水下航行体空泡发展及出水溃灭特性实验研究

针对水下航行体出水过程中的空泡发展及溃灭特性问题,基于新型实验平台,即减压水下航行体运动平台,进行了垂直约束式发射实验,探究了傅汝德数和空化数对空泡发展和溃灭过程的影响。对空泡出水溃灭过程进行描述,并定义了空泡溃灭数Fc,用以衡量空泡溃灭速度。结果表明,傅汝德数主要影响空泡形状,空化数主要影响空泡的尺寸。此外,水下航行体出水时空泡溃灭向下推进速度与傅汝德数呈负相关关系,与空化数呈正相关关系。     

规则波浪对水下航行体出水姿态参数的影响

基于边界元方法建立了水下航行体出水姿态计算模型，包括各控制方程及边界条件，采用截平面方法对航行体出水模型进行了简化处理，并将所得结果和实验数据进行比对，发现二者符合良好，验证了数值模型的有效性。运用边界元法研究了规则波浪参数（波高、浪向、周期、相位）对出水姿态的影响。研究结果表明，波高影响波浪力幅值大小，对出水姿态参数有着直接的影响，波高越大对出水姿态参数的影响越大；浪向、初相位和周期主要影响流体质点的运动方向，改变波浪附加惯性力，影响波浪力对出水姿态参数的作用效果；受到出水相位的影响，出水俯仰角和俯仰角速度呈余弦变化规律；随着周期的增大，周期对航行体出水姿态参数的影响逐渐减小，此时，相同波高下出水姿态参数只受到出水相位的影响。     

水下航行体齐射出筒“水锤”特性分析

水下航行体齐射出筒过程后，由于外部流体冲击发射筒底部产生“水锤”现象，对发射平台结构具有较强的破坏作用。基于雷诺时均Navier-Stokes方程，采用SST k-ω湍流模型和VOF多相流模型，结合重叠网格技术，在考虑航行体六自由度运动的情况下建立了适用于计算水下航行体齐射的数值计算方法，分析了齐射状态下“水锤”效应对首次发射筒的作用规律，并研究发射顺序对“水锤”效应的影响。结果表明：航行体出筒后筒内压力出现周期性振荡；次发筒口气团膨胀导致首发筒内压力升高；首发航行体在次发筒口形成压力峰值，并引起次发筒口压力振荡；逆序发射工况下次发筒口气团偏移至首发筒引起首发筒内压力升高。     

航行体垂直发射过程不确定性量化方法的探讨

在发射平台运动、海浪及海流、气水介质突变、空泡溃灭等的影响下,航行体水下垂直发射呈现出干扰因素随机性强、干扰量大、弹道参数变化剧烈等特点。在分析、辨识各种干扰因素的形成机制及组成结构的基础上,建立了描述航行体水下发射过程不确定度的数学模型;介绍了近年来国际上较为热门的不确定性量化研究中的数值方法和进展,主要讨论了基于多项式混沌理论的不确定度量化方法;最后,探讨了未来航行体水下发射过程不确定性量化研究所面临的一些挑战和亟待解决的问题。     

跨介质航行器波浪环境入水流场演变和运动特性研究

跨介质航行器是一种既可以在空中飞行又可以在水下潜航的新概念航行器,基于仿生学原理,提出一种通过改变外形实现水空介质跨越的航行器模型,通过入水试验装置和计算流体动力学方法,对航行器带攻角从空气到水的介质跨越过程进行了试验和数值仿真研究,得到了跨介质入水过程航行器的运动姿态和入水空泡形态,并通过数值仿真得到了航行器的升力、阻力、速度和加速度演化规律。同时基于数值模拟方法对有波浪情况和静水情况下航行器入水过程空泡演变以及运动特性进行对比。结果表明:提出的航行器构型在水中具有较好的姿态调整能力,波浪的有无和波高的不同都会对航行体入水运动特性造成影响。     

水下垂直发射航行体空泡流动研究

水下垂直发射航行体是工程研制的重要对象之一,水下垂直发射技术是航行体研究的核心与关键。动基座发射与跨介质飞行是水下垂直发射的两个突出特点,特别是在一定条件下出现的空泡现象使得水下垂直发射物理现象异常复杂。鉴于此,系统梳理了水下垂直发射需要关注的问题,介绍了水下垂直发射航行体空泡流研究的主要技术途径和研究手段,探讨了未来的主要发展趋势。     

