孫士明,陳瑋琪,王寶壽,郁 偉,何振民,季錦梁

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心國(guó)防水動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214082)

0 引言

水面滑跳是航行體近水面小角度撞水過(guò)程中所發(fā)生的一種特殊運(yùn)動(dòng)，人們常見(jiàn)的“打水漂”就是一種典型的滑跳現(xiàn)象。近年來(lái)不斷有學(xué)者提出利用這種滑跳運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)近水面高速機(jī)動(dòng)飛行的新概念跨介質(zhì)飛行器[1-4]，成為跨介質(zhì)航行體研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，其連續(xù)滑跳的關(guān)鍵在于如何保持撞水過(guò)程中的姿態(tài)穩(wěn)定。但是，跨介質(zhì)航行體近水面滑跳問(wèn)題涉及到復(fù)雜的多相流動(dòng)與航行體大幅運(yùn)動(dòng)的相互作用，尤其是航行體高速撞水過(guò)程中帶來(lái)的航行體受力的劇烈變化及自由液面的破碎與飛濺等問(wèn)題，具有強(qiáng)烈的非線性。目前對(duì)于水面滑跳的研究多集中在物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)值仿真[5-6]，而實(shí)際情況中，滑跳運(yùn)動(dòng)是否可行則少有試驗(yàn)研究涉及。本文通過(guò)開(kāi)展近水面高速滑跳航行體試驗(yàn)研究，探究航行體水面滑跳運(yùn)動(dòng)特性，為近水面跨介質(zhì)飛行器的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 水面滑跳構(gòu)型設(shè)計(jì)

1.1 滑跳模型外形與尺度

自身平衡而穩(wěn)定的氣動(dòng)布局可有2種選擇：一種是正常的飛機(jī)形式，一種是鴨式布局形式[7]。一般高速滑行艇采用的都是鴨式布局形式，為了能夠以較小的速度快速完成水面滑躍，本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎螟喪讲季帧?/p>

航行體總體布局如圖1所示，在彈體主體的中后部加裝楔形體滑行面，以實(shí)現(xiàn)航行體觸水滑跳過(guò)程減阻和降載，滑行面斜升角25°，并與航行體主體部分結(jié)合在一起，保證光滑過(guò)渡。航行體前部裝有小型翼，用于貼近水面時(shí)提供部分升力及保持模型平衡。模型總長(zhǎng)為960 mm，滑行面寬度400 mm，模型設(shè)計(jì)為正浮力，總體重量9.6 kg，靜浮于水面時(shí)的狀態(tài)如圖2所示。

圖1 滑跳模型示意圖Fig.1 Schematic of skipping model

圖2 滑跳模型靜浮于水面時(shí)狀態(tài)Fig.2 Floating state of skipping model

1.2 模型重心參數(shù)影響計(jì)算與分析

針對(duì)該模型，本文進(jìn)行了初步數(shù)值仿真。因?yàn)閿?shù)值計(jì)算不是本文研究的重點(diǎn)，故對(duì)計(jì)算方法僅作簡(jiǎn)單介紹。本文計(jì)算采用基于求解RANS方程的CFD方法[8]，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)模型，采用VOF多相流模型進(jìn)行自由界面捕捉，使用六自由度求解器結(jié)合重疊網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)模型的大自由度運(yùn)動(dòng)。采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，壓力場(chǎng)求解采用SIMPLE算法。計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)約240萬(wàn)。

計(jì)算工況為模型以30 m/s速度從距水面0.1 m高度位置釋放，模型受到150 N恒定推力，作用位置在航行體尾部截面中心位置。計(jì)算中變化的參數(shù)為模型重心的縱向和垂向位置。圖3顯示了不同推力矩條件下模型滑跳過(guò)程傾角變化規(guī)律，推力矩主要反映了模型垂向重心位置的影響規(guī)律，可看出推力矩對(duì)模型運(yùn)動(dòng)的影響顯著，甚至完全改變模型撞水后的姿態(tài)變化方向。通過(guò)綜合比較，本文選取模型撞水后可以保持姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù)，即推力矩為1 N力矩時(shí)的重心垂向位置參數(shù)。

