飛行器觸水滑跳過程,圖7和圖8分別給出了飛行器首次入水砰擊過程滑板底面和側面的壓力分布云圖以及滑板攻角的變化。由圖7可以看出,在飛行器下降砰擊水面瞬間,滑板底面末端出現局部高壓,以滑板底面軸線為中心呈對稱分布;隨著飛行器的不斷向前運動,滑板底面局部高壓先增大后減小,在滑板底面中部位置達到最大,并迅速向滑板前端移動直至擴散整個滑板底面。隨著飛行器的進一步運動,滑板逐漸脫離水面,滑板底面高壓分布由滑板前面向末端逐漸消散。由圖8可以看出,在飛行器整個觸水滑跳過程中,滑板攻角由觸水瞬間的=12°逐漸增加到滑板即將離開水面時的=19°,呈明顯的增大趨勢。滑板底面均布式的壓力分布可以確保滑板整體上存在向上的抬升力,并且滑板底面前端的局部高壓可以進一步有效抬升機身頭部,使得滑板攻角呈增大趨勢,二者共同作用可以保證飛行器成功躍出水面,實現順利的滑跳運動。

圖7 飛行器首次入水砰擊過程滑板底面壓力分布云圖Fig.7 Cloud image of pressure distribution on the bottom surface of sliding plate during the first entry of the aircraft into water

圖8 飛行器首次入水砰擊過程滑板側面壓力分布云圖和滑板攻角變化(紅色實線表示水-氣交界面位置,初始時刻滑板攻角為10°)Fig.8 The distribution of pressure on the side surface of sliding plate and the variation of angle of attack of skiding plate during the first entry of the aircraft into water(the red solid line shows the interface between water and gas,and the angle of attack of skiding plate is 10°at initial mcment)

圖9給出了飛行器穩定滑跳階段滑板底面縱向中線的壓力時空分布云圖,其中滑板底面長為=0.16,滑板底端至底面高壓區頂點距離為。由圖9可以看出,滑板底面的壓力時空分布在穩定滑跳階段具有明顯的周期特征,呈現出在每個高壓作用時間內,飛行器觸水下降過程高壓區由滑板末端逐漸向滑板頂部擴展,而飛行器觸水上升過程高壓區由滑板頂部逐漸向滑板末端收縮。同時,隨著飛行器滑跳運動的進行,滑板底面壓力逐次變小且高壓作用時間逐次增加。表明隨著飛行器的不斷向前飛行,滑板與自由液面的作用時間將不斷增加,飛行器動能耗散不斷增加,造成飛行器砰擊水面抬升的高度不斷減小,進而引起滑板底面壓力波動周期逐次縮小,直至在重力作用下飛行器沒入水中,滑板底面高壓消失。

圖9 滑板底面壓力時空分布云圖(紅色虛線為高壓時空云圖輪廓)Fig.9 Temporal and spatial distribution of pressure on the bottom surface of sliding plate(the red dotted line is the profire of spatio-temporal image of high pressure)

2.2 飛行器運動參數對滑跳過程的影響

影響飛行器觸水滑跳的因素有滑板構型特征參數、入水速度、機身俯仰角、滑板攻角等。對于本文的滑板構型,飛行器運動過程中滑板與機身始終保持10°夾角,因此機身俯仰角與滑板攻角之間滿足=+10°。本文主要研究飛行器入水速度和入水機身俯仰角對滑跳運動的影響。圖10給出了入水速度為0～60 m/s、俯仰角為-10°～10°范圍內飛行器運動姿態圖譜,圖11給出了不同工況下3種典型的飛行器運動方式以及所引起的自由液面變化。從圖10中可以看出,當入水速度＜10 m/s或＞55 m/s時,無論飛行器保持多大的俯仰角接觸水面,飛行器都無法實現順利的滑跳運動。由圖11可以看出:入水初始入水速度過小時,飛行器入水后受到的垂向砰擊載荷無法克服重力及綜合流體阻力作用使其躍出水面,僅能在水面滑行并逐漸沒入水中;入水速度過大,飛行器觸水瞬間會受到較大的垂向砰擊載荷及正向俯仰力矩,造成飛行器離開水面后俯仰角快速增大,從而在空中發生傾覆;當入水俯仰角＜-8°時,無論飛行器以多大的速度入水,飛行器都無法實現順利的滑跳運動,這主要是因為飛行器滑板與水面接觸角過小,入水砰擊作用會使水的表面產生噴濺鞘,水流激射至觸水滑板以上沖擊機腹,飛行器沾濕面積增大,滑跳阻力增加,從而無法順利出水升空完成滑跳;當入水速度為10～55 m/s范圍內時,飛行器保持合適的俯仰角即可順利實現滑跳運動,在該入水速度區間內,隨著入水速度的增大,可順利實現近水面滑跳運動的入水俯仰角范圍先增大后減小,以入水速度為30 m/s時飛行器入水俯仰角的有效范圍最大,為-8°～10°。

