基于EFD 的巡邏艇運動橫穩性影響因素研究

王 飛，鄭小龍，焦 俊，羅 朋，李成華

(1.中國船舶集團有限公司第六〇五研究院, 廣東 廣州 510250；2.中國特種飛行器研究所高速水動力航空科技重點實驗室 湖北 荊門 448035；3.中國特種飛行器研究所水動力研究中心，湖北 荊門 448035)

0 引 言

火炮系統作為現代武器裝備體系的重要組成部分，在現代戰爭中的重要性日益凸顯。面對國內外日益增長的中小型艦艇火炮加裝需求，如何評估火炮加裝后對中小型艦艇穩定性能產生的影響成為急需解決的問題。

近年來，為維護海洋主權以及國家海洋經濟穩定發展，執法巡邏艇設計技術也得到了快速發展，針對發射炮彈對巡邏艇穩定性研究成為一項重要的研究課題。高速執法艇一般在航行時完成射擊，當發射大口徑炮彈時，產生的后坐力必然對巡邏艇施加一個橫向傾斜力矩，破壞船舶的平衡狀態。尤其是在風浪條件復雜的開闊水域，巡邏艇在運動中產生搖蕩，多自由度運動耦合會進一步增大巡邏艇傾覆的可能性，對人員及船艇的安全性造成巨大威脅。因此，開展炮彈后坐力對高速巡邏艇的穩定性研究，對掌握高速航行狀態下巡邏艇射擊炮彈的安全口徑范圍顯得尤為重要。

目前，國內外針對高速艇的橫穩性主要通過數值模擬和水池試驗的方式對其橫穩性損失問題進行研究。一般采用固定橫傾角模型試驗或無航速靜穩性試驗[1-4]，而對于高速艇在有航速的狀態下也僅進行了對船體施加固定橫傾力矩的橫穩性數值模擬[5]，鮮有學者開展瞬時外力對高速滑行艇橫穩性的影響研究。本文基于模型拖曳與外力瞬時沖擊耦合的方法，針對某高速滑行狀態的巡邏艇模型進行多種外力作用方式下的橫搖運動模擬，得到巡邏艇模型的橫搖幅值及橫搖衰減特性，分析不同外力形式對巡邏艇運動橫穩性影響的規律，得到一種模擬炮彈后坐力對巡邏艇橫穩性影響的試驗分析方法。

1 試驗模型及方案設計

外力沖擊下的巡邏艇運動橫穩性試驗依托中國特種飛行器研究高速水動實驗室開展。其高速拖曳試驗水池及其配套的拖車、造波機等高速水動力試驗設備技術指標如下：

1）水池主尺度

池長510 m，池寬6.5 m，池深6.8 m，水深5.0 m。

2）拖車性能

速度范圍0.1～25 m/s，車速穩定精度優于0.1%。

3）造波機性能

規則波波長0.5～15 m，波高0.03～0.50 m；各類長峰不規則波。

4）測試手段：試驗數據采集和處理分析自動化。

試驗數據采集和處理分析自動化。

1.1 試驗模型

本文選用的高速巡邏艇模型如圖1 所示。船模總長L為2 840 mm，折角線寬為445 mm，排水量為128 kg，尾部的船底斜升角β為18°。在船體坐標系中，以基線為X軸，向首為正；船寬方向為Y軸，向左舷為正；垂向為Z軸，向上為正。綜合各方面因素考慮，船模縮尺比選擇為5∶1。

圖1 巡邏艇模型Fig.1 Planning craft model

1.2 試驗方案

與常規的船模拖曳試驗不同，火炮后坐力沖擊下的巡邏艇運動橫穩性試驗除了要模擬模型定速滑行外，還要模擬在運動過程突然受到的瞬時外力沖擊，因此需要對火炮后坐力的施加形式進行特殊設計。

安裝于巡邏艇上的武器裝備在發射過程中，對艇體存在一個反作用力的作用，即為后坐力。由于火炮發射對艇體產生沖量，而沖量是力的時間累積效應的量度，為矢量，通常用于求解短暫過程（如撞擊）物體間的作用力，試驗較難模擬。因此，采用動量等效模擬火炮發射時的反作用力。在艇體甲板面上方搭建一個L 型滑道，采用1 枚球形彈丸以指定的高度自由落體。以某一水平速度敲擊艇體，模擬炮彈后坐力產生的瞬時沖量，如圖2 所示。

這天，孟導又是下班后就到葉總店里報道了。孟導到的時候，葉總正忙著接待客人。今天葉總店里生意興隆，平時都是熟人過來聊天，而今天店里有好幾撥客人，讓孟導有些詫異。畢竟古玩市場里一直流傳著“不作買賣照樣賺大錢的葉總”這樣的說法。

圖2 敲擊試驗模型Fig.2 Percussive experiment model

敲擊點貼壓力應變片以測量敲擊力的變化時歷曲線，安裝在巡邏艇模型中的傾角傳感器可對模型橫搖角的變化進行實時測量。沖量與動量按下式進行轉換：

式中：F為后坐力大小；t為后坐力作用時間；M為彈丸質量；V為水平敲擊速度。其中V的大小通過彈丸自由落體的高度來進行控制，在試驗開始前對彈丸擬達到的速度進行校核。

1.3 試驗工況

為研究模型狀態、外力狀態對巡邏艇模型橫穩性的影響規律，開展不同重心位置的靜水阻力試驗及不同重心高度、不同沖量、不同滑行速度的敲擊試驗。

表1 為同一排水量的模型在前、中、后3 種不同重心位置的靜水拖曳試驗，通過對比試驗結果以選擇合適的重心位置開展敲擊試驗。

表1 巡邏艇模型靜水阻力試驗工況表Tab.1 Hydrostatic resistance conditions of model

表2 為敲擊試驗的工況表，工況4～工況6 用以對比沖量變化對模型橫穩性的影響規律，工況4 與工況7 用以研究模型的重心高度對橫穩性的影響，工況6 和工況8～工況11 用以研究航速對模型運動穩定性的影響規律。