圖4顯示了模型不同重心縱向位置對(duì)滑跳過(guò)程的影響。重心位置一般應(yīng)靠后布置，本文計(jì)算了模型重心在中后部距柱段前緣288 mm、338 mm和388 mm三個(gè)位置參數(shù)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，模型實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定滑跳過(guò)程存在一個(gè)最佳重心范圍，最終本文選定重心縱向位置距柱段前緣338 mm位置參數(shù)。

圖3 不同推力矩條件下模型滑跳過(guò)程傾角變化Fig.3 Variations of trim angle under different thrust moments

圖4 不同重心縱向位置模型滑跳過(guò)程傾角變化Fig.4 Variations of trim angle under different longitudinal positions ofmass center

從以上計(jì)算結(jié)果中可以看出，滑跳模型對(duì)于重心位置的布置非常敏感，因此在模型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以重點(diǎn)考慮。圖5顯示了通過(guò)計(jì)算分析選取合適參數(shù)后的模型觸水滑跳過(guò)程，可以看出，滑跳過(guò)程模型傾角變化很小，不會(huì)對(duì)下一次滑跳過(guò)程的初始姿態(tài)參數(shù)產(chǎn)生很大變化，即可以保持相對(duì)穩(wěn)定的滑跳過(guò)程。

圖5 模型水面滑跳過(guò)程仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of skipping process ofmodel

2 水面滑跳試驗(yàn)

2.1 滑跳運(yùn)動(dòng)方式可行性驗(yàn)證

圖6 航行體模型水面滑跳過(guò)程Fig.6 Skipping process of vehiclemodel on water surface

基于本文設(shè)計(jì)的滑跳構(gòu)型，開(kāi)展了開(kāi)放水面自由滑跳試驗(yàn)，模型整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖6所示。通過(guò)試驗(yàn)錄像可以看出：模型可以保持連續(xù)滑跳的穩(wěn)定性，穩(wěn)定滑跳次數(shù)達(dá)到4次以上；模型整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程基本保持直線運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有發(fā)生明顯的側(cè)傾；運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，通過(guò)圖像判讀，模型速度在第二次與第三次撞水之間達(dá)到最大值，最大速度約為29.0 m/s，彈跳高度也在此段時(shí)間內(nèi)最大，距水面約0.3 m；滑跳過(guò)程中，模型撞水產(chǎn)生的飛濺比較明顯，模型失去動(dòng)力后，速度降低，在第四次滑跳后降至可滑跳最小速度之下，未能繼續(xù)滑跳。該試驗(yàn)基本驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的模型可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的滑跳運(yùn)動(dòng)。

2.2 滑跳運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性及液面飛濺分析

圖7 航行體滑跳傾覆過(guò)程Fig.7 Capsizing process of skipping

在滑跳模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)模型重心會(huì)對(duì)滑跳過(guò)程產(chǎn)生明顯影響，試驗(yàn)中亦同樣發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，當(dāng)模型重心有所改變時(shí)，會(huì)影響滑跳過(guò)程模型觸水時(shí)刻的傾角，當(dāng)傾角過(guò)大時(shí)，會(huì)引起滑跳的不穩(wěn)定性。如圖7所示，模型以較大傾角撞水時(shí)(圖中傾角為26°)，尾部會(huì)先觸水產(chǎn)生很大的力矩，使模型姿態(tài)迅速變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖^再次撞水，這樣的2次連續(xù)擊水過(guò)程使模型失去滑跳穩(wěn)定性，甚至產(chǎn)生傾覆。本文由于試驗(yàn)次數(shù)較少，不能定量提出傾角穩(wěn)定范圍，但從少數(shù)發(fā)生傾覆的試驗(yàn)工況來(lái)看，初步認(rèn)為撞水傾角超過(guò)25°會(huì)產(chǎn)生傾覆。因此，滑跳模型的設(shè)計(jì)應(yīng)仔細(xì)考慮模型重心位置，確保撞水過(guò)程不至產(chǎn)生很大的傾角。

圖8 未改進(jìn)前航行體滑跳過(guò)程產(chǎn)生的液面飛濺Fig.8 Water splash of unmodified model in skipping process

