潜艇水平发射飞行器故障弹水弹道建模与仿真

潜艇具有隐蔽性好、机动范围大和生命力强的特点;飞行器具有飞行速度快、射程远和命中率高等特点。潜艇装备飞行器后则具有隐蔽性好、机动性好和进攻能力强等突出的优势[1]。因此，近几十年来潜射飞行器及其水下发射技术得到了飞速发展。发射条件是决定飞行器是否正常飞行和艇弹安全性的重要因素。因此，发射时刻对潜艇航速、偏航角、横摇角、纵摇角及海流、海浪等均有严格要求。潜艇水平发射有动力有控制飞行器，正常点火后，飞行器能快速远离潜艇出水，对潜艇安全性影响较小。但是，当飞行器水下点火故障时，即无动力情况，对潜艇安全性影响较大，这也对潜艇操纵稳定性提出了更高要求。水弹道设计是航行器设计的关键，水弹道仿真研究是弹道设计及预报的重要手段，是分析潜艇发射安全性的主要方法，也是发射时潜艇操纵控制方案的技术依据。

西北工业大学、潜艇学院等单位对潜艇发射安全性方面做了大量研究。张永、刘曜、胡德斌[2],针对潜空导弹运载器与导弹水面分离后下沉物砸艇问题提出了弹道设计方法,进行了仿真分析，提出了通过水下加装动力或无动力状态下加操纵舵两种方法，均可使运载器快速远离潜艇，可以有效解决分离体砸艇问题，但也仅仅对运载器在理想状态下水下运动学模型进行了研究。刘曜[3]利用波浪理论对运载器近水面航行时的弹道进行修正,讨论了波浪力(矩)对运载器出水姿态角的影响。杨继锋、刘勇志、刘丙杰[4]根据二维线性波理论发射坐标系下建立了波浪模型，借助有限元思想，在Matlab环境下仿真分析了导弹水中运动姿态变化规律。

国内可查阅的公开文献，大多研究的是潜艇水平发射运载器正常状态下，水下有控制下出水过程中其分离体对潜艇安全性影响的仿真分析。建立的水弹道模型大多只从运动学方程给予了详细的研究和阐述，但动力学方程非常简化。国内文献关于波浪对飞行器出水姿态的影响研究，也是采用如Matlab等成熟应用软件在实验状态下开展相关分析。

本文主要研究潜艇水平发射飞行器，飞行器点火故障无动力无控制情况，如何约束发射条件，避免故障弹碰艇给潜艇安全造成影响。全面分析飞行器水下力学环境，构建水弹道模型，尽量全面分析各发射条件对故障弹弹道的影响。

1 潜艇水平发射飞行器安全性控制方法

潜艇水平发射飞行器，首先保证潜艇和飞行器的安全，其次保证飞行器正常姿态出水，为空中正常飞行提供必要的初始条件。无论垂直发射的飞行器还是水平发射的飞行器(特别是垂直发射飞行器)，希望潜艇能悬停发射，这样可减少水下及出水过程中飞行器横向载荷及空化现象，可以有效改善飞行器水下力学环境。但是，潜艇在水下为保持自身的稳定，必须有一定的航速，才能保障操纵舵拥有一定的操纵力。因此，潜艇发射飞行器时，为确保艇及飞行器安全性，水中航行及空中飞行正常，必须研究潜艇在保证自身安全条件，发射时艇速、横摇角、纵摇角纵倾角对飞行影响。

根据潜射飞行器不同的发射方式，飞行器水下发射过程中的安全性问题一般有两种。有运载器飞行器正常发射后分离体砸艇；无运载器飞行器发射后故障弹(哑弹)碰艇。解决潜艇安全性问题采用两种途径：飞行器分离物或哑弹在潜艇安全区域之外下沉；飞行器分离物或哑弹在下沉过程中砸艇速度低于某个允许值。本文主要对无运载器的水下有动力有控制型飞行器，在发射后无法点火情况，对其下沉弹道开展仿真研究。

