第1章绪论
1.1航行体水下垂直发射跨介质过程和主要研究内容航行体水下垂直发射一般是指利用水下运动平台上的垂直发射装置将航行体弹射出筒，而后航行体在水中以近似垂直方式向水面运动，并以一定的速度穿越水面的过程。与水平发射、倾斜发射方式相比，垂直发射具有水下运动时间短、易于在装载平台上布局、出水后姿态近垂直等特征，是水下发射领域的重要发展方向。
航行体水下垂直发射按照其运动过程可分为出筒段、水中段、出水段、空中飞行段，某些特定用途的航行体还存在落水段（或入水段，图11）。在整个运动阶段，航行体在短时间内经历由气入水、水中飞行、由水入气这样复杂的跨水空介质物理过程，由于所处的环境介质不断变化，航行体受力呈现非定常、非线性等特点。图11水下航行体垂直发射典型运动过程跨介质航行是航行体水下垂直发射*显著的特征，也是航行体水下垂直发射技术研究所关注的重点和难点［1］。
水下航行体跨介质动力学是研究航行体在穿越气水介质时，所受的流体动力变化规律以及流体与航行体间相互作用的一门学科。根据跨介质的速度和方式的不同，航行体跨介质的类型可分为渐变跨越型与瞬时跨越型两类［2］。采用渐变跨越型（如水上飞机的水上滑行起飞与着水滑行降落再下潜入水等）方式的航行体速度较低，所受的冲击过载较小，对航行体外形有严格的要求，以确保跨介质过程中稳定的滑行，一般会采用变构型的气水动外形设计思路；瞬时跨越型方式航行体（如空投鱼雷入水、跨介质飞行器等）速度相对较高，航行体所受的冲击过载很大，恶劣的受力环境也对航行体的结构、材料提出了较高的要求。不同类型的跨介质方式具有不同的物理现象和流体动力特征，本书主要以水下垂直发射航行体为对象开展研究和讨论，重点关注与垂直发射过程紧密相关的出筒段、出水段和入水段流体动力、弹道、载荷变化规律等内容。
从弹射开始至航行体尾部离开发射装置的阶段称为出筒段，在此阶段为由气入水的过程，此阶段典型的流动及受力特征主要如下（以本书重点研究的“干”发射为例）：
（1）在弹射之前，航行体处于发射装置内气体介质环境中，弹射时航行体在发射装置底部高温高压燃气作用下向上运动，其中处于发射装置内的部分航行体受到装置内气体力作用，处于发射装置外的部分航行体受到水动力作用；
（2）航行体出筒过程中受到发射筒的约束以垂直向上为主要运动形式，同时受到装载平台水平运动的影响，横向的水动力会使得航行体与发射筒之间存在接触的支反力，进而使得航行体受到较大的弯矩载荷作用；
（3）航行体尾部离开发射筒时，筒内气体在冲出筒口的过程中会对水流场产生巨大的扰动，形成筒口效应。
从航行体尾部离开发射装置至航行体头部达到水面的阶段称为水中段。在航行体尾部离开发射筒口后，发射筒内的气体附着在航行体底部形成尾空泡，当航行体速度较高时航行体头部会形成肩空泡。水中段的运动过程流动物理特征主要为空泡非定常多相流动过程（可参考相关专业书籍）。
从航行体头部出水至尾部完全出水的阶段称为出水段，此阶段为由水入气阶段。在此阶段，影响航行体受力及主要流动现象为：
（1）随着航行体出水，航行体表面附着的空泡两相流环境发生剧烈变化，在自由液面作用下空泡发生溃灭，产生幅值相对较高的溃灭压力，航行体受到较大的溃灭载荷作用［3］；
（2）复杂的海洋环境会对航行体出水过程造成显著影响，在航行体出水过程中，波浪会改变航行体周围水流速度，从而改变航行体攻角，特别是带空泡出水航行体，在波浪作用下空泡不对称性加剧，极端情况下会造成空泡不稳定脱落等现象。
特定用途的航行体从空中下落、接触水面至完全浸没至水中的阶段称为落水段。与出筒段相比，虽然落水段也是由气入水过程，但两者存在较为明显的差异。
（1）从航行体运动速度来看，落水段航行体速度由高变低，航行体与水面接触时所受撞击力较大，使得航行体受到较大的入水冲击载荷；而出筒段航行体速度由低变高，航行体与水面接触时所受流体冲击力相对较小，主要受到装载平台水平运动而产生的横向水动力作用。