水下航行体减阻技术综述

空/水跨介质飞行器经空中飞抵目标水域后高速入水，对目标实施快速打击，具有隐蔽性好、突防能力强等特点。但在水下航行中，固/液界面阻力及绕流流场变化等问题严重影响了航行速度与稳定性。减小航行体表面阻力干扰、流场优化是保障水下高速稳定航行的关键。旨在探讨适用于水下高速航行体的表面减阻与流场优化方法，对表面微结构减阻、超疏水表面减阻、超空泡减阻和微气泡减阻４种最具代表性的固/液界面减阻技术进行论述，分析各种减阻技术的机理与应用可行性，探讨适用于水下高速航行体的减阻技术发展方向。     

凹槽参数对通气空泡融合的影响

水下航行体通气技术形成的空泡能够有效降低航行阻力并调节运动姿态,但通气空泡在航行体表面不易融合,空泡形态不稳定,因此开展通气空泡的融合控制具有重要工程应用价值。采用有限体积法进行数值计算,研究了航行体孔后开槽对通气空泡融合的控制作用,并探究了不同凹槽参数对通气空泡融合的影响。研究发现,凹槽改变了空泡的流场特性,槽内产生的旋涡卷吸流经凹槽的气体,使槽内气体向航行体周向发展并融合;当槽宽取0.125D,孔槽间距取0.075D时,对空泡融合的促进以及稳压效果最佳。     

水下固体火箭发动机推力脉动特征研究

对水下固体火箭发动机的动态特性进行了研究,根据动网格及VOF(Volume of Fluid)基本原理,构建了用于水下固体火箭发动机动态射流响应的轴对称模型;根据壁面积分基本原理及被动方式求解水下工作发动机推力的计算方法,成功模拟了发动机的受力运动;对不同工况下发动机工作情况进行仿真,研究了水下发动机动态模型下的射流结构,发现在来流作用下,射流气体会受到来流边界层的挤压,产生颈缩现象,之后逐渐向外膨胀;研究结果显示,在来流边界层作用下,射流所产生的激波在向下游发展之前,将经历多次折射,该研究结果与文献中相关实验结果较吻合;对发动机不同工况下的推力脉冲峰值进行分析,找出了动态模型下发动机点火初期推力脉冲峰值特征随工作环境的变化规律。最后,对有/无轴向浮力时的发动机动态特征进行了对比分析。     

跨介质航行器流体动力外形仿生设计

跨介质航行器是一种可在空中与水中两栖巡航并能自由穿越水气界面的新概念海空两栖无人运动平台,需要具备良好的入水和出水性能及较小的水下流体阻力。采用两种生物组合仿生的设计思想,利用全自动三维影像扫描仪获取具有优良入水性能的翠鸟头部和龙虱身体的形体特征点云数据,应用傅立叶级数拟合方法拟合特征曲线,设计了一种跨介质航行器流体动力外形,为减小航行器入水冲击载荷、降低水下航行阻力提供了设计方案。     

基于冲击响应谱变换的星箭力学环境等效频谱影响因素分析

介绍基于冲击响应谱变换和稳态放大系数的星箭力学环境等效频谱工程计算方法,给出冲击响应谱相对于正弦基础激励的瞬态放大系数近似解析公式,并结合典型星箭界面加速度时域响应数据分析力学环境等效频谱的影响因素。数值计算和理论分析结果表明:发射段低频力学环境瞬态效应明显,采用工程计算方法确定星箭力学环境等效频谱的结果受稳态放大系数取值影响较大——该系数取值的增大将使等效频谱幅值在整体上明显减小,频率分布特性也会发生变化。可见,目前工程上所采用的星箭力学环境等效频谱计算方法尚有不合理之处,后续应探索新的星箭力学环境等效频谱确定方法。     

基于变质心控制的再入飞行器机动能力分析

变质心控制作为一种新颖的控制方式,可克服传统再入飞行器气动舵等控制方案存在的舵面烧灼等弊端,它通过主动移动飞行器内部若干个质量块,可以有效调整飞行器的姿态并实现飞行器的姿态和机动控制.本文在推导变质心再入飞行器动力学方程的基础上,对该动力学方程进行了必要的简化,从而得到了变质心再入飞行器纵平面内的动力学和运动学方程,并计算得到质量块不同行程下飞行器可产生的法向过载大小.本文的研究对于变质心再入飞行器控制系统的设计提供了必要的理论参考依据.     

