考虑适配器弹性的潜射导弹出筒载荷特性研究

刘传龙，张宇文，王亚东，祁晓斌

（西北工业大学航海学院，陕西西安710072）

考虑适配器弹性的潜射导弹出筒载荷特性研究

刘传龙，张宇文，王亚东，祁晓斌

（西北工业大学航海学院，陕西西安710072）

同心筒水下垂直发射导弹时潜艇是具备一定艇速的，相当于给弹体增加了侧向横流，其影响在弹体出筒阶段尤为显著，带来发射安全性和弹体结构载荷相关的诸多问题。为获得在时间和空间维度上置信度更高的导弹出筒载荷特性，并采用较少的假设，首次提出并建立了考虑适配器弹性约束和弹体三自由度的耦合求解流场和弹体运动的非定常数值模型。阐述了筒口气泡弹性对弹体载荷特性的影响，同时获得了出筒过程中的弹体运动、受载及适配器变形情况。仿真结果表明：由艇速产生的横流造成的振荡特性对导弹发射产生不利影响。结果可为同心筒水下垂直发射安全性评估和弹性结构设计提供研究方法。

兵器科学与技术；水下发射；载荷特性；流场与运动耦合计算；适配器弹性

0　引言

潜射导弹具备发射平台隐蔽、机动性高，打击突然、火力猛烈等一系列的优势，同心筒式热发射作为潜射导弹发展的方向，成为各大国科研人员研究的热点。为得到合理的水下垂直发射流场和弹道特性参数，必先得到满足结构强度的载荷特性。由于同心筒水下垂直发射流场的非定常性，特别是涉及了不同介质间界面捕捉问题，常规的理论方法必须依赖大量的假设来实施，故而丢失了太多的细节信息，即使能预报载荷特性，也是在理想条件或平均意义下给出。水下发射过程中引入了水介质和海洋环境，发射装置的工作状态发生了本质的改变：高温燃气在水下形成的筒口气泡和水介质的交互作用，会带来一系列的流场和载荷特性变化［1］；导弹发动机在发射筒内点火，而发射筒的燃气排导为筒口流场所限，表现出和空气介质中发射不同的流场和载荷分布特性［2］；潜艇在发射导弹时是具备一定艇速的，相当于给垂直发射出筒的弹体增加了横流，其影响在弹体出筒阶段尤为显著，带来了弹体结构载荷相关的诸多问题［3-7］。

本文选择了适合于水下垂直发射建模和进一步研究的商用软件Fluent作为基本平台，基于基本的流体控制方程并根据刚体动力学理论进行二次开发，结合动网格技术建立了耦合求解流场和弹体运动的非定常仿真模型，建模中增加了弹性适配器［8］约束，并考虑了弹体在出筒过程中的微幅运动，采用了较少的假设，能获得在时间和空间维度上置信度更高的结果。继而提高导弹垂直发射出筒过程中的弹体载荷预报能力。

1　模型建立

1.1弹性适配器建模

在发射过程中，弹体在横流作用下偏转，压缩适配器，适配器变形产生弹性恢复力迫使弹体作弹性振动。由于弹体在发射筒内的偏转角度非常小，忽略适配器的切向变形与应力，认为适配器产生的正压力仅为最大压缩量的函数。如图1所示，适配器的变形可由弹筒间隙来描述，求得弹筒在O0x0y0剖面内的间隙分布，即可通过切片法求出每个适配器切片产生的弹力。

图1　适配器变形表示Fig.1 Schematic diagram of adapter deformation

将适配器沿发射筒轴线方向切片，获得每一切片中心在地面坐标系下的坐标xi0、宽度wi和厚度di.在导弹发射出筒过程中的任一时刻，第i切片处弹筒间隙计算方法如下：

1）将切片中心坐标转换到弹体坐标系，得到切片相对于弹体的位置

式中：xi为切片在弹体坐标系下的坐标；x0为弹体质心坐标。

2）如果切片位于圆柱段之外，则弹体不会压缩切片，切片变形量Δdi=0.