表2 敲擊試驗工況表Tab.2 Percussive experiment conditions of model

2 試驗結果與數據分析

根據試驗工況計劃開展模型試驗，其中靜水阻力試驗及敲擊試驗工況5 為帶航速的拖曳試驗，其余狀態均為零速靜水橫搖試驗。

2.1 不同重心位置的阻力性能對比

3 個不同重心縱向位置的試驗工況對比，如圖3 和圖4 所示。可以看出，在其他條件均相同時，重心位置在一定范圍內越靠近船首，則航行縱傾角越小，導致模型濕表面積越大，滑行效率越低，阻力性能也就越差。

圖3 靜水阻力試驗結果對比Fig.3 Comparison of hydrostatic resistance experiment results

圖4 縱傾角對比Fig.4 Comparison of trim angle experiment results

圖5 工況4 的敲擊力時歷曲線Fig.5 The percussive force time-history curve of GK4

初始后重心與中重心的狀態下，阻力與模型縱傾角及阻力相差均較小。考慮到選擇最優阻力性能的狀態進行水動力試驗，后續敲擊試驗的模型重心位置均選擇為中重心。

2.2 不同沖量的敲擊試驗結果對比

表3 不同沖量的敲擊試驗結果Tab.3 Percussive experiment results of different impulse

從表3 的試驗結果可以看出，模型橫傾角與外力的沖量大小呈正相關變化，但并不是簡單的線性關系。從工況2 與工況3 的結果對比可以看出，當沖量在較小的量級上增加時，橫傾角的變化率較大，而當外力帶到一定數值時，最大橫傾角的增量將會變小，這與船體模型本身的橫向恢復力矩增加存在很大關系。

沖量為1.9 N·s 的敲擊力與橫傾角變化曲線如圖6所示。可以看出，在零速橫搖狀態，模型從最大橫傾角恢復至平衡位置的過程很緩慢，即橫搖衰減系數較小。

圖6 工況4 的橫傾角變化時歷曲線Fig.6 The roll angle time-history curve of GK4

2.3 不同重心高度的敲擊試驗結果對比

為研究重心高度對橫向穩定性的影響，將模型重心位置進行調整，開展工況4 與工況7 的對比試驗。

圖7 為工況7 的橫搖衰減曲線。可以看出，隨著重心的升高，模型的最大橫傾角增大為1.8°。這表明降低重心高度對模型的橫向穩定性具有積極的作用，在巡邏艇火炮系統的安裝方面應該注意其安裝高度。

圖7 工況7 的橫傾角變化時歷曲線Fig.7 The roll angle time-history curve of GK7

2.4 速度對模型運動橫穩性的影響

巡邏艇的火炮系統一般是在巡邏執法過程中使用，艇速較快。因此，開展航速變化對火炮后坐力導致的橫向失穩影響規律研究至關重要。

選取中、高速狀態進行敲擊試驗，開展工況8～工況11 的試驗，通過對比不同速度的最大橫傾角，研究航速對橫向運動穩定性的影響規律。

圖8 為不同航速狀態下的模型最大橫傾角變化曲線。可以很看出，盡管受到的外力沖擊相同，但航速的不同導致巡邏艇模型的最大橫傾角存在一定的差異，尤其是零速狀態和帶航速狀態，最大橫傾角存在較大的差異。當航速增大的一定程度時，速度的增加對最大橫傾角的影響開始變得較小。這是因為當巡邏艇以一定的航速進行滑行時，艇體兩側會提供較大的水動升力，當受到火炮后坐力沖擊時，水動升力能夠起到一定的抵消作用。

圖8 不同航速的最大橫傾角變化曲線Fig.8 Maximum roll angle at different speed

圖9 工況11 的橫傾角變化時歷曲線Fig.9 The roll angle time-history curve of GK11

3 結 語

針對高速執法巡邏艇因火炮射擊后坐力而導致的橫向失穩問題，本文采用基于模型試驗的方法，對高速艇在航行中受外力沖擊的運動橫穩性進行縮比模型試驗，就重心縱向位置、重心高度、沖量及航速大小等4 大因素對高速艇航行穩定性的影響規律開展試驗研究，得出主要結論如下：

1）在一定范圍內，重心位置越靠近船首，模型的航行縱傾角越小，滑行效率越低，阻力性能越差。

2）零速狀態下，外力沖量在較小的量級變化時，最大橫傾角隨沖量的變化率更大。

3）巡邏艇模型的重心高度對其橫向穩定性的影響較大，巡邏艇應盡量控制其火炮系統的安裝高度。

4）航速對巡邏艇模型的運動橫穩性具有明顯的影響，艇體模型在帶航速狀態比零速狀態更耐沖擊，但隨著航速增大，這種影響也會逐漸變小。