周蓓等

摘 要：水下高速翼展系統(tǒng)的鎖定能力對(duì)于航行體的穩(wěn)定性影響具有重要的意義，該文在水下高速翼展過(guò)程無(wú)法直接通過(guò)單純的理論仿真及試驗(yàn)研究手段解決的情況下，采用仿真與試驗(yàn)結(jié)合的手段開(kāi)展研究。通過(guò)地面試驗(yàn)修正水阻尼參數(shù)，摸索彈出翼鎖定速度以及碰撞速度衰減系數(shù)，并考慮火工品驅(qū)動(dòng)力、來(lái)流速度等各項(xiàng)偏差再通過(guò)仿真手段推斷航行體高速航行時(shí)彈出翼的鎖定以及反彈運(yùn)動(dòng)情況，得到了彈出翼能夠被鎖定，或沒(méi)有被鎖定也能及時(shí)保持展開(kāi)到位的狀態(tài)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：水下 高速翼展系統(tǒng) 鎖定能力 仿真計(jì)算 地面試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（c）-0058-02

Abstract：The simulation and ground test were applied to analyzed the characteristic of the folding wing when deploying to the expected position for underwater high speed small vehicle.The results indicate that wing can be folded or remain being at the expected position if it cant be locked，and the stability requirement can be meeted.

Key Words：Folding wing；Underwater vehicle；Locking characteristic；Simulation；Ground test

水下高速翼展系統(tǒng)是一種水下試驗(yàn)減速回收系統(tǒng)，用于在水下航行末段使航行體的快速減速。彈出翼采用火工品拔銷器作為展開(kāi)的動(dòng)力能源，火工品驅(qū)動(dòng)具有功率大、所需展開(kāi)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但也造成彈出翼面展開(kāi)過(guò)程的高動(dòng)態(tài)性，同時(shí)使得翼面到位后仍具有較大的動(dòng)能使得鎖定困難。另外航行體航行中，迎流使得彈出翼展開(kāi)速度成倍提高，極大的增加一次鎖定的難度。但彈出翼無(wú)法鎖定反彈時(shí)，迎流阻止翼反彈展開(kāi)，對(duì)彈出翼的鎖定又起到促進(jìn)作用。分析彈出翼的鎖定能力以及評(píng)估彈出翼多次反彈鎖定對(duì)于航行體水下試驗(yàn)開(kāi)展及試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取具有重要意義。以下結(jié)合地面試驗(yàn)對(duì)某水下高速翼展機(jī)構(gòu)鎖定能力進(jìn)行分析，并對(duì)水下鎖定過(guò)程仿真。

1 翼展系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程特點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)方程

1.1 彈出翼展開(kāi)過(guò)程特點(diǎn)

彈出翼展開(kāi)過(guò)程有如下特點(diǎn)：（1）在水流和火工品作用下彈出翼展開(kāi)速度極高；（2）彈出翼若無(wú)法一次鎖定，將與艙段發(fā)生碰撞反彈，在碰撞與水流作用力綜合作用下，彈出翼將在反復(fù)震蕩；（3）通常采用火工品作為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)力存在散布，無(wú)法通過(guò)理論和仿真獲得準(zhǔn)確輸入；（4）旋轉(zhuǎn)阻尼成為主要影響因素，旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)90°，體現(xiàn)出與傳統(tǒng)航行體小角度旋轉(zhuǎn)下不同特點(diǎn)；（5）展開(kāi)過(guò)程受高速來(lái)流、火工品驅(qū)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)阻尼、附加質(zhì)量等多因素影響，影響參數(shù)多，關(guān)系復(fù)雜。

1.2 展開(kāi)過(guò)程運(yùn)動(dòng)方程

在水中運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程如下：

（1）

其中，為旋轉(zhuǎn)力矩矢量，為旋轉(zhuǎn)阻尼力矩矢量，為火工品力矩矢量，、和分別為3項(xiàng)力矩的修正系數(shù)。該式適用于一次展開(kāi)或反彈后的水中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

1.3 鎖定及反彈過(guò)程運(yùn)動(dòng)方程

當(dāng)，彈出翼鎖住。當(dāng)，彈出翼以反彈的角速度為初速（其中，為鎖定速度，為碰撞后的速度衰減系數(shù)），在水動(dòng)力和阻尼的共同作用下快速減速，直至減速為0，其后反向再次發(fā)生反彈或鎖定結(jié)束。

2 分析結(jié)果與范例

2.1 輸入?yún)?shù)

2.1.1 彈出翼的旋轉(zhuǎn)水動(dòng)力力矩和旋轉(zhuǎn)阻尼力矩

對(duì)翼展機(jī)構(gòu)典型速度旋轉(zhuǎn)水動(dòng)力進(jìn)行仿真，綜合采用水動(dòng)力仿真及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算相互校核，得出彈出翼旋轉(zhuǎn)水動(dòng)力和正行程旋轉(zhuǎn)阻尼力矩如圖1、圖2所示。