3）如果切片位于圆柱段上，则计算切片处弹体中心偏离筒轴的距离，作为该切片的变形量Δdi= xisin θ+yi，y0为导弹在地面坐标系下对应坐标。

适配器的径向变形与作用力之间的关系通常利用多项式拟合：F=k1Δd+k2Δd2+k3Δd3+….由于不同的变形量范围，作用力与变形量之间的对应规律可能不同，这种情况需要分段拟合。现以两段拟合：第1段为线性关系、第2段为二次方关系为例，说明拟合关系式的建立与应用。

设适配器径向变形量在0≤Δd＜Δd1范围内，作用力与变形量呈线性关系；变形量在Δd1≤Δd≤Δd2范围内，作用力与变形量呈二次方关系。

第1段利用关系式F=k1Δd拟合，求出k1；第2段利用关系式F=F1+k2（Δd-Δd1）+k3（Δd-Δd1）2拟合，求得k2和k3.

根据上述的拟合公式可以得到适配器任一截面（单位高度）的径向变形量Δdr与作用力的关系：

式中：ha为适配器高度；a1为常数项，

a2为系数，

所有适配器的作用力通过对所有切片作用力累加得到

所有适配器的作用力矩通过对所有切片力矩累加得到

1.2弹体数值模型

同心筒发射装置以垂直方式布置于发射潜艇中，通过导弹助推器自力热发射出筒，本文研究中不考虑艇体表面附着的小部件和艇体外形，仅建模同心筒内部主体结构和导弹外形，外围边界仅考虑艇体表面约束，其余边界均取为自由流边界，计算域如图2所示。

图2　计算区域Fig.2 Compute area

导弹发射非定常模型主要分为流场求解、运动求解和边界运动3个模块。其中流场求解由Fluent求解器完成，提供运动求解的基本素材；运动求解由UDF完成，从流场求解结果中获取弹体受力和力矩，根据运动和动力学关系求解运动；边界运动由UDF控制，Fluent求解器完成。非定常仿真实现的基本流程如图3所示。

图3　非定常模型求解流程Fig.3 Solving process of unsteady flow model

由于弹体运动不再约束为一自由度运动，增加了侧向运动和绕z0轴的转动，变为三自由度运动，且发生侧向运动和转动后压缩适配器会产生适配器的约束反力、力矩，故而导弹运动和动力学方程为

当运动维度增加到三自由度时，由于弹体存在侧向运动和转动，发生了相对于网格的位移，相应地要求网格发生变化，甚至是重构以适应相对位移，此时包裹弹体区域采用结构化网格划分已经无法满足要求。考虑到在整个出筒过程中，弹体侧向运动和转动幅度很小，拉扯网格的力度不会特别大，故而在包裹弹体的局部区域使用四面体网格，其他区域则使用结构化网格，网格划分如图4所示。

图4　网格划分Fig.4 Mesh partitioning

根据上述网格划分，赋予弹体三自由度的运动，流体运动区域仅赋予轴向运动。对于轴线上的流体区域采用Layering方法更新，包裹弹体的区域则采用Smoothing和Remeshing方法更新。

1.3数值模型设置

模型设置要注意以下3点：

1）采用SST k-ω湍流模型，选用Mixture多相流模型，且不考虑相之间的滑移；

2）导弹水下垂直发射出筒时间较短，水汽相变效应不显著，不考虑水汽相变效应；

3）压力项离散方法选用PRESTO，副相体积分数离散方法采用一阶迎风格式；

4）压力速度耦合算法选用PISO.

