魏 平，侯 健，鲁春佳，赵泽鹏，荣 里

（海军工程大学，湖北 武汉 430033）

0 引言

为提高水下攻防作战能力，各军事强国都致力于高速水中兵器的研究。超空泡减阻技术可大幅减小水中兵器的运动阻力，有效提高运动速度和射程，具有广阔的应用前景[1]。超空泡射弹武器是应用超空泡减阻技术研制的一种新概念武器，能够突破普通射弹水中运动极限，有效打击水雷等水下目标。美国、俄罗斯分别研制了基于机载平台及单兵作战的超空泡射弹武器——机载快速灭雷系统和水下突击步枪，但基于水下平台发射的超空泡射弹武器及其平台适应性研究鲜有报道[2-5]。随着UUV的快速发展，UUV平台搭载水下超空泡高速射弹武器成为可能，超空泡射弹武器水下发射时伴随强烈的振动冲击，研究冲击力特性及其对UUV平台的影响规律具有重要的现实意义。本文主要针对基于水下发射平台的超空泡射弹武器开展平台适应性研究，初步探索水下超空泡射弹武器在不同方位、不同角度发射时对UUV平台姿态的影响规律。

1 建立模型

1.1 坐标系

建立如图1所示的固定坐标系（o0x0y0z0）和移动坐标系（oxyz）。固定坐标系的原点o0可以取水平面内任意一点，o0z0轴垂直于水平面指向地心，o0x0轴为水平面任意方向，o0x0y0平行于水平面，符合左手规则。移动坐标系的原点o在航行器的质心，其坐标轴ox、oy、oz分别是经过的横切面、横剖面、纵中剖面的交线，ox轴指向航行器艉部，oz轴处在航行体对称面垂直于ox轴指向下方，oy轴垂直于oxz面，符合左手规则。

图1 坐标系Fig. 1 Coordinate system

1.2 仿真模型

应用STAR CCM+ CFD软件建立水下超空泡射弹武器及搭载UUV航行器平台的六自由度仿真模型[6-8]。如图 2所示，创建长方体背景区域，6个表面按块分割，分别设置为速度进口、压力出口、顶部、底部、侧面和系统边界，将长方体、包面及背景过度区执行布尔减运算操作，以加快计算收敛速度，采用多面体网格划分。

图2 仿真模型Fig. 2 Simulation model

1.3 边界条件

水下发射超空泡射弹武器对搭载平台姿态的影响主要是超空泡射弹武器发射后坐力载荷的作用。为方便计算，将后坐力曲线做离散化处理，如图3所示，后坐力总作用时间为4.2 ms，其中1.4 ms时后坐力最大为 5 500 N，2.8 ms时后坐力降至500 N，4.2 ms时降至最低值50 N。水下超空泡射弹武器发射时的俯仰角为身管与平面oxy的夹角，向下为正；方位角为身管在oxy平面投影与ox轴负方向的夹角，向左为正。为减少运算次数，分别选择具有代表性的 0°、90°的俯仰角和 0°、30°的方位角进行仿真计算。

图3 后坐力载荷Fig. 3 Recoil load

2 仿真分析

分别选取 0°、90°的俯仰角和 0°、30°的方位角4种工况下发射超空泡射弹进行仿真计算。

1）0°俯仰角、0°方位角发射。

航行器平台各轴速度变化仿真结果如图 4所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下，平台x轴速度、z轴速度快速上升，在0.004 2 s分别达到0.059 7 m/s和0.054 57 m/s，y轴速度稍有变化，在 0.004 2 s增长至-0.010 1 m/s，见图 4（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，平台x轴速度于0.352 s减小至0，z轴速度于0.318 s减小至0，y轴速度于0.091 s减小至0，见图4（b）。

图4 0°俯仰角、0°方位角发射平台各轴速度随时间变化曲线Fig. 4 Curves of axes’ speed of launch platform under 0° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

