预置舵角下超空泡航行体运动过程弹道特性研究(4)
6自由度运动系统采用模块化设计,3个通道的加速度计通过延长线与主板连接,加速度计模块采用单面电路板设计,用两个螺钉刚性连接在内测支架上,以有效避免主电路板自身振动带来的影响。内测装置主要技术指标为:轴加速度计,量程:70g;轴角速率陀螺,量程:2 000°/s;采样精度:16位;采样率:3 kHz(6通道同步);容量:128 KB,最大采样率时可存储约3.5 s数据。
高速摄像系统采用美国REDLAKE公司HG-100K型号、机载内存为4 GB的高速摄像机,以1 000帧/s的速度对整个入水过程进行记录。
为了实现航行体头部向空泡内通气的功能,选择碳纤维气瓶(尺寸为φ62 mm×300 mm,额定压力为30 MPa,容积为0.5L)置于模型内部。试验前瓶内充入一定压力(p≤10 MPa)的气体后保持密封状态装入试验模型,航行体开始运动时刻用重块撞击惯性阀打开通气管路,高压气体从航行体前端通气孔流入空泡内。
2 试验模型
设计一个符合超空泡流型的试验模型开展水下高速航行试验,模型重量为7.6 kg,长800 mm,最大直径100 mm,试验模型前端面直径35.2 mm,具体外形如图2所示。
图2 试验模型实物和尺寸图Fig.2 Physical photograph and size of experimental model
主要无量纲参数轴向力系数Cx、侧向力系数Cz分别定义如下:
3 试验结果分析
为了探索超空泡航行体机动转弯过程的弹道特性,采用航行体头部设置预置舵角的方法,开展不同预置舵角下航行体水下高速自由航行试验研究,其中预置舵角分别设计为0°、3°和6°,速度为60 m/s,通气压力为4 MPa.
为了分析不同预置舵角下超空泡航行体运动过程的弹道特性,图3和图4分别给出了3种预置舵角下航行体运动过程中的受力与弹道特性曲线。
图3 不同预置舵角下超空泡航行体 运动过程的受力曲线Fig.3 Force curves of supercavitating vehicle free motion at different preset rudder angles
图4 不同预置舵角的运动参数曲线Fig.4 Motion parameters curves at different preset rudder angles
针对超空泡航行体自由航行过程的受力,从图3可知,轴向力在一定值附近小幅波动,随着预置舵角的增大,在出筒的瞬间,由于尾气的影响使轴向力变化规律不明显,不再分析。随着时间的推移,轴向力的绝对值随着预置舵角的增大而增大,这是因为随着舵角的增大,空泡不再对称,沾湿面积增大。这一现象与俄罗斯经典理论公式超空泡航行体轴向力随着空化器舵角的增大而增大的结论一致。对于侧向力,当预置舵角为0°时,航行体侧向力由于非定常因素的扰动而小幅波动,但均值基本为0,随着预置舵角的增加,侧向力不断增加。
图4分别给出了不同预置舵角下的运动参数曲线,结合受力图可知,当预置舵角为0°时,航行体未受到侧向力,即不存在偏航力矩,水下航行体以直航高速运动,水平面弹道曲线基本为一条直线,弹道并未发生弯曲,偏航方向的位移基本上为0 m. 当有预置舵角时,超空泡航行体高速运动,航行体在侧向力的作用下对质心形成偏航力矩,使航行体的弹道以一定的点为圆心转弯,迫使航行体弹道产生偏转。预置舵角越大,受到的侧向力和力矩越大,转动半径越小。
为了详细分析产生上述现象的原因,表1给出了3种预置舵角下航行体运动过程中典型时刻空泡形态图。结合图3、图4和表1可知,在超空泡航行体水下高速运动过程中,空泡形态并非一种固定形态,而是随着超空泡航行体的运动而变化。当预置舵角为0°时,由于非定常因素扰动的影响,超空泡航行体尾部左右轻微拍动空泡壁,但仍处于运动平衡状态,运动轨迹基本为一条直线,具体见运动参数曲线。针对本次实验,当有预置舵角时,超空泡航行体受到向左方向的侧向力,导致航行体向左转弯,与常规航行体的转弯不同。在向左转弯的过程中超空泡航行体尾部右侧拍击空泡壁,局部沾湿,产生恢复力和力矩,随着拍击运动的增强,沾湿面积增大,尾部力和力矩增大,使尾部向泡内运动,使得航行体的转弯过程趋势减小,偏航角度减小,预置舵角产生的力和力矩再次大于尾部受到的力和力矩,进一步向左转弯,使弹道逐渐完成偏转运动,此过程可通过空泡形态演变过程及偏航角曲线等可知。
随着预置舵角的增大,弹道曲线的回转半径减小,弹道更容易转弯。但预置舵角也不能太大,如在进行6°舵角试验过程中,超空泡航行体转弯过程没有出现明显得拍击现象,这是因为舵角过大,其产生的偏转力矩致使试验模型迅速出现转弯,而此过程中尾部拍击产生的恢复力相对为一小值,最终导致弹道失稳,故实际应用过程中舵角应小于此值。因此,最大预置舵角值应基于航行体外形和空泡流型的不同而定。
文章来源:《弹道学报》 网址: http://www.tdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0418/389.html
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