跨声速超空泡射弹的失效机理及增程策略研究

Transonic Supercavitating Projectile (TSP) is a new type of underwater weapon, and is launched from the air by the artillery, and then can cause hard-killing to torpedoes, mines and frogman. The TSP with special layout and structure is launched from the air and shot into the water, then flies through the initial water-entry motion stage and underwater supercavitating motion stage, and hits the target at last. By the way of supercavitating drag reduction, a reasonable layout and appropriate Weighing parameters design, TSP can maintain a stable flight. After long range without power, TSP also have enough to destroy underwater target..This project begins with the analysis of TSP’s conic-like oscillation characteristic, explores the feature of the underwater supercavitating flow field under a supersonicor high subsonic condition, presents the TSP’s oscillating motion characteristic, influencing factors and conditions to keep stable motion. Some issues such as initial state of TSP, adaptor separating characteristic and water entry with air shockwave and so on will be studied in this project. The cavity, hydrodynamic characteristic and the influence law to underwater motions of sharply unsteady water-entry process under a supersonic underwater condition will be researched. Based on all of the research results mentioned above, we present the strategy to increase the TSP’s range. The research system established in this project can lay a solid theoretical foundation for the engineering application of our country’s supercavitating weapons.

超空泡射弹武器是通过火炮发射超空泡射弹对水雷、鱼雷和蛙人等水下目标进行硬杀伤的新型武器系统。特殊形制的射弹经空中弹道飞行后以高速度入水、经入水初始弹道和水下超空化弹道直至命中目标。依托超空化减阻、合理的外形和衡重设计维持弹丸的稳定运行，使得弹丸在无动力航行足够航程后仍具有致命毁伤水下目标的剩余动能。.项目以射弹“类圆锥”振荡特性分析为起点，探索水下超音速、高亚音速条件下的空化流场特性、射弹流体动力和空间运动特性的研究方法，给出射弹振荡运动特性、影响因素及其振荡运动得以稳定维持不发散的定义域条件；研究射弹出管状态、适配卡瓣分离特性、携空气激波入水等因素对入水条件、入水载荷的影响规律；研究水下超音速条件下的剧烈非定常入水初始弹道过程中的空泡、流体动力特性及其对水下弹道的影响规律；并基于以上研究给出超空泡射弹的增程策略。由此形成超空泡射弹的基础理论研究体系，为我国的超空泡武器的研发奠定理论基础。

超空泡射弹具有发射迅捷、性价比高、杀伤力强等特点，可针对近水面威胁实现跨介质精确打击，应用前景广阔。然而，由于涉及跨介质和跨声速问题，超空泡射弹在不同航行阶段的受力机理、稳定机制和运动规律存在极大的差异，给理论研究带来了挑战。本项目综合运用数值模拟、理论分析和试验研究的方法，研究了跨声速超空泡射弹在全弹道运动过程中的流场数值模拟方法、流体动力特性、动力学模型及仿真技术，超空泡射弹弹道特性的理论计算结果和全尺寸模型的试验测试得到的结果具有良好的一致性。主要研究工作如下：.（1）基于运动参考系方法，采用Tait方程描述液体可压缩性，建立了射弹在水下跨越声速航行过程中的超空化流动数值模型，研究了液体压缩性等因素对超空化流动的影响规律，得到了在射弹跨声速航行过程中的空泡外形预报方法。.（2）采用移动计算域技术，对超空泡射弹的稳态变攻角、定速旋转和高频振动工况开展超空化流动数值模拟，完成了对位置力、阻尼力和惯性力特性的解算，得到了适用于水下弹道计算的流体动力特性描述方法。.（3）考虑“空泡延迟”效应，建立了超空泡射弹在水下弹道的动力学模型。基于动力学模型的仿真计算结果与流场-运动耦合数值模拟结果一致，表明超空泡射弹的水下运动是动态振荡的，振荡运动具有固定的幅值和波长。.（4）研究了超空泡射弹在空中弹道的流体动力特性、动力学模型和运动特性，仿真计算结果表明射弹在空中弹道的运动参数随航程的增加具有振荡收敛特性。以空中弹道末端状态作为初始条件，研究了超空泡射弹在入水弹道的流体动力、动力学模型和运动特性，超空泡射弹的攻角和俯仰角速度在入水过程中会发生显著地变化。.（5）将上述超空泡射弹在空中、入水和水下弹道的动力学模型在时间和空间上进行衔接，形成了全弹道仿真技术，仿真计算结果与全尺寸模型的平射弹道试验结果具有良好的一致性。.本文研究成果可作为跨声速超空泡射弹的弹道预报、外形优化设计和工程应用的理论依据。