航行器平台各轴角速度变化仿真结果如图 5所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下，平台x轴角速度快速上升，在 0.004 2 s达到0.121 rad/s，y轴、z轴角速度稍有变化，见图 5（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，x轴角速度逐渐振荡减小，于0.390 s减小至0，y轴角速度于0.059 3 s减小至0，z轴减速度逐渐振荡减小，于0.257 s减小至0，见图5（b）。

图5 0°俯仰角、0°方位角发射平台各轴角速度随时间变化曲线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°方位角发射。

航行器平台各轴速度变化仿真结果如图 6所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下，平台x轴速度、y轴、z轴速度快速上升，在0.004 2 s分别达到 0.046 1 m/s、0.049 53 m/s、0.029 1 m/s，见图6（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，平台x轴速度于0.272 s减小至0，y轴速度于0.31 s减小至 0，z轴速度于 0.158 s减小至 0，见图 6（b）。

航行器平台各轴角速度变化仿真结果如图 7所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下，平台x轴角速度快速上升，在 0.004 2 s达到0.145 1 rad/s，y轴、z轴角速度稍有变化，见图 7（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，x轴角速度逐渐振荡减小，于0.441 s减小至0，见图7（b）。

图6 0°俯仰角、30°方位角发射平台各轴速度随时间变化曲线Fig. 6 Curves of axes’ speed of launch platform under 0° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

图7 0°俯仰角、30°方位角发射平台各轴角速度随时间变化曲线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°方位角发射。

航行器平台各轴速度变化仿真结果如图 8所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下，平台z轴速度快速变化，在0.004 2 s达到-0.032 54 m/s，x轴速度和y轴速度基本不变，见图8（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，平台z轴速度于0.202 3 s减小至0，见图8（b）。

航行器平台各轴角速度变化仿真结果如图 9所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下， 平台x轴角速度快速上升，在 0.004 2 s达到0.191 4 rad/s，y轴、z轴角速度稍有变化，见图 9（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，x轴角速度逐渐振荡减小，于0.465 s减小至0，见图9（b）。

4）90°俯仰角、30°方位角发射。

航行器平台各轴速度变化仿真结果如图10所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下，平台y轴和z轴速度快速变化，在0.004 2 s分别达到0.025 3 m/s和-0.030 2 m/s，x轴速度基本不变，见图10（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，y轴速度于0.146 s减小至0，z轴速度于0.196 s减小至0，见图10（b）。

图8 90°俯仰角、0°方位角发射平台各轴速度随时间变化曲线Fig. 8 Curves of axes’ speed of launch platform under 90° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

图9 90°俯仰角、0°方位角发射平台各轴角速度随时间变化曲线Fig. 9 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 90° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

图10 90°俯仰角、30°方位角发射平台各轴角速度随时间变化曲线Fig. 10 Curves of axes’ speed of launch platform under 90° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

航行器平台各轴角速度变化仿真结果如图 11所示。超空泡射弹发射后，在后坐力的作用下，平台x轴角速度快速上升，在 0.004 2 s达到0.184 8 rad/s，y轴、z轴角速度基本不变，见图11（a）；随后，弹丸出炮口，后坐力消失，x轴角速度逐渐振荡减小，于 0.459 6 s减小至0，见图11（b）。

图11 90°俯仰角、30°方位角发射平台各轴角速度随时间变化曲线Fig. 11 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 90° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

3 结束语

通过对超空泡射弹武器在 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种状态下发射的仿真结果可以看出：由于水下发射时超空泡射弹武器后坐力作用时间很短（4.2 ms），同时受到水阻力的影响，搭载平台各轴的速度和角速度变化很小（速度最大为0°俯仰角0°方位角发射时0.059 7 m/s，角速度最大为90°俯仰角0°方位角发射时0.191 4 rad/s），且都可在0.5 s内恢复稳定，水下发射超空泡射弹对搭载UUV平台姿态的影响很小。