圖10 跨介質飛行器可順利滑跳的入水速度及俯仰角圖譜Fig.10 Water-entry velocity and pitch angle graph of trans-media aircraft during skipping over the water smoothly

圖11 不同工況下3種典型的飛行器運動方式Fig.11 Three typical modes of aircraft movement under different working conditions

2.2.1 入水速度的影響

為詳細研究入水速度對跨介質飛行器近水面滑跳運動的影響,圖12給出了入水彈道傾角=4°、俯仰角=0°時,=25 m/s、=30 m/s以及=35 m/s 3種入水速度下飛行器首次穩定滑跳階段水氣分布云圖。由圖12可知:在給定速度范圍內,飛行器以不同速度水平入水時首次穩定滑跳過程相似,空中滑翔下降過程機身俯仰角基本保持穩定;入水砰擊過程中,飛行器俯沖入水使水面凹陷形成空泡,與水面發生砰擊作用后機身俯仰角迅速增加、抬頭升空離開水面;空中滑翔上升過程中,俯仰角持續增大并引起機身尾部觸水;隨著入水速度增大,飛行器滑板入水深度及機身尾部入水深度減小。

圖12 不同速度工況下飛行器首次滑跳階段水氣云圖Fig.12 Water and gas cloud images of aircraft at the first skipping stage under different velocity conditions

表1給出了不同入水速度工況下跨介質飛行器近水面穩定滑跳次數、穩定滑跳距離及滑跳過程中機身最大俯仰角。由表1可見:跨介質飛行器入水速度越大,穩定滑跳次數越多,穩定滑跳距離越遠,滑跳過程中機身最大俯仰角越大;初始入水速度由25 m/s增大至30 m/s時,穩定滑跳次數由6次增加至8次,增幅為33.3%;穩定滑跳距離由16.45增大至21.28,增幅為22.7%;最大俯仰角由21.5°增大至21.6°,增幅為0.5%;當入水速度由30 m/s增大至35 m/s時,穩定滑跳次數由8次增加至11次,增幅為37.5%;穩定滑跳距離由21.28增大至31.95,增幅為50.1%;最大俯仰角由21.6°增大至28.2°,增幅為30.6%。

表1 飛行器穩定滑跳次數及穩定滑跳距離Tab.1 The number and distance of aircraft's stable skipping

圖13給出了飛行器在不同入水速度下,逐次入水過程無量綱砰擊載荷峰值()、垂向位移以及無量綱水平速度v/v隨時間變化曲線。由圖13可見:入水速度越大,飛行器逐次入水砰擊過程砰擊載荷峰值越大,整體穩定滑跳運動過程中砰擊載荷峰值逐次降低;當入水速度為25 m/s時,砰擊載荷峰值衰減速率逐漸降低;當入水速度為30 m/s及35 m/s時,砰擊載荷峰值衰減速率呈“增大-減小”的周期性波動趨勢,且入水速度越大波動越明顯;飛行器入水速度越大,單次入水砰擊過程持續時間越短,入水深度越淺,升空高度越大,滑跳過程中平均滑跳高度越高,穩定滑跳過程持續時間越長;飛行器觸水砰擊作用會引起動能迅速耗散,入水速度越大,單次入水砰擊過程動能耗散越少,水平速度平均衰減速率越慢。

圖13 不同入水速度工況下運動特征參數隨時間變化曲線Fig.13 Variation curves of motion characteristic parameters over time at different water-entry velocities

2.2.2 俯仰角的影響

為詳細研究入水俯仰角對跨介質飛行器近水面滑跳運動的影響,圖14給出了入水彈道傾角=4°、入水速度=30 m/s時,=-5°、=0°以及=5°3種入水俯仰角下飛行器首次穩定滑跳階段水氣分布云圖。由圖14可見:當飛行器入水俯仰角=-5°時,觸水滑板與水面接觸角較小,入水砰擊過程水流激射至觸水滑板以阻力增加;隨著入水俯仰角增大,首次穩定滑跳持續時間增大,出水后升空高度降低、噴濺鞘消失、機身沾濕面積減小。當入水俯仰角=5°時,飛行器出水后機身尾部砰擊水面。

圖14 不同入水俯仰角工況飛行器首次滑跳階段水氣云圖Fig.14 Water andgas cloud images of aircraft in the first skipping process at different water-entry pitch angles