由于正、反行程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的迎水面不同，阻尼參數(shù)不同，進(jìn)行正、反行程阻尼參數(shù)的計(jì)算對(duì)比，反行程旋轉(zhuǎn)阻尼力矩約為正行程的60%。

2.1.2 其他參數(shù)

（1）正行程：從展開(kāi)0°到97°（機(jī)構(gòu)實(shí)際展開(kāi)到位角度），角度增大過(guò)程。

（2）反行程：展開(kāi)角度從97°到0°過(guò)程，展開(kāi)角度減小。

（3）翼展機(jī)構(gòu)鎖定范圍：88°～92°；（機(jī)構(gòu)實(shí)測(cè)得到）。

（4）設(shè)由于尾段限位結(jié)構(gòu)變形，彈出翼在不鎖定的狀態(tài)下最多可展開(kāi)至97°。

（5）計(jì)算過(guò)程：從0°展開(kāi)到97°，再?gòu)?7°回彈，根據(jù)88°、92°的角速度判斷是否鎖定，考慮97°與艙體碰撞的速度衰減。

（6）以驅(qū)動(dòng)力作為輸入?yún)?shù)，考慮到驅(qū)動(dòng)力有偏差，以126N.m和252N.m作為兩種極限情況。

2.2 試驗(yàn)及參數(shù)識(shí)別

2.2.1 阻尼修正系數(shù)識(shí)別

基于彈出翼靜水中展開(kāi)試驗(yàn)的高速攝像識(shí)別結(jié)果，對(duì)比試驗(yàn)和仿真結(jié)果，對(duì)彈出翼的阻尼力和力矩系數(shù)進(jìn)行修正。仿真計(jì)算與試驗(yàn)識(shí)別結(jié)果的角速度標(biāo)準(zhǔn)差為67.52°/s，角度標(biāo)準(zhǔn)差為0.28°，吻合一致度良好。因此，k2取5。

2.2.2 碰撞衰減系數(shù)參數(shù)識(shí)別

從高速攝影圖片中碰撞前后速度之差與碰撞前速度比，得到速度衰減系數(shù)：0.45～0.5?？紤]速度和圖片識(shí)別可能存在偏差，考慮仿真計(jì)算的速度衰減系數(shù)取0.45、0.65。

2.2.3 鎖定速度參數(shù)識(shí)別

火工品裝藥量220 mg時(shí)水中展開(kāi)試驗(yàn)單次鎖定，鎖定前角速度約2700°/s?；鸸て费b藥量120 mg，180 mg，220 mg時(shí)空氣中展開(kāi)試驗(yàn)，彈出翼單次展開(kāi)皆未鎖定，裝藥量為120 mg時(shí)彈出翼角速度最小，此時(shí)速度約3200°/s。

因此彈出翼鎖定速度在2700°/s與3000°/s之間。

2.3 高速航行過(guò)程展開(kāi)狀態(tài)預(yù)示

2.3.1 仿真計(jì)算工況

計(jì)算工況如表1所示。

2.3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.3.3 仿真結(jié)果分析

綜合上述計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

（1）在1、2的工況下，彈出翼第一次展開(kāi)至97°的過(guò)程中速度大于3200°/s，彈出翼未鎖定，觸碰到艙段后反彈到94°，處于彈出翼鎖定區(qū)域[88°，92°]之外，又在水流的作用，彈出翼接觸在尾段的限位結(jié)構(gòu)上，在1、2種工況下，彈出翼沒(méi)有被鎖定，彈出翼保持展開(kāi)到位的狀態(tài)；在3，4種工況下，彈出翼第一次反彈到[88.799°，89.547°]內(nèi)，此時(shí)速度為零，基本處于彈出翼鎖定區(qū)域[88°，92°]，因此在3、4種工況下，彈出翼可被鎖定。

（2）在以上工況中，對(duì)于彈出翼的鎖定速度判斷精度要求不高。

（3）因此，考慮到各種工況，彈出翼能夠被鎖定，或沒(méi)有被鎖定也能及時(shí)保持展開(kāi)到位的狀態(tài)，反彈角度小。

3 結(jié)語(yǔ)

該文給出了一種彈出翼減速系統(tǒng)展開(kāi)過(guò)程試驗(yàn)與仿真結(jié)合的分析方法，并以某翼展機(jī)構(gòu)為例展示了整個(gè)研究過(guò)程，給出了主要參數(shù)的識(shí)別和修正方法，對(duì)于其它彈出翼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 秦兵才.小型折疊彈翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2009（8）.

[2] 邢彥江.尾翼楔角對(duì)通氣超空泡特性影響試驗(yàn)研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（1）.

[3] 王波.彈簧展開(kāi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J].空間電子技術(shù)，2007（1）.

[4] 姚小寧.彈翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)中燃?xì)庾鲃?dòng)筒的運(yùn)動(dòng)航行體[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2012（10）.

[5] 鐘世宏.新型可折疊翼板展開(kāi)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)研究[J].制造技術(shù)研究，2013，10（5）.