一种新型的射弹高速入水弹道快速计算方法技术

本发明专利技术公里了一种新型的射弹高速入水弹道快速计算模型，基于空泡独立扩张原理，考虑了空泡的记忆效应，通过建立新的空泡形态算法和沾湿特征算法来实现射弹高速入水过程中空泡形态和流体动力准确计算，实现高速入水过程中回转体运动姿态和轨迹的快速计算。该方法能够有效的计算射弹高速入水过程中空泡形态的生成、发展和闭合等过程，准确的计算射弹运行过程中的流体动力和运动姿态。本项发明专利技术可以为研究射弹高速入水弹道和射弹稳定性设计提供一种快速和有效的计算方法。一种快速和有效的计算方法。一种快速和有效的计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种新型的射弹高速入水弹道快速计算方法


[0001]本专利技术涉及一种新型的射弹高速入水弹道快速计算方法，属于跨介质兵器发射


技术介绍

[0002]入水问题是流体力学研究的一个重要领域，在自然学科和工程技术中有着广泛的应用前景，其中高速入水是近几年的聚焦热点。射弹高速入水过程中涉及到入水冲击、液面破碎和流固耦合等复杂物理过程，具有强烈的非线性和瞬态性。当射弹高速入水后，会由头部产生入水空泡，将弹体包裹在空腔内，阻力会减小。由于一般入水时射弹都会有扰动，射弹会在空泡内摆动，发生尾拍现象，使弹道发生变化。而且高速入水射弹头型、入水角度和速度等不同，都会使弹道有很大差别。因此，射弹高速入水技术的关键在于找到射弹结构特征对高速入水空泡特性和弹道特性的影响因素，进而量化射弹结构。
[0003]射弹入水初期，受到扰动和水面撞击力的影响，使射弹有一定的纵平面转动角速度。当水面与射弹方向存在夹角，射弹下侧水面沿径向空泡扩张，上侧由于无侧向水压的约束，会形成液面喷溅，导致无法形成表面闭合，空泡上下表面的曲率不一致。入水后射弹会在空泡内摆动，射弹姿态角也会产生变化。当射弹尾部侵入空泡壁面时，射弹尾部会产生滑行升力，阻碍射弹的转动。随着射弹尾部侵入空泡壁面深度的增加，射弹转动的动能会被消耗，当射弹达到最大侵入深度时，射弹俯仰角将会达到临界点。随后射弹尾部沾湿部分受到径向的高速流体作用，将射弹沿相反的转动方向快速推出空泡壁面。这个过程中，射弹姿态角将会出现明显变化，出现峰值。而射弹姿态角过大会使射弹稳定性降低，弹道出现弯曲。因此需要准确的计算出射弹高速入水后的空泡形态、流体动力和弹道，找到射弹结构变化对弹道特性的影响，进而为优化弹形提供理论依据，设计出稳定性良好的射弹结构。
[0004]目前高速入水的研究方法主要是通过实验观测和数值模拟，文献《Shallow angle water entry of ballistic projectiles》通过高速摄像技术研究了射弹高速入水后的空泡形态、运动姿态和位移，发现射弹的长径比对弹道稳定性有影响。文献《Experimental investigation on trajectory stability of high
‑
speed water entry projectiles》通过高速摄影研究了不同高速射弹入水后的弹道特性，分别确定了射弹头型、入水速度对高速入水弹道稳定性的影响。文献《超空泡射弹小入水角度高速斜入水研究》通过高速摄影技术研究了高速射弹小角度的弹道稳定性，发现侧滑角会对影响高速入水射弹稳定性。文献《高速射弹垂直入水空泡及水动力特性研究》通过数值模拟研究了超声速射弹垂直入水的空泡形态和水动力特性。《射弹高速斜入水过程的数值仿真》通过数值模拟研究了射弹入水初始攻角对入水弹道的影响。
[0005]上述文献中，对高速入水弹道的研究，实验方面主要是通过高速摄影技术在水面以上固定位置以一定角度观测射弹高速入水的过程，通过实验记录图像、实验结果来分析弹道特性。数值模拟方面主要是通过微分方程迭代研究入水弹道的空泡特性和弹道特性。但是实验观测由于测试技术的限制，只能观测有限的视场，射弹姿态角变化、流体动力和尾
拍作用等都无法观测。而数值模拟由于需要选取适合的物理模型和大规模网格计算来获得有效的精度，每次计算都是单一工况，会消耗大量算力和时间，不能高效快速计算出高速入水过程的空泡特性、弹道特性等。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的问题为：克服现有高速入水弹道实验观测技术的局限和数值模拟低效的计算效率，提出了一种射弹高速入水弹道的快速计算方法。本专利技术基于空泡独立扩张原理，考虑了空泡记忆效应，提出了一种新型的射弹高速入水弹道快速计算方法。该计算方法能够有效计算射弹高速入水过程中的空泡特性、流体动力和弹道轨迹等，为研究射弹高速入水空泡特性、弹道特性提供了一种高效准确的技术方法。
[0007]本专利技术的技术解决方案为：
[0008](1)建立如图1所示，建立固定坐标系(o