表2給出了不同入水俯仰角工況下飛行器近水面穩定滑跳次數、穩定滑跳距離及滑跳過程中機身最大俯仰角。由表2可見:當入水俯仰角由-5°增大至0°時,穩定滑跳次數由4次增加至8次,增幅為100%;穩定滑跳距離由18.27增大至21.28,增幅為16.48%;最大俯仰角由40.4°減小至21.6°,降幅為46.53%;飛行器入水俯仰角由負值增大時,穩定滑跳次數及穩定滑跳距離迅速增加、機身最大俯仰角迅速減小,滑跳性能迅速提升;當入水俯仰角由0°增大至5°時,穩定滑跳次數由8次增加至9次,增幅為12.5%;穩定滑跳距離由21.28減小至20.64,降幅為3%;最大俯仰角由21.6°降低至21.1°,降幅為2.3%,即飛行器入水俯仰角由正值逐漸增大時,穩定滑跳次數、穩定滑跳距離及機身最大俯仰角變化較小。

表2 飛行器穩定滑跳次數及穩定滑跳距離Tab.2 The number and distance of aircraft's stable skipping

圖15給出了飛行器在不同入水俯仰角下,逐次入水過程無量綱砰擊載荷峰值、垂向位移及無量綱水平速度v/v隨時間變化曲線。通過不同入水俯仰角工況對比發現:飛行器入水俯仰角越小,首次穩定滑跳過程砰擊載荷越大,在整體滑跳運動過程中砰擊載荷峰值逐漸降低,入水俯仰角為-5°時砰擊載荷峰值波動劇烈,極小值出現在第3次觸水砰擊階段;入水俯仰角為0°及5°時,砰擊載荷峰值均緩慢降低,且入水俯仰角為5°時砰擊載荷平均降低速率最小;飛行器入水俯仰角越大,單次入水砰擊過程持續時間越短,入水深度越淺,升空高度越低,穩定滑跳過程持續時間越長;入水俯仰角為-5°時滑跳過程中平均滑跳高度最高,入水俯仰角為0°時滑跳過程中平均滑跳高度最低;觸水砰擊作用會引起飛行器動能迅速耗散;入水俯仰角為-5°時,單次入水砰擊過程動能耗散最快,水平速度平均衰減速率最大;入水俯仰角為0°及5°時,水平速度衰減規律相似均緩慢降低,且入水俯仰角為0°時水平速度平均降低速率最小。

圖15 不同入水俯仰角工況下運動特征參數隨時間變化曲線Fig.15 Variation curves of motion characteristic parameters over time at different water entry pitch angles

3 結論

本文運用數值計算方法對一種具有復雜構型的跨介質飛行器靜水面的近水面滑跳運動過程進行了研究,分析了滑跳過程中飛行器周圍的流場特性及飛行器所受砰擊載荷、位移、速度和俯仰角隨時間的變化規律。為了研究飛行器入水速度及入水俯仰角對跨介質飛行器滑跳運動的影響,分別對不同入水速度及不同入水俯仰角工況進行了數值計算分析。得出以下主要結論:

1)跨介質飛行器近水面滑跳運動可分為穩定滑跳階段和水面滑行階段,穩定滑跳階段包括入水砰擊過程及空中滑翔過程。穩定滑跳階段飛行器砰擊載荷、垂直位移、俯仰角及速度隨時間呈周期性波動,在砰擊載荷峰值之間存在由于飛行器尾部觸水引起的局部載荷峰值。入水砰擊過程飛行器受到較大砰擊載荷,滑板與水面接觸位置存在高壓區,飛行器動能以壓力的形式傳向水域引起動能耗散、速度降低;空中滑翔過程飛行器受到的載荷較小,飛行器周圍流場相對簡單。水面滑行階段,飛行器持續受到水面滑行阻力,速度衰減較快。

2)跨介質飛行器初始入水速度取值10～55 m/s范圍內時,隨著入水速度的增大,可順利實現近水面滑跳運動的入水俯仰角范圍先增大后減小,入水速度為30 m/s時飛行器入水俯仰角有效范圍最大為=-8°～10°。

3)入水速度取值25～35 m/s范圍時,飛行器入水速度越大,所受砰擊載荷越大,入水砰擊過程持續時間越短,穩定滑跳次數越多,滑跳距離越遠,越有利于近水面滑跳運動的進行。飛行器入水俯仰角由負值逐漸增大時,穩定滑跳次數及滑跳距離變大,機身俯仰角減小,砰擊載荷波動減小。入水俯仰角取值0°～5°時,飛行器滑跳次數及滑跳距離最大,滑跳姿態最穩定,近水面滑跳性能最佳。