2　载荷特性

本文研究中仅选用缩比的模型弹和发射装置进行，设弹性适配器变形和约束力呈线性关系，以抗压刚度来表征弹性系数。同心筒发射装置中的参数如表1所示。

表1　发射装置参数Tab.1 Parameters of launcher

图5为8组弹性适配器在同心筒发射装置中的布置示意图，给出了适配器的安装位置、外形、间隔尺寸及编号规则。

图5　适配器布置示意图Fig.5 Schematic diagram of adapter arrangement

设定发射艇速为1.0 m/s，发射深度为9 m，得到了考虑弹体三自由度运动和适配器弹性约束的仿真计算结果，图6为不同时刻的筒口气泡形态演变过程。从图6可得到与筒口气泡演变相关的载荷产生和变化的原因：

1）筒口气泡受横流影响偏移造成的不对称附着为横向载荷提供了条件；

2）气泡弹性效应所致的压力周期脉动是横向载荷的直接成因，气泡在过压缩时泡内压力升高，导致弹体背流面压力大于迎流面，产生y轴正向力，和横向流所致力叠加生成正峰值，反之气泡过膨胀时生成负峰值；

3）侧向力矩与侧向力大小及压心位置相关，弹体出筒过程中，筒口气泡形态和附着位置均在不断变化，从而侧向力和力矩也随之变化；

4）图7为弹体在发射过程中运动特性和受流体载荷特性，图8为特性适配器产生的约束反力、反力矩和变形特性。

由图7和图8可得以下结论：

1）在艇速引起的横流、弹性适配器约束综合作用下，弹体在出筒过程中运动参数出现了明显的振荡过程，振荡幅度随出筒长度增加而增大，弹尾接近离筒时，弹身偏向横流指向方向；

2）离筒过程中，适配器约束力和约束力矩振荡幅值随出筒距离的增大而增大，最大值和相应的流体载荷数值相当甚至比其大一个量级；

3）弹体出筒距离增大后，迎流面积增加，流体动力增大，故筒口附近的几个适配器在弹体离筒末阶段承受较大的结构载荷，载荷方向由弹体侧向位移和俯仰姿态综合决定。

图6　筒口气泡形态演变Fig.6 Evolution of outlet bubble shape

图7　弹体特性Fig.7 Missile characteristics

图8　弹性适配器特性Fig.8 Elastic adapter characteristics

3　结论

1）本文建立了考虑适配器弹性的耦合求解流场和弹体运动的非定常数值模型，对由艇速引起的横流作用下导弹的出筒运动和载荷进行了仿真计算。结果表明所建模型是可行的，为分析研究同心筒水下垂直发射研究提供了一条途径。

2）由于艇速引起的横流所造成的影响导致导弹运动特性出现振荡，筒口附近的适配器承受较大的结构载荷，会对导弹发射产生较大的不利影响。

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Investigation into Load Characteristics of Submarine-launched Missile Being Ejected from Launch Tube Considering the Adapter Elasticity

LIU Chuan-long，ZHANG Yu-wen，WANG Ya-dong，QI Xiao-bin
（School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，Shaanxi，China）

A cross flow is applied on a missile，which has a great influence on the stage of out of tube，when a missile is launched from the concentric canister launcher during the movement of submarine.This leads to a series of launching safety and load problems.In order to obtain a higher degree of confidence of load characteristics out of tube both in time and spatial dimensions and use the less hypotheses，an unsteady simulation model which can solve the flow field and missile motion in consideration of the adapter elasticity and 3 DOF motion of missile is proposed and established by the first time.The effect of bubble elasticity on the load characteristics is analyzed.The motion parameters，load characteristics and adapter deformation during the launching of missile from launch tube are obtained.The results show that the oscillation resulting from the cross flow has an adverse effect on missile launching.

ordnance science and technology；underwater launching；load characteristics；coupling calculation of flow field and motion；adapter elasticity

TJ760.1

A

1000-1093（2015）02-0379-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.027

2014-05-08

刘传龙（1988—），男，博士研究生。E-mail：liu2011100322@163.com；张宇文（1946—），男，教授，博士生导师。