（2）从航行体所处的气体介质环境来看，落水段落水前航行体处于大气环境中，随着航行体落水受到高速运动的影响，在航行体周围形成低压区，周围大气环境会卷入航行体中形成空泡；而出筒段航行体处于压力较高的筒内气体环境中，在特定条件下筒内气体附着在航行体表面形成空泡。
航行体水下垂直发射跨介质运动过程所涉及的流动领域较为广泛，既包含传统全湿流态，也涵盖空泡多相流动形成、发展、溃灭等过程，其对航行体受力与运动的影响一直以来都是流体力学领域的重点研究内容。本书重点针对航行体跨介质过程中典型的出入水流动过程，分析其流动基本特征、受力特点及载荷响应，为航行体总体设计奠定基础。
1.2水下发射出筒过程流体动力/载荷特点
1.2.1出筒过程流体动力特性及预示方法
航行体从开始运动至尾部离开发射筒口的过程为出筒过程（图12）。以本书重点研究的“干”发射为例，初始时刻，航行体装载于发射平台的发射装置内，处于发射装置气相环境中；而后，航行体在高温高压燃气作用下加速向上运动，各截面依次从发射装置内气相环境进入到海水介质环境中，同时发射装置内气体也被带出至发射筒口形成筒口气团；随着航行体向上运动，一方面部分筒口气团附着在航行体表面，并沿航行体向下滑落；另一方面随着发射装置内部向水中排出气体量的增加，筒口气团形态不断增大，至尾出筒时刻航行体尾部仍有部分截面处于筒口气团内。
图12航行体出筒运动过程
航行体出筒过程的流体动力特性主要受航行体运动状态、气水多相流环境、航行体水动外形等几个方面影响。
（1）航行体在出筒过程中轴向上处于不断加速运动状态，所受流体阻力也随之增大［4］。受到发射平台运动的影响，还会形成附加攻角进而产生法向受力。航行体仅头部截面出筒时，轴向速度较小，出筒过程主要以小动压下的横向绕流特性为主，在头部背流面会形成分离流动。
（2）航行体出筒过程为由气入水过程，初始阶段处于筒口气团与海水形成的多相流环境中。航行体上方的气体形成*初的筒口气团，其主要成分为发射筒内预置的气体；在航行体轴向运动和发射平台水平运动的影响下，筒口气团的体积由于不断受到出筒航行体的推动及筒内气体的补充而不断膨胀，且向航行体背流面堆积，受到初始时刻航行体背流面流动分离特性影响，筒口气团会附着于航行体头部形成附体气泡，随着航行体向水面运动，头部气泡逐步向航行体尾部滑落。
（3）航行体水动外形一般可分为锥型＋柱体或者流线型＋柱体两大类。锥型＋柱体外形下，在锥柱过渡处易形成较大范围的流动分离区，航行体出筒过程中筒口气团滑落至锥柱结合处时会形成起始位置较为固定的肩空泡，从而使得航行体出筒过程呈现出较为明显的空泡多相流动特征，随着航行体向水面运动，锥柱过渡处可能会伴随着空化等现象。流线型＋柱体外形下，航行体表面压力系数变化较为平稳，出筒过程中筒口气团附着后会沿着航行体表面向下滑落，使得航行体主体上呈现全湿流态特征，各截面压力呈现出出筒后随环境压力降低而降低的趋势。
锥型＋柱体外形航行体出筒过程的流体动力特性呈现空泡多相流变化特性，其流体动力特性相对复杂，对其进行预示一般采用缩比模型实验＋数值仿真的方式综合开展［5］。缩比模型实验一般是指基于缩比相似准则将缩比模型从筒内弹射至出水，并测量弹射过程中缩比模型的运动参数和表面压力分布的实验。实验中一般通过在缩比模型表面布置压力传感器获取流体动力特性，布置惯性传感器获取弹道特征，并通过高速摄像系统拍摄多相流动物理景象。基于缩比模型实验结果对全尺寸下空泡多相流特征进行预示。缩比实验具有测量结果相对准确、成本低、效率高等优点，但也面临尺度效应等难题，为此可结合数值仿真方式对流体动力特性进行仿真预示，通过对湍流模型、空化模型和多相流模型进行准确描述，基于纳维斯托克斯（NavierStokes，NS）方程进行求解计算可获取航行体出筒过程中的流体动力特性。
