介质跨越变体无人机及其跨越动力学研究

在总结当前国内外水空跨越兵器发展的基础上,探索提出通过变形实现在空中、水中连续跨越飞行(航行)的变体无人机。介质跨越是非常复杂的流固耦合问题,通过共形半环翼变体无人机论述了外形设计、气动水动特性、出水入水受力特性、理论运动轨迹设计等水空跨越技术亟待研究的问题。     

跨介质航行器出入水连续弹道试验与仿真

为研究跨介质航行器出入水连续弹道特性,搭建高速入水弹道试验平台,并设计带有内测系统的试验模型,对跨介质航行器出入水连续弹道过程进行试验研究。建立耦合求解流场和航行器运动的非定常数值仿真模型,研究航行器出入水连续弹道的运动规律与流体动力特性,并通过试验结果验证其准确性。研究结果表明：新提出的跨介质航行器实现了入水-转平-出水连续弹道过程,其弹道轨迹呈类抛物线状,入水最大深度为0.9 m;航行器出入水连续弹道运动可分为入水滑行阶段、呈双侧尾拍运动的超空泡航行阶段以及单侧尾拍运动的出水阶段;航行器流体动力特性呈脉冲式振荡特性,由圆锥段、圆柱段以及尾裙段构成尾部流体动力;预置舵角与尾裙的组合形式能够提高跨介质航行器连续出入水的稳定性。     

空水共用涡轮机气动设计与数值仿真

跨介质航行器是一种具备远程快速打击、重复出入水以及高效突防能力的新概念航行器,而其中涡轮发动机在跨介质航行器不同航行阶段的工作参数差别很大。为解决水下、空中及起飞工况下的空水共用涡轮机的气动设计,结合损失模型的方法提出一种空水共用涡轮机设计方法,通过数值仿真方法验证气动设计方法的合理性以及起飞工况的可行性。研究结果表明：在不同工况下,数值仿真结果与一维气动设计结果的相对误差均在2%以内;使用数值损失分解方法进一步分析了涡轮机的各部分损失,发现叶型损失为空水共用涡轮机的主要损失;水下工况时流场内存在激波和分离涡,部分进气度很小,损失较大;空中工况则流动更为均匀,损失较小;起飞工况时涡轮机工作在非设计点,此时主要依靠水下喷管做功,空中喷管则会产生负功率。该方法可为空水共用涡轮机的优化设计和试验提供参考。     

跨介质航行器高速入水冲击载荷特性

跨介质航行器组合了导弹与超空泡武器的优势,比导弹的末段突防能力强,同时弥补了超空泡武器航程不足的缺点,是未来反舰武器的重要发展方向。跨介质航行器高速入水冲击载荷特性及其降载方法是跨介质航行器研发中的关键技术之一。建立跨介质航行器高速入水多相流场与弹道耦合仿真模型,进行模型验证与校核。对典型工况下的跨介质航行器高速入水过程冲击载荷特性进行仿真,并对不同速度下的高速入水过程弹道参数进行对比。结果表明：预置舵角引起的尾拍运动产生周期性的法向过载,达到轴向过载的2.7倍左右;法向力主要由振荡攻角引起的位置力构成,惯性力很小,可以忽略;入水速度的增大引起尾拍频率加快,攻角振荡幅度降低,入水速度对法向冲击力系数影响很小。     

航行器小角度入水跳弹过程研究

为研究跨介质航行器小角度入水的跳弹现象,基于计算流体力学软件CFX构建数值计算模型,并验证了该模型的准确性和适用性。分别对跨介质航行器不同顶角、密度及设计的环形槽类截头外形的小角度入水跳弹过程进行仿真研究,并分析了整个跳弹过程及角加速度、角速度、位移的变化规律。研究结果表明：航行器的顶角角度和密度越小,其弹道越易向上发生弯曲,越容易发生入水跳弹现象,而浸水阶段角速度突变是由于航行器尾部与水面拍击造成的;环形槽类截头尖拱体航行器具有一定的抑制跳弹的作用,其环形槽的位置对入水跳弹过程影响较大,可根据任务需求对环形槽位置进行选择。     

具有水空介质跨越能力的反舰武器

反舰武器的突防能力是对敌航母实施攻击的关键,现代战争条件下,单一的水下或空中攻击模式都很难达到攻击航母的目的。提出了一种具有水空介质跨越能力的新型反舰武器,兼顾空中突防速度快和水中突防隐蔽性好的特点,具备经多次介质跨越后实现从航母编队的防御盲区快速突防能力,并着重给出了相应的气动外形、动力装置及综合控制系统的设计。     

