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(zhì)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 邯鄲, 056017; 2. 寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)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(yù)置武器, 具有速度高、殺傷力大、使用方便等優(yōu)點(diǎn), 可有效對(duì)抗敵方蛙人的侵?jǐn)_。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(duì)象, 建立水動(dòng)力學(xué)彈道運(yùn)動(dòng)模型, 基于VC++語(yǔ)言自主編程, 對(duì)水下火箭彈六自由度彈道航行特性進(jìn)行仿真, 并通過(guò)水下發(fā)射試驗(yàn)對(duì)其航行穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)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(nèi)速度衰減至65 m/s, 并趨于穩(wěn)定; 彈道水平射程達(dá)到660 m, 射高突破37 m; 彈體俯仰角在4 s內(nèi)由12°變化為–7°, 俯仰角速度3 s內(nèi)有5°～ –8°的波動(dòng), 彈道傾角從初始10°變化為–12°, 攻角由5°變化為–6°, 這些參數(shù)均發(fā)生顯著變化, 需在水下彈道優(yōu)化設(shè)計(jì)中充分考慮。該方法可為新一代水下反蛙人預(yù)置武器彈道設(shè)計(jì)提供參考。

水下反蛙人火箭彈; 彈道仿真; 水下發(fā)射試驗(yàn)

0 引言

隨著世界安全形勢(shì)的復(fù)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(lái)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(guó)海軍關(guān)注的焦點(diǎn)。

水下蛙人部隊(duì)是水下特種作戰(zhàn)的重要組成部分, 具有隱蔽性高、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)和“非對(duì)稱(chēng)戰(zhàn)略”的優(yōu)越性, 可執(zhí)行海上偵察、島礁港口破襲、反恐等特種作戰(zhàn)任務(wù)。為了有效防御近海港口敵方蛙人的侵襲, 各國(guó)相繼研發(fā)了反蛙人武器系統(tǒng), 如水面反蛙人武器系統(tǒng)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(yù)置火箭武器系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生, 該武器系統(tǒng)搭載于水下無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái), 基于平臺(tái)火控系統(tǒng), 自動(dòng)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、火力跟蹤、平滑濾波、彈道解算、火力瞄準(zhǔn)和智能發(fā)射, 實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方蛙人的毀滅性打擊。水下彈道特性是該武器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一, 由于水下環(huán)境的特殊性, 受流體阻力、海水密度、溫度、壓強(qiáng)分布、擾流及彈體初始姿態(tài)等多種因素影響, 航行器彈道特性發(fā)生顯著變化, 嚴(yán)重影響著武器系統(tǒng)的射擊精度。

近年來(lái), 水下彈道特性尤其是水彈道建模與仿真已成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)[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(jìn)行了仿真; 黃闖[7]開(kāi)展了跨聲速超空泡射彈在全彈道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流場(chǎng)數(shù)值仿真; 張學(xué)偉[8]對(duì)水下超空泡射彈彈道特性進(jìn)行了研究; Jiang等[9]開(kāi)展了不同入水角和通氣量條件下有約束姿態(tài)的彈丸入水實(shí)驗(yàn)研究; 孟慶操等[10]對(duì)不同入水角的反蛙人殺傷彈彈道進(jìn)行了數(shù)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(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[14-16]研究了水下航行器彈道軌跡跟蹤與控制方法。近年來(lái), 水下彈高速入水及彈道穩(wěn)定性研究越來(lái)越受到各國(guó)海軍的重視[17-21]。

已有研究對(duì)水下航行器流體動(dòng)力學(xué)、彈道建模、入水沖擊、發(fā)射氣水相互作用及傳熱傳質(zhì)過(guò)程等進(jìn)行了探討, 并對(duì)水下彈彈道模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化, 如考慮縱平面下的彈道運(yùn)動(dòng)方程研究, 彈丸高速入水問(wèn)題研究等, 但是尚未見(jiàn)到針對(duì)水下反蛙人預(yù)置火箭彈研究的報(bào)道。鑒于此, 文中通過(guò)建立水下預(yù)置火箭彈動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)模型, 基于VC++自主編程, 對(duì)六自由度(彈體質(zhì)心在空間3個(gè)軸方向的移動(dòng)及繞三軸的轉(zhuǎn)動(dòng))彈道特性進(jìn)行仿真分析, 以期為新一代水下反蛙人預(yù)置武器彈道設(shè)計(jì)提供參考。

1 動(dòng)力學(xué)彈道模型

針對(duì)現(xiàn)有反蛙人武器系統(tǒng)水下速度低、射程近、威力有限等缺陷, 基于水反應(yīng)納米金屬燃料高速推進(jìn)反蛙人火箭彈, 采用水下預(yù)置發(fā)射方式, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方蛙人遠(yuǎn)程打擊、超高速攻擊及高效毀傷, 可有效對(duì)抗敵方蛙人的侵?jǐn)_。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(duì)象, 建立水動(dòng)力學(xué)彈道運(yùn)動(dòng)模型, 基于VC++語(yǔ)言自主編程, 對(duì)水下火箭彈六自由度彈道航行特性進(jìn)行仿真。

