超高速航行体入水与水下弹道研究

The reserch of water entry and under water trajectory for high-speed vehicles,which involving the interaction and unsteady motion among air,water and vehicles,is not only a promblem of unsteady fluid dynamics contains free surface and special cavity,but also a promblem of high speed impact may cause structural damage.This item use a 1000m/s speed(or faster than) vehicle as the research object.Emphatically to carry out the work on dynamic response in process of water impact,ricochet angle for water entry,the formation mechanism and calculation of water impact hydrodynamic load,the conversion law among kinetic energy,potential energy and thermal energy of high-speed vehicles in process of water entry,the influence of dynamics parameters(mass,rotational inertia,centroid position),geometric parameters(size,shape) and water entry conditions(water entry speed,water entry angle,etc) for water entry cavity characters,and ballistic trajictory and ballistic stability of underwater supercavitation movement.Setting up the caculation model of water impact hydrodynamic load when the vehicle entering water.Ascertaining the stability condition of supercavitation formation and closed in process of water entry.Finally,giving the analysis of high-speed underwater supercavitation movement characterristics.It has provided the theoretical and technical basis for further in-depth study of high-speed vehicle entering water and underwater motion process needed in supercavitation environment.

超高速航行体的入水与水下弹道研究，涉及空气、水和航行体三者之间的相互作用和不定常的运动问题，既是一个具有自由液面和特殊空泡的不定常流体力学问题，又是一个可能引起结构破坏的高速撞击问题。本项目以运动速度高达1000m/s(或更高速度)航行体为研究对象,重点开展入水的撞水过程动力学响应、入水跳飞角、撞水水动力载荷形成机理及计算、入水过程中高速航行体动能、位能、热能间转换规律、航行体动力学参量（质量、转动惯量、质心位置）、几何参量（外形大小）、入水条件（入水速度、入水角等）对入水空泡特性影响以及水下超空泡运动的弹道轨迹与弹道稳定性等研究工作，建立超高速航行体入水过程的撞水水动力载荷计算模型，确定入水过程超空泡形成、闭合稳定条件，分析高速航行体水下超空泡运动特性，为进一步深入研究超高速航行体入水与水下运动过程所需的超空泡环境提供理论与技术基础。

以高速航行体为研究对象，开展高速航行体入水与水下弹道规律研究，初步建立了高速航行体入水与水下弹道运动理论。主要工作成果与创新点有： .1）针对超空泡航行体高速入水问题，考虑空化效应，采用VOF多相流模型、Schnerr-Sauer 空化模型、SST k-ω湍流模型，结合动网格技术，分析了航行体弹体参数（质量、转动惯量、质心位置、外形）和发射参数（入水速度、入水角等）对超空泡航行体高速入水空泡流场的影响，得到不同工况下超空泡航行体高速入水弹道特性、空化特性及流场动力特性。.2）建立了高速超空泡航行体的动力学模型，计算分析其水动力特性及弹道特性；通过高速超空泡航行体的入水与水下航行试验，验证了弹道计算模型与数值方法可行性。.3）针对航行体尾翼与空泡之间碰撞产生复杂非线性滑行力的问题，构建超空泡航行体动力学模型，探讨系统随参数变化所产生的混沌和分岔等非线性物理学现象，确定水下超空泡航行体运动稳定性的条件，分析了超空泡航行体的非线性动力学特性及运动稳定性。..4）建立了高速超空泡航行体的尾拍运动模型和随机分析模型，提出了基于空泡特性的抛物线近似模型，推导了两次尾拍时间间隔计算公式。计算分析了超空泡航行体的尾拍运动特性，分析了航行体初始尾拍角速度、航行体质心位置对航行体尾拍运动的影响，初步揭示了超空泡航行体尾拍运动的本质。.5）完成了尾翼弹结构外形超空泡航行体的入水与水下航行炮射试验，获取了航行体的超空泡形态，测量了超空泡航行体的运动速度降，分析超空泡航行体的阻力特性及超空泡减阻效率等；分析尾翼弹结构外形航行体的入水特性、超空泡形态、水下阻力特性、运动规律，检验了数值计算的正确性。.由于水中高速航行体在今后舰炮作战任务中有极强的需求背景，本项目开展的有关高速超空泡航行体（无动力）的入水与水下弹道研究，可为水中弹药的研究提供理论基础，有十分重要的意义。也可为未来发展的直升机扫雷武器和舰载水下防御武器提供超空泡弹药的技术储备。