大水深垂直发射航行器水弹道稳定性分析

为使航行器在水下运动姿态及轨迹不偏离理论弹道,对大水深自浮式垂直发射航行器弹道稳定性进行研究。结合水下发射航行器运动稳定性理论分析方法,对其进行稳定性数值仿真分析,针对浮力项在航行器自浮式垂直发射过程中对弹道稳定性所起的作用,研究航行器浮心位置对水弹道稳定性的影响。结果表明：对于静不稳定的航行器,浮心位置设计必须在质心前,并满足浮力矩可以抵抗定常流体力矩干扰才能满足航行器的稳定性要求。该研究为航行器流体结构布局设计和水弹道稳定性设计奠定了基础。     

水下发射航行体跨介质动态载荷预报研究

提出水下发射航行体跨介质动态载荷预报方法,模拟了出筒过程中,多重密封环减振垫对航行体的约束和逐步由气到水的跨介质冲击作用,以及在出水过程中,航行体逐步由水到气的跨介质卸载作用。获得航行体轴向速度、俯仰角度、俯仰角速度和弯矩等关键参数随时间的变化规律,辨识出典型截面上的载荷特征,并与缩比模型试验数据进行了对比,仿真结果与试验结果吻合地较好。     

航行器水下筒式发射过程中浮筒水面分离运动仿真

航行器水下筒式发射过程中,水面分离是一个重要环节,影响到分离后航行器的飞行姿态。针对此问题,分析了水面分离时浮筒和航行器的受力情况,通过切片法建立航行器水面分离过程中的水动力模型,并利用MATLAB建立了浮筒水面分离的有效仿真模型,展示了分离过程中航行器参数的变化历程。通过与水池试验得到的结果比对,验证了仿真模型及方法的可靠性。仿真结果表明,在水面分离过程中航行器和浮筒的俯仰角速度绝对值逐渐减小。     

超空泡航行器内外流场仿真及性能分析

提出了由水冲压发动机推进的超空泡航行器简易结构。基于Reynolds平均N-S方程、Mixture多相流模型和完全空化模型,建立了超空泡航行器内外流场仿真模型。基于模型,对不同航速和结构参数下航行器流场进行仿真。分析得到航速、进水管路入口直径和喉径对航行器减阻及摄水性能影响规律,进一步计算得到以一定初速发射的超空泡航行器射程和速度变化规律。     

美国水下无人航行器发展及其对美军作战思想的影响

为了维护海洋权利,应对可能出现的局部海上冲突,把握海军水下装备的未来趋势,从而制定合理的发展策略,针对近年来美军的水下无人航行器发展状况及其对美海军作战思想影响开展了研究。介绍了美国水下无人航行器(UUV)的发展历程,将UUV分为便携型、轻型、重型、巨型和特种五个部分展示了近年来美国水下无人航行器发展概貌,并对UUV发展对美国水下装备体系(包括潜艇和海底监听网)带来的改变进行了分析,给出了近三十年来水下无人航行器发展的关键节点。对比分析了这些年来美国海军作战思想的发展演化过程,总结了UUV发展对美国海军作战思想的影响,并由此得出一方面需大力发展水下无人航行器及其相关技术,另一方面也必须重视海军作战思想的转型、搭建和完善,进一步牵引UUV技术发展,以适应时代潮流,赢得未来战争的主动权。     

锥形空化器流体动力特性研究

为探究锥形空化器所具有的水动力学特性,在水洞中开展空化器系列实验研究,得到了不同锥角空化器的水动力参数。分析了锥形空化器的锥角对航行体流体动力特性的影响;给出了锥形空化器截平头时的动力学特性及不同截平头面积下的阻力变化。研究结果表明：锥形空化器的锥角大小影响空化器阻力系数和升力系数的大小;不同锥角下空化器升力系数位置导数相差较大;截平头面积较小时对航行体阻力系数影响较小,可以近似为全锥空化器。文中的实验结果对锥形空化器的选型应用以及超空泡航行体的控制特性分析具有参考价值。     

低速水下航行器横向-横滚操纵性研究

文中对低速水下航行器的横向-横滚操纵性进行了一定的研究.建立了水下航行器横向-横滚扰动方程.提出了水下航行器的横向-横滚K-T分析指数,并运用所建立的K-T分析指数分析了A、B两型水下航行器的操纵性能.     