橫向穩(wěn)定性同樣是滑跳穩(wěn)定的一個(gè)重要問(wèn)題，本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪軜?gòu)型限制，橫滾方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)外界擾動(dòng)較小時(shí)，模型可以穩(wěn)定向前滑跳，而當(dāng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程受到明顯側(cè)風(fēng)影響時(shí)，模型易受橫向擾動(dòng)影響而產(chǎn)生側(cè)傾，進(jìn)而影響滑跳穩(wěn)定。后期可通過(guò)加裝機(jī)翼來(lái)增加橫向穩(wěn)定性。

圖9 采用一體化構(gòu)型后航行體滑跳過(guò)程產(chǎn)生的液面飛濺Fig.9 Water splash of modified model in skipping process

下面對(duì)滑跳過(guò)程中的液面飛濺情況進(jìn)行初步分析。圖8和圖9顯示了2個(gè)工況下模型一次滑跳過(guò)程中撞水及液面飛濺過(guò)程，2個(gè)工況使用的模型有所不同。圖8中模型楔形體滑行面與彈體之間通過(guò)一平面直接連接，而圖9中模型則將畫(huà)面與彈體之間通過(guò)光滑過(guò)渡面連接，使模型實(shí)現(xiàn)一體化構(gòu)型。從圖8中可以看出，由于尾噴流的作用，模型撞水產(chǎn)生的飛濺流場(chǎng)較為復(fù)雜，由于模型主體與滑行板連接過(guò)渡段不是光滑過(guò)渡，導(dǎo)致撞水過(guò)程中該處產(chǎn)生強(qiáng)烈的飛濺，并將其與模型主體產(chǎn)生的飛濺分割開(kāi)來(lái)(如圖8中紅色圓圈位置所示)。因此，在后續(xù)滑跳模型的設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡可能減少部件之間不光滑的連接過(guò)渡，以減小產(chǎn)生的飛濺尺度。從圖9(為了更清晰地看到整個(gè)液面的變化過(guò)程，高速錄像從模型運(yùn)動(dòng)路線的側(cè)后方拍攝)中可以看出，模型采用一體化構(gòu)型后，飛濺沒(méi)有了圖8中那樣被“割開(kāi)”的現(xiàn)象。由于滑行面形狀為楔形體，尾部滑板撞水過(guò)程產(chǎn)生的飛濺主要向兩側(cè)發(fā)展，尾噴流會(huì)對(duì)滑跳產(chǎn)生的飛濺產(chǎn)生比較明顯的影響，形成復(fù)雜的多相流動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)航行體滑跳運(yùn)動(dòng)開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)了一種適宜滑跳的航行體構(gòu)型，對(duì)航行體的布局進(jìn)行了初步探討，并開(kāi)展水面自由滑跳試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：①本文設(shè)計(jì)的滑跳模型能夠?qū)崿F(xiàn)水面連續(xù)穩(wěn)定滑跳，最高速度達(dá)到約29 m/s，最大彈跳高度約0.3m，證明了滑跳運(yùn)動(dòng)方式具有一定的可行性；②滑跳模型對(duì)重心位置變化非常敏感，滑跳運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)盡可能保持小傾角條件，并且模型整體應(yīng)該保持光滑過(guò)渡。本文的研究?jī)H是對(duì)滑跳運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的初步探索，后續(xù)可在以下2個(gè)方面繼續(xù)深入開(kāi)展相關(guān)研究工作：

1)滑跳模型的進(jìn)一步改進(jìn)。本次試驗(yàn)受試驗(yàn)條件限制，對(duì)設(shè)計(jì)的構(gòu)型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，試驗(yàn)速度也并不很高，未來(lái)可繼續(xù)對(duì)構(gòu)型開(kāi)展優(yōu)化，以降低滑跳過(guò)程液面飛濺帶來(lái)的能量損失，并不斷提高試驗(yàn)速度以進(jìn)一步驗(yàn)證滑跳運(yùn)動(dòng)在更高速度條件下的可行性。

2)增加模型的主動(dòng)控制手段。目前試驗(yàn)條件下均采用無(wú)控模型，若能通過(guò)一些簡(jiǎn)單有效的控制手段來(lái)調(diào)整模型撞水過(guò)程中的姿態(tài)變化，將更有利于模型多次滑跳過(guò)程的穩(wěn)定性。