圖1 彈體質(zhì)心直角坐標(biāo)系

水下火箭彈彈體運(yùn)動(dòng)方程是描述彈體在水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 基于解水動(dòng)力學(xué)彈道微分方程組可得水下火箭彈彈道軌跡及航行姿勢(shì)態(tài), 即任意時(shí)刻彈體質(zhì)心處的坐標(biāo)、速度、角速度、彈道傾角、彈道偏角和彈道傾斜角等變化規(guī)律。彈道動(dòng)力學(xué)微分方程組為[10]

流體動(dòng)力矩分量

2 彈道仿真與分析

反蛙人火箭彈由水下預(yù)置平臺(tái)發(fā)射, 火控系統(tǒng)接收傳感器發(fā)送的目標(biāo)數(shù)據(jù)及預(yù)置平臺(tái)信息, 基于水動(dòng)力學(xué)彈道方程和VC++編程, 通過(guò)4階龍格-庫(kù)塔法精確解算出水下彈彈道諸元。

2.1 初始條件

2.2 水動(dòng)力學(xué)彈道仿真

水下火箭彈由水下預(yù)置平臺(tái)發(fā)射, 出管后由水反應(yīng)金屬燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高速推進(jìn), 外彈道計(jì)算從彈體出炮口算起, 以一定初速和射角發(fā)射, 火箭彈彈道運(yùn)動(dòng)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(shì)。結(jié)果表明, 水下彈道最大水平距離達(dá)660 m, 最大射高37 m, 在軸方向上偏移量很小, 不超過(guò)0.006 m。

圖2 三維彈道軌跡圖

圖3 縱平面彈道變化曲線(xiàn)

Fig. 3 Trajectory variation curve in longitudinal plane

圖4和圖5給出了彈體坐標(biāo)系下速度變化趨勢(shì), 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(nèi)由初始速度100 m/s迅速衰減到67 m/s后趨于穩(wěn)定, 垂直速度V和軸速度V變化較小, 航行時(shí)間在4.3 s內(nèi), 彈體巡航速度穩(wěn)定為65 m/s。

圖4 火箭彈水平距離與水平速度變化曲線(xiàn)

圖5 火箭彈彈體垂直速度與Z軸速度變化曲線(xiàn)

圖6 火箭彈彈道速度與橫滾角速度變化曲線(xiàn)

圖7 火箭彈偏航角速度與俯仰角速度變化曲線(xiàn)

圖8 火箭彈俯仰角與偏航角變化曲線(xiàn)

圖9 火箭彈橫滾角與彈道傾角變化曲線(xiàn)

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(xiàn)

圖11 火箭彈攻角與側(cè)滑角變化曲線(xiàn)

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

圖12 水下火箭彈發(fā)射試驗(yàn)

Fig. 12 Launching test of underwater rocket

3 結(jié)束語(yǔ)

為深入探討水下預(yù)置火箭彈彈道特性, 建立了水下火箭彈六自由度動(dòng)力學(xué)彈道方程, 基于4階-龍格庫(kù)塔法與VC++自主編程, 進(jìn)行了水下彈道數(shù)值仿真, 獲得了水下彈三維彈道軌跡、速度變化趨勢(shì)、彈體姿態(tài)角變化、角速度變化率及彈道參數(shù)(包括彈道傾角、傾斜角、偏角、攻角和側(cè)滑角)等變化規(guī)律, 基于試驗(yàn)的方法, 對(duì)彈道穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明, 由于受復(fù)雜水動(dòng)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(wěn)定在65 m/s左右; 彈體俯仰角在4 s內(nèi)由12°變化為–7°; 俯仰角速度在3 s內(nèi)有5°～ –8°的波動(dòng); 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(jìn)行復(fù)雜擾流情況下水下火箭彈彈道穩(wěn)定性的研究。

[1] 宋海龍. 水彈道建模與仿真方法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014: 1-19.

[2] 鄔明. 考慮空泡的空投航行器入水彈道研究[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2015, 36(3): 23-27.

Wu Ming. Research on Water Entry and Underwater Tr- ajectory of an Airborne Vehicle with Consideration of Ca- vity[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2015, 36(3): 23-27.

[3] Chen C, Cao W, Wang C, et al. Trajectory Simulation for Underwater Vehicle with Power-launched [J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 23(1): 17-22.

[4] Ye H, Zhou H, Wang X. Modeling and Simulation on the Underwater Trajectory of Non-powered Vehicle Disch- arged from the Broadside[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2016, 23(2): 79-86.