E
x
E
z
E
)和弹体坐标系(o
B
x
B
z
B
)。固定坐标系原点o
E
置于水平面入水点，x
E
轴平行于水平面，z
E
轴正方向垂直水平面向上。弹体坐标系原点o
B
位于回转体重心处，x
B
轴正方向沿回转体轴线指向回转体头部，z
B
轴正方向垂直x
B
轴向上。x
B
轴与x
E
轴的夹角为回转体俯仰角θ，位于x
E
轴上侧为正。
[0009](2)建立弹体坐标系下的射弹的3DOF运动方程，结合初始条件求解射弹的速度分量、姿态角和位移：
[0010][0011][0012][0013]式中，m是回转体的质量，I
y
是回转体的转动惯量，u和w为回转体质心速度在弹体坐标系中的分量，q为回转体在x
E
o
E
z
E
平面的转动角速度，G
x
和G
z
为回转体重力在弹体坐标系中的分量，F
D
和F
L
为回转体头部流体动力在弹体坐标系中的分量，F
f
和F
p
为回转体尾部沾湿部分的流体摩檫力和滑行升力，M
c
为回转体头部流体动力对回转体质心的合力矩，M
p
为回转体尾部流体动力对回转体质心的合力矩。
[0014](3)将射弹入水时刻生成的第1个空泡截面编号，依次类推。根据步骤(2)中求解出的出射弹的质心速度，可求出射弹头部新生空泡截面和已生成的空泡截面的半径：
[0015][0016]式中，τ
i
为第i个空泡截面形成的时刻，t为回转体入水后的航行时间。R
c
(t,τ
i
)为第i个空泡截面在t时刻的空泡半径，R
n
为回转体头部圆截面半径。N为经验系数，取为1.4。C
d0
为圆盘空化器空化数为0时的阻力系数，取为0.83。V(τ
i
)和σ(τ
i
)为回转体τ
i
时刻的质心速度和空化数。
[0017](4)入水空泡的整个运动过程可以看成是空泡的各个截面按照一定规律的独立扩张过程。在纵平面内，空泡的外形可由各个空泡截面的上下顶点确定。在固定坐标系下，纵平面内每个空泡截面的顶点坐标可由如下计算：
[0018]上顶点：
[0019]下顶点：
[0020]式中，x
Ei
和z
Ei
是空泡顶点在固定坐标系下的坐标，x
Eoi
和z
Eoi
是回转体质点在固定坐标系下的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型的射弹高速入水弹道快速计算方法，其特征在于：包括步骤一，建立固定坐标系(o
E
x
E
z
E
)和弹体坐标系(o
B
x
B
z
B
)；步骤二，建立弹体坐标系(o
B
x
B
z
B
)下的三自由度运动方程，结合初始条件求解射弹的速度分量、姿态角和位移：度分量、姿态角和位移：度分量、姿态角和位移：式中，m是回转体的质量，I
y
是回转体的转动惯量，u和w为回转体质心速度在弹体坐标系中的分量，q为回转体在x
E
o
E
z
E
平面的转动角速度，G
x
和G
z
为回转体重力在弹体坐标系中的分量，F
D
和F
L
为回转体头部流体动力在弹体坐标系中的分量，F
f
和F
p
为回转体尾部沾湿部分的流体摩檫力和滑行升力，M
c
为回转体头部流体动力对回转体质心的合力矩，M
p
为回转体尾部流体动力对回转体质心的合力矩；步骤三，射弹入水时刻生成的第1个空泡界面编号，依序类推，求解出射弹头部新生空泡截面和已生成的空泡截面半径；步骤四，将入水空泡的整个运动过程看成是空泡的各个截面按照规律独立扩张过程，该过程通过定义纵平面内每个空泡截面的顶点坐标实现；步骤五，计算出射弹外力代入步骤二的运动方程中，设定时间步长通过欧拉法进行时间推进求解；步骤六，获得可视化结果，包括高速入水空泡形态，流体动力变化曲线，质心速度、角速度、位移和运动姿态变化曲线。2.根据权利要求1所述的新型的射弹高速入水弹道快速计算方法，其特征在于：所述步骤一中，所述固定坐标系原点o
E
置于水平面入水点，x
E
轴平行于水平面，z
E
轴正方向垂直水平面向上；所述弹体坐标系原点o
B
位于回转体重心处，x
B
轴正方向沿回转体轴线指向回转体头部，z
B
轴正方向垂直x
B
轴向上；x
B
轴与x
E
轴的夹角为回转体俯仰角θ，位于x
E
轴上侧为正。3.根据权利要求1所述的新型的射弹高速入水弹道快速计算方法，其特征在于：所述步骤三中，根据步骤(2)中求解出的出射弹的质心速度，可求出射弹头部新生空泡截面和已生成的空泡截面的半径：式中，τ
i
为第i个空泡截面形成的时刻，t为回转体入水后的航行时间；R
c
(t，τ
i
)为第i个空泡截面在t时刻的空泡半径，R
n
为回转体头部圆截面半径；N为经验系数，取为1.4；C
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄振贵，焦伟鹏，陈志华，郭则庆，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：