[发明专利]一种垂直发射航行体水中点火燃气后效估计方法

说明书

本发明首先构建垂直发射航行体水中点火数值仿真模型，然后利用航行体水下点火压力和姿态数据对数值仿真模型校验和完善，在此基础上，研究航行体水中点火过程中尾部流场变化情况，分析不同点火深度点火发动机射流流场对发射平台壁面、发射筒的影响，同时对不同点火对航行体水下发射能力的影响进行估计。

技术领域

本发明属于垂直发射航行体水中点火燃气后效的预测方法，尤其涉及燃气后效中的压力、温度对水中航行体、发射筒及发射平台影响的估计方法。

背景技术

对于采用水中点火的垂直发射航行体而言，通过及时对航行体的水中弹道和姿态进行控制，可提高航行体在水中运动的稳定性，并有助于获得有利的出水姿态，从而增强航行体出水后的姿态控制能力。通常，水下发射航行体在其尾部离开发射筒口一定距离处点火进行发射。如果航行体尾部与发射筒口距离较近处点火，则发动机可以利用从发射筒内溢出并附着在航行体尾部的燃气泡，作为发动机喷流建立初期燃气的受纳空间，减轻发动机直接在水中点火所造成的冲击，提高发动机工作安全性，但是由于水下点火处距离发射平台较近，发动机高速喷流会对筒盖及周围发射平台结构产生破坏，影响后续发射。如果航行体远离发射筒口处(简称筒口)点火，附着在航行体尾部的燃气泡体积变小，同时燃气泡内渗人水，发动机若直接在此环境中点火，由于水的巨大惯性，则发动机喷流会受到水的阻碍，导致喷管内压强过高，从而威胁发动机工作安全性。显然，在决定采用水中点火方案时，必须明确水中点火对航行体载荷的影响，并充分估计水中点火对发射筒及发射平台所造成的威胁。本发明中，燃气后效由垂直发射航行体水下点火后产生的压力和温度参数来表征。流场参数是指航行体周边空间中不同位置点的温度和压力。航行体运动参数是指航行体的速度和位置。

发明内容

本发明首先构建垂直发射航行体水中点火数值仿真模型，然后利用航行体水下点火压力和姿态数据对数值仿真模型校验和完善，在此基础上，研究航行体水中点火过程中尾部流场变化情况，分析不同点火深度下发动机射流流场对发射平台壁面和发射筒的影响，同时对水中点火燃气后效进行估计。

本发明的具体步骤为：

(一)航行体动力方程及仿真模型构建。建立水下发射过程中的航行体动力模型，通过实时求解航行体受力，通过动力学方程求得加速度和角加速度，然后进行数值积分，获得航行体当前速度、位移及姿态等。航行体受力如图1所示，图1中oxyz为发射坐标系，相对于地球静止，ox₁y₁z₁为航行体坐标系，固联于航行体；v为航行体运动速度；F为航行体所受的浮力；G为自身重力；f为航行体轴向阻力；ox₁为航行体轴向，ox₁与v的夹角为α；oy₁与v的夹角为T为发动机产生的总推力；φ为发动机喷管为纠正航行体出水姿态而偏转的摆角。

航行体在水下发射过程中，首先利用高压燃气将航行体弹射出筒，航行体尾部离开发射筒后，筒内燃气进入外界环境，与周围的水汽混合并附着在尾部形成燃气泡。发动机接收到点火指令后，航行体运动的发射动力主要由两部分组成：弹射力和发动机提供的轴向推力。

航行体在水下发射过程中，其航行体动力模型为：

其中，

式中：t为航行体运动时间，F′为发射筒高压燃气弹射力，T′为发动机点火后航行体受到的轴向推力，m为航行体质量，s为航行体的迎流面积，C为阻力系数，ρ为海水密度，λ为附加质量；α和值利用航行体加速度计测量的各个方向的加速度值进行解算求取。式(1)中的航行体运动参数值为后续计算燃气后效参数提供动态输入。

本发明利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型，在CFD模型中引入经验参数，基于已有的实验数据对CFD模型参数进行合理调整，形成合理的计算模型。