流线型＋柱体外形航行体出筒过程的流体动力特性主体上呈现全湿流态特征，其流体动力特性可基于准定常特性进行预示，采用小攻角线性化理论＋定常数值仿真的方式开展。基于定常数值计算流体力学（computational fluiddynamics，CFD）仿真获得不同攻角下航行体表面分布力特征，而后基于攻角、动压和航行体入水系数可获得航行体出筒过程中的流体动力。
1.2.2出筒过程载荷特性及预示方法
载荷可泛指航行体在使用寿命中受到的各种气动、水动、热等外界激励，也可指航行体结构内载荷（弯矩、剪力和轴力），本书中载荷主要指航行体在受到各种外载荷激励作用下产生的结构内载荷。
出筒工况是水下垂直发射航行体载荷设计的重要工况。航行体出筒过程中上半部分与海水接触，受到流体阻力和法向力作用，下半部分处于发射装置内，通过多道适配器与发射装置接触。在出筒过程中，随着航行体处于发射装置内的部分不断减少，航行体与发射装置之间接触方式不断发生变化。航行体出筒过程为变约束下多体动力学问题。
从受力特性的角度来看，出筒段航行体在尾部燃气作用下不断加速，阻力不断增大，从而在航行体内产生较大的轴向压载。对于锥型＋柱体外形航行体，出筒过程中在头锥过渡处形成肩空泡，随着航行体出筒肩空泡不断发展，在末端形成高压回射流，产生空泡回射压力脉冲，并向尾部移动。受到发射平台水平运动的影响，肩空泡不对称，在横向来流和空泡回射力、发射筒适配器支反力作用下，产生出筒横向载荷。对于流线型＋柱体外形航行体，流体动力特征主体上呈现全湿流态，由于发射平台水平运动在航行体迎背流面会产生压差，随着航行体运动与发射装置的接触不断变化，在水动力和适配器支反力作用下，产生出筒横向载荷。
相比空中飞行载荷，出筒载荷主要具有如下特征：
（1）载荷量值大：由于水的密度远大于空气密度（是地面空气密度的800多倍），航行体水下受到的横向、轴向外激励大于空中飞行段；
（2）动载荷：水下垂直运动航行体在水下运动时间较短，受到的主要水动力激励（如空泡回射压力、筒口后效压力）均表现出脉动压力特征，出筒过程伴随适配器脱落、穿越减震垫等影响系统频率的过程，也会激起航行体动态响应，从而产生动载荷；
（3）影响因素多：水下垂直运动过程出筒载荷影响因素包括水深、平台运动速度、航行体速度、海浪海流等多个要素，都会对航行体出筒过程中水动力带来影响，进而影响出筒载荷。
出筒段轴载主要受静压、动压、惯性力影响，其中静压主要与发射深度有关，动压主要与发射速度和头部阻力系数有关，惯性力包括结构惯性力和附加惯性力两部分，结构惯性力与结构质量、发射过载相关，而附加惯性力与轴向附加质量、发射过载有关。轴载的理论计算公式为T＝P0＋ρgh＋12ρV2Cd？Sm＋（ms＋ma）nxg－PinSin（11）式中，P0为当地大气压；ρ为海水密度；h为发射深度；V为航行体运动速度；Cd为航行体阻力系数；Sm为特征面积；ms为结构质量；ma为轴向附加质量；nx为运动过载；Pin为航行体内部压力；Sin为航行体内部压力所处截面面积。
由于平台运动速度的影响，会产生迎背水面压差，形成出筒弯矩载荷。在弯矩载荷计算中，将发射筒视为刚性边界，航行体与发射筒之间采用多道弹簧单元模拟弹性支承，随着航行体不断运动出筒，各道弹性支承方式不断发生变化，可根据航行体运动行程与支承位置的相对关系解除弹性支承约束，从而模拟在弹筒弹性支承方式下航行体的出筒过程。利用给定的航行体横向外力分布，建立水下垂直发射航行体发射系统动力学模型，基于结构运动方程的求解，计算出航行体各部段的载荷和弹性支撑支反力造成的压力，进而结合弹簧刚度*线计算得到弹性支撑压缩量。水动力输入采用仿真得到的定常分布水动力系数进行插值计算，航行体离散化后第i个分站的横向水动力计算公式为Fyi＝12ρV2i？Sm？
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