高速飞行器变质心控制技术综述

基于变质心附加惯量消旋、质量矩姿控、操稳性能调控三种控制模式对变质心控制的基本原理进行了阐述.详细分析了变质心高速飞行器所面临的动力学建模、制导控制、执行机构设计研制和系统仿真评估四方面的关键控制问题.最后,对变质心高速飞行器发展趋势和未来主要研究方向进行了展望.     

基于模态试验和冲击响应试验的模型动力学参数修正

为通过数值仿真计算方法准确预测冲击响应,基于模态试验和冲击响应试验,对响应板的碰撞冲击过程进行动力学参数修正。模态试验过程,通过响应面优化的方法对响应板的弹性模量、泊松比、厚度参数进行优化,优化后的固有频率计算值相对误差在±2%以内。冲击响应试验过程,冲头冲击高度6.3 cm条件下,对试验和数值仿真的响应谱曲线进行误差评价;基于响应谱各分析频率点均方根误差最小的优化目标,通过曲面拟合得到最优的质量阻尼系数和刚度阻尼系数。动力学参数修正后的模型在3个不同冲击高度条件下的冲击响应谱预测中,大部分频率段的误差在±6 dB以内,显著提高了预示精度。     

大载荷谐振板的仿真研究

为使跌落式谐振板装置的特性满足大载荷冲击试验的要求,采用有限元方法对谐振板和大载荷（100 kg）谐振板的固有频率及它们在半正弦冲击信号激励下的响应进行计算,得出相应的冲击响应谱。根据计算结果反复调整谐振板的结构尺寸、激励源,使响应点的时域响应和冲击响应谱符合要求。研究结果显示:大载荷对谐振板装置的冲击响应谱有很大的影响,导致响应时域延长、转折点频率降低、冲击谱幅值降低。     

火箭结构估重与总体优化设计的数字化实现及应用

火箭新型号总体方案论证时,一般借鉴国内外相近规模和相同推进剂火箭的结构系数进行类比确定子级结构系数,按照比例系数分配贮箱和壳段等部段的质量,但该质量分配不能反映载荷对结构设计的影响,在细化迭代设计中易造成方案无法闭环,导致设计工作反复。为了加快总体方案论证,提出一种基于载荷的箭体结构快速估重方法,开发形成结构估重数字化模块并嵌入总体设计平台。应用案例表明,提出的数字化估重平台能够有效提高估重精度,同时显著缩短论证周期,兼具总体方案比较和优化、全箭质量管理等功能,能有效降低方案推翻重新设计的风险,在新型号总体方案论证中发挥了重要作用。     

冲击测试动响应高速视觉测量方法

获取测试目标的动态响应参数是航天器产品冲击测试中的关键内容，传统接触式传感器方法存在安装困难、监测维度单一、难以适应复杂测试环境等缺点。提出了一种用于获取冲击测试动响应的高速视觉测量方法，利用双目视觉原理获取测试对象的三维运动轨迹，并在此基础上解析测试过程中的冲击响应参数。该方法在空气炮冲击测试试验中获取的冲击响应谱曲线与加速度计的测量结果一致，识别结果相对偏差优于10%，表明高速视觉测量方法在航天器冲击测试中具有良好的应用潜力。     

超空泡航行体流体动力数值研究

超空泡技术作为水中航行体增速减阻的重要手段已经成为了共识。超空泡航行体作为目前最具有应用前景的水下航行体,对其流体动力变化规律的研究具有重要的意义。基于有限体积方法,结合N-S方程与空化模型,建立了超空泡航行体自由运动的非定常流场求解数值模拟方法。通过对非定常超空泡流场计算结果的分析,对航行体的流体动力进行分解和建模。结合相关理论分析,确定了超空泡航行体流体动力公式。研究表明,尾拍力与空泡壁面形状、航行速度及尾部沾湿面积等密切相关。