拖缆对水下航行器的操纵性能影响

为探究拖缆对水下航行器的操纵性能影响,基于集中质量法建立了拖缆的动力学方程,利用边界耦合条件,将拖缆首端产生的张力影响计入水下航行器的六自由度运动方程组,建立了拖缆-水下航行器耦合运动模型。通过数值仿真计算,对比分析了拖缆对航行器直航、回转和下潜运动时的操纵性能影响。数值分析结果表明：航行器加装拖缆后,航行器在直航、回转和下潜运动时的速度有所降低;航行器回转运动时,拖缆会减小回转半径;航行器下潜运动时,拖缆降低了航行器的下潜稳定性,且减小了航行器弹道倾角的绝对值,增大了航行器达到预定深度的距离,同时由于航速降低,导致航行器达到预定深度的时间会增加,从而也降低了航行器下潜性能。     

基于移动长基线的水下航行器定位和跟踪技术研究

针对对水下大范围工作的水下航行器的定位和跟踪,根据水声测距原理,提出了一种基于移动长基线的水下航行器定位与跟踪方法。该方法克服了常规长基线定位系统存在校准测量工作量大、工作时间短、仅能实现单水下航行器固定区域定位等缺点。该方法主要是利用安装有同步时钟、GPS和应答器的无人水面船来实现,在时间同步的基础上,由水下航行器发射水声信号,水面船接收到信号后通过声信号传播时延来计算水面船和水下航行器的距离,并结合多个无人水面船利用GPS获得的位置来解算岀水下航行器的绝对位置,从而实现多水下航行器大范围的定位与跟踪。在研究过程中,基于球面交会模型,利用最小二乘方法建立了基于移动长基线的水下航行器定位与跟踪算法。仿真结果表明,该方法可以较好地实现水下航行器的定位与跟踪。     

便携式水下航行器近水面航行波浪力计算分析与预报

基于三维势流理论,运用边界元法计算便携式水下航行器近水面航行作业时受到的波浪力,计算入射波不同参数和航行器上浮和下潜时不同姿态组合下航行器受到的波浪载荷。分析发现可以采用航行器的实时纵向位置来代替有航速情况下的遭遇频率,考虑各因素影响并对波浪力的数值计算结果进行函数拟合。该方法拟合得到的波浪力计算公式可以直接加入航行器运动控制方程中,为评估水下航行器在波浪载荷下的操纵性研究带来了方便。     

无人水下航行器发射鱼雷初始弹道分析

为分析鱼雷从无人水下航行器发射后的航行安全性,建立了鱼雷发射后的初始弹道模型并进行了仿真,分析了鱼雷发射参数对初始弹道的影响,确定无人水下航行器发射某型鱼雷的合理参数,并进一步分析了初始弹道中鱼雷的航行姿态以确保结论的正确性.仿真结果表明在合理设置发射参数的前提下,鱼雷从无人航行器发射后初始弹道符合战场环境的要求,无人水下航行器发射鱼雷是完全可行的.     

超高速水下航行器纵向运动稳定性分析

为了进一步研究超高速航行器空化减阻问题,建立了空化状态下超高速水下航行器纵向运动数学模型,对该航行器在巡航段平衡状态下受扰动时的攻角和俯仰角速度的阶跃响应进行了分析,并通过根轨迹法分析了运动的稳定性。分析结果表明,通过给定平衡攻角和平衡舵角,航行器能够呈现一定的静稳定性,该特性有利于以直航弹道为主的超高速水下航行器保持超空泡稳定。     

基于PID控制的半潜式航行器缩比模型耐波性分析

讨论了半潜式航行器的姿态控制问题,给出其空间运动方程;运用传统PID控制算法设计了半潜式航行器姿态控制策略;通过半潜式航行器缩比模型的水池耐波性试验验证了该控制策略的有效性,并得出了其能在模拟四级海况下稳定航行的结论。     

无人水下航行器外挂鱼雷稳定性判断

为分析外挂鱼雷武器后无人水下航行器的稳定性,首先确定了鱼雷的外挂位置,建立了无人水下航行器外挂鱼雷的运动模型,并将模型简化为纵向运动和横向-横滚运动.在详细分析了鱼雷对无人水下航行器作用力的基础上,建立了扰动方程并进行了拉氏变化,根据稳定性判据获得了无人水下航行器外挂鱼雷稳定性判断的条件.