[5] Zhou L, Yu Y. Study on Interaction Characteristics Bet- ween Multi-gas Jets and Water During the Underwater Launching Process[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2017, 83: 200-206.

[6] 徐健, 楊臻, 李強(qiáng). 基于Ls-Dyna軟件的水下彈的外彈道仿真[J]. 火力與指揮控制, 2016, 41(3): 5-7.

Xu Jian, Yang Zhen, Li Qiang. Simulation for Submarine Bullet’s Exterior Ballistic Based on Dyna[J]. Fire and Command Control, 2016, 41(3): 5-7.

[7] 黃闖. 跨聲速超空泡射彈的彈道特性研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2017: 67-94.

[8] 張學(xué)偉. 水下超空泡射彈運(yùn)動(dòng)仿真與彈道特性分析[D]. 太原: 中北大學(xué), 2017: 18-25.

[9] Jiang Y, Bai T, Gao Y, et al. Water Entry of a Constraint Posture Body Under Different Entry Angles and Ven- tilation Rates[J]. Ocean Engineering, 2018, 153: 53-59.

[10] 孟慶操, 楊光. 反蛙人殺傷彈水中彈道模型與仿真[J]. 火力與指揮控制, 2018, 43(5): 117-120.

Meng Qing-cao, Yang Guang. Research on Underwater Ballistic Model and Simulation of Anti-frogman Frag- mentation Bomb[J]. Fire and Command Control, 2018, 43(5): 117-120.

[11] 龔鉑淳, 馬少杰, 魏健. 水下單兵火箭彈彈道計(jì)算[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào), 2018, 39(11): 44-48.

Gong Bo-chun, Ma Shao-jie, Wei Jian. Ballistic Cal- culation of Underwater Individual Rocket[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2018, 39(11): 44-48.

[12] Degtiar V G, Pegov V I, Moshkin I Y, et al. Mathematical Modeling of the Processes of Heat and Mass Transfer of Hot Gas Jets with Fluid During Underwater Rocket Laun- ches[J]. High Temperature, 2019, 57(5): 707-711.

[13] Zhang X, Yu Y, Zhou L. Numerical Study on the Mul- tiphase Flow Characteristics of Gas Curtain Launch for Underwater Gun[J]. International Journal of Heat and Ma- ss Transfer, 2019, 134: 250-261.

[14] Kumar N, Rani M. An Efficient Hybrid Approach for Tra- jectory Tracking Control of Autonomous Underwater Ve- hicles[J]. Applied Ocean Research, 2020, 95: 102053.

[15] Guerrero J, Torres J, Creuze V. Adaptive Disturbance Ob- server for Trajectory Tracking Control of Underwater Ve- hicles[J]. Ocean Engineering, 2020, 200: 107080.

[16] Xie T, Li Y, Jiang Y, et al. Back-stepping Active Dis- turbance Rejection Control for Trajectory Tracking of Un- der-actuated Autonomous Underwater Vehicles with Po- sition Error Constraint[J]. International Journal of Adv- anced Robotic Systems, 2020, 3: 1-12.

[17] Chen C, Yuan X, Liu X, et al. Experimental and Num- erical Study on the Oblique Water Entry Impact of a Ca- vitating Vehicle with a Disk Cavitator[J]. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2019, 11(1): 482-494.

[18] Chen T, Huang W, Zhang W, et al. Experimental Inves- tigation on Trajectory Stability of High-speed Water Entry Projectiles[J]. Ocean Engineering, 2019, 175: 16-24.

[19] 侯宇, 黃振貴, 郭則慶, 等. 超空泡射彈小入水角高速斜入水試驗(yàn)研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2020, 41(2): 332-341.

Hou Yu, Huang Zhen-gui, Guo Ze-qin, et al. Experimental Investigation on Shallow-angle Oblique Water-entry of a High-speed Supercavitating Projectile[J]. ACTA Armame- ntarii, 2020, 41(2): 332-341.

[20] 楊繼鋒, 馬亮, 劉丙杰, 等. 空化條件下潛射航行體水彈道修正方法研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2020, 40(3): 27-30, 34.

Yang Ji-feng, Ma Liang, Liu Bing-jie, et al. Research on Water Trajectory Correction Method of Submarine Laun- ched Vehicle Based on Cavitation Conditions[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2020, 40 (3): 27-30, 34.

[21] 張代國(guó), 潘菲菲, 張曉樂(lè). 自旋前伸空化回轉(zhuǎn)體高速斜人水穩(wěn)定性仿真研究[J]. 數(shù)字海洋與水下攻防, 2020, 3(1): 40-45.

Zhang Dai-guo, Pan Fei-fei, Zhang Xiao-le. Stability Si- mulation on High-speed Water Entry with Certain Angle of Self-spin Forward-extended Cavitating Body[J]. Digital Ocean & Underwater Warfare, 2020, 3(1): 40-45.

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(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 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?yàn)樗聫椀澜Ｅc仿真.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)