周蓓等

摘 要：水下高速翼展系统的锁定能力对于航行体的稳定性影响具有重要的意义，该文在水下高速翼展过程无法直接通过单纯的理论仿真及试验研究手段解决的情况下，采用仿真与试验结合的手段开展研究。通过地面试验修正水阻尼参数，摸索弹出翼锁定速度以及碰撞速度衰减系数，并考虑火工品驱动力、来流速度等各项偏差再通过仿真手段推断航行体高速航行时弹出翼的锁定以及反弹运动情况，得到了弹出翼能够被锁定，或没有被锁定也能及时保持展开到位的状态的结论。

关键词：水下 高速翼展系统 锁定能力 仿真计算 地面试验

中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（c）-0058-02

Abstract：The simulation and ground test were applied to analyzed the characteristic of the folding wing when deploying to the expected position for underwater high speed small vehicle.The results indicate that wing can be folded or remain being at the expected position if it cant be locked，and the stability requirement can be meeted.

Key Words：Folding wing；Underwater vehicle；Locking characteristic；Simulation；Ground test

水下高速翼展系统是一种水下试验减速回收系统，用于在水下航行末段使航行体的快速减速。弹出翼采用火工品拔销器作为展开的动力能源，火工品驱动具有功率大、所需展开时间短等优点，但也造成弹出翼面展开过程的高动态性，同时使得翼面到位后仍具有较大的动能使得锁定困难。另外航行体航行中，迎流使得弹出翼展开速度成倍提高，极大的增加一次锁定的难度。但弹出翼无法锁定反弹时，迎流阻止翼反弹展开，对弹出翼的锁定又起到促进作用。分析弹出翼的锁定能力以及评估弹出翼多次反弹锁定对于航行体水下试验开展及试验数据获取具有重要意义。以下结合地面试验对某水下高速翼展机构锁定能力进行分析，并对水下锁定过程仿真。

1 翼展系统展开过程特点及运动方程

1.1 弹出翼展开过程特点

弹出翼展开过程有如下特点：（1）在水流和火工品作用下弹出翼展开速度极高；（2）弹出翼若无法一次锁定，将与舱段发生碰撞反弹，在碰撞与水流作用力综合作用下，弹出翼将在反复震荡；（3）通常采用火工品作为驱动力，驱动力存在散布，无法通过理论和仿真获得准确输入；（4）旋转阻尼成为主要影响因素，旋转角度超过90°，体现出与传统航行体小角度旋转下不同特点；（5）展开过程受高速来流、火工品驱动及旋转阻尼、附加质量等多因素影响，影响参数多，关系复杂。

1.2 展开过程运动方程

在水中运动的旋转运动方程如下：

（1）

其中，为旋转力矩矢量，为旋转阻尼力矩矢量，为火工品力矩矢量，、和分别为3项力矩的修正系数。该式适用于一次展开或反弹后的水中旋转运动过程。

1.3 锁定及反弹过程运动方程

当，弹出翼锁住。当，弹出翼以反弹的角速度为初速（其中，为锁定速度，为碰撞后的速度衰减系数），在水动力和阻尼的共同作用下快速减速，直至减速为0，其后反向再次发生反弹或锁定结束。

2 分析结果与范例

2.1 输入参数

2.1.1 弹出翼的旋转水动力力矩和旋转阻尼力矩

对翼展机构典型速度旋转水动力进行仿真，综合采用水动力仿真及经验公式计算相互校核，得出弹出翼旋转水动力和正行程旋转阻尼力矩如图1、图2所示。

由于正、反行程旋转运动的迎水面不同，阻尼参数不同，进行正、反行程阻尼参数的计算对比，反行程旋转阻尼力矩约为正行程的60%。

2.1.2 其他参数

（1）正行程：从展开0°到97°（机构实际展开到位角度），角度增大过程。

（2）反行程：展开角度从97°到0°过程，展开角度减小。

（3）翼展机构锁定范围：88°～92°；（机构实测得到）。

（4）设由于尾段限位结构变形，弹出翼在不锁定的状态下最多可展开至97°。

（5）计算过程：从0°展开到97°，再从97°回弹，根据88°、92°的角速度判断是否锁定，考慮97°与舱体碰撞的速度衰减。

（6）以驱动力作为输入参数，考虑到驱动力有偏差，以126N.m和252N.m作为两种极限情况。

2.2 试验及参数识别

2.2.1 阻尼修正系数识别

基于弹出翼静水中展开试验的高速摄像识别结果，对比试验和仿真结果，对弹出翼的阻尼力和力矩系数进行修正。仿真计算与试验识别结果的角速度标准差为67.52°/s，角度标准差为0.28°，吻合一致度良好。因此，k2取5。

2.2.2 碰撞衰减系数参数识别

从高速摄影图片中碰撞前后速度之差与碰撞前速度比，得到速度衰减系数：0.45～0.5。考虑速度和图片识别可能存在偏差，考虑仿真计算的速度衰减系数取0.45、0.65。

2.2.3 锁定速度参数识别

火工品装药量220 mg时水中展开试验单次锁定，锁定前角速度约2700°/s。火工品装药量120 mg，180 mg，220 mg时空气中展开试验，弹出翼单次展开皆未锁定，装药量为120 mg时弹出翼角速度最小，此时速度约3200°/s。

因此弹出翼锁定速度在2700°/s与3000°/s之间。

2.3 高速航行过程展开状态预示

2.3.1 仿真计算工况

计算工况如表1所示。

2.3.2 仿真计算结果

计算结果如表2所示。

2.3.3 仿真结果分析

综合上述计算结果，可以得出以下结论。

（1）在1、2的工况下，弹出翼第一次展开至97°的过程中速度大于3200°/s，弹出翼未锁定，触碰到舱段后反弹到94°，处于弹出翼锁定区域[88°，92°]之外，又在水流的作用，弹出翼接触在尾段的限位结构上，在1、2种工况下，弹出翼没有被锁定，弹出翼保持展开到位的状态；在3，4种工况下，弹出翼第一次反弹到[88.799°，89.547°]内，此时速度为零，基本处于弹出翼锁定区域[88°，92°]，因此在3、4种工况下，弹出翼可被锁定。

（2）在以上工况中，对于弹出翼的锁定速度判断精度要求不高。

（3）因此，考虑到各种工况，弹出翼能够被锁定，或没有被锁定也能及时保持展开到位的状态，反弹角度小。

3 结语

该文给出了一种弹出翼减速系统展开过程试验与仿真结合的分析方法，并以某翼展机构为例展示了整个研究过程，给出了主要参数的识别和修正方法，对于其它弹出翼系统的设计具有重要参考意义。

参考文献

[1] 秦兵才.小型折叠弹翼展开机构优化设计[J].弹箭与制导学报，2009（8）.

[2] 邢彦江.尾翼楔角对通气超空泡特性影响试验研究[J].哈尔滨工业大学学报，2013（1）.

[3] 王波.弹簧展开机构的设计及运动学仿真[J].空间电子技术，2007（1）.

[4] 姚小宁.弹翼展开机构中燃气作动筒的运动航行体[J].弹箭与制导学报，2012（10）.

[5] 钟世宏.新型可折叠翼板展开机构的设计及动力学研究[J].制造技术研究，2013，10（5）.