2 飞行器水弹道数学模型

2.1 水下力学环境分析

飞行器在水下主要受到外力有：重力G、浮力B、流体粘性力V、海流力F、艇艏扰流干扰力S。

飞行器坐标系下航行体所受到的三个方向的力和力矩为：

从基本导向来讲，课堂教学质量预警是学生、教师、教学管理人员等基于自身需求，以质量提升需求为导向，在教学质量风险发生之前，及时诊断问题、规避风险，不断改进教学质量；现阶段课堂教学质量评价主体往往是课堂之外的第三方，通常以绩效考核、政策制定、落实行政任务等预期目标为导向。正因为导向的差异性，课堂教学质量预警指标的设定往往注重阶梯性、常态化，而课堂教学质量评价指标更多聚焦的是总结性、考核性。

式中脚标B，G，V， F，S分别代表：浮力、重力、粘性力、海流力、艇艏扰流干扰力。

当我们说到译者身体体验的缺失，就不得不谈及传统翻译理论观。传统翻译理论强调作者的权威性和译者的隐形，对待原文要客观、忠实，因此译者的个人性和主观性就被压制。在西方，追求翻译的理性可以追溯到西方认知论的代表人物柏拉图和笛卡尔，乔姆斯基则是语言学领域的领军人物。柏拉图认为人类的感知体验不能保证经验的正确性。而且从感知体验中得到的信息总在变化且不具可靠性。笛卡尔则通过论证人类感知的限制，建立起一个丢弃感知却重视推论的语言系统。后来，乔姆斯基吸取了笛卡尔语言学的观点，以转换生成语法和注重语言结构而闻名。

进水流道模型试验水力损失的测试结果如表1所示。由于相似准则采用了λΔp=1。因此，换算至原型设计流量及最大、最小流量时的流道水力损失与模型试验结果一致，列于表2。试验结果表明，肘形进水流道水力损失与流量的平方接近于成正比关系。在实型流道最大流量工况，即Qmax=30.39m3/s时，水力损失为0.059m，水力性能良好。

对于哑弹，由于发动机没有点火，所以在整个下沉运动的仿真过程中，弹的质量、转动惯量、重心位置不变，重力在弹体系三个坐标轴上的分量为：

Fgx=-mgsinθ

Fgy=mgcosθsinφ

Fgz=mgcosθcosφ

飞行器在未出水之前，浮力和浮力矩不变，但在出水过程中浮力和浮力矩不断变化，而且这个量对弹道影响很大。给定外形，坐标系及弹轴与水面交点在弹体上坐标Xw就能计算出飞行器浮力FB和浮力臂XB，于是作用在飞行器上的浮力产生的各个分量为：

FBX=FBsinθ

飞行器质心速度v在弹体坐标系oxyz中的位置用攻角α和侧滑角β来表示，定义为：

FBZ=FBcosθcosφ

MBX=0

MBY=XBFBcosθcosφ

MBZ=-XBFBcosθsinφ

2.1.2 流体粘性力

首先，方志敏出生和成长于黑暗的时代。贪官污吏对工农群众的压榨，光怪陆离的选举把戏，苛捐杂税的重征、重租、重利的盘剥，帝国主义深入农村的侵略。工农群众的痛苦日益加深的社会状况，使方志敏一方面“受着压迫和耻辱的生活着”，另一方面则“不安于这黑暗的时日”，“我是一个黑暗的憎恶者，我是一个光明的渴求者。因为我所处的经济环境，和我对于崖的思潮的接受，故对于社会的吸血鬼们——不劳而食的豪绅地主资产阶级，深怀不满；而对于贫苦工农群众,则予以深刻的阶级同情。”[1](P15)憎恶黑暗，渴望光明，这就是方志敏之所以能树立为打破旧世界，建立新世界而献出自己一生的人生价值观的根本原因。

飞行器在流体介质中作任意运动的流体动力，在目前阶段还难以通过理论计算或者模型试验直接获得，只能在各种假设或模型化之下，把流体动力分解成为许多组成部分，分别通过理论计算或者模型试验获得，然后再进行综合以得到总的流体动力。在工程上，目前流体动力位置力一般都是通过水池或风洞试验获得，既包括理想流体位置力，也包括粘性位置力；流体动力阻尼力大多也是通过试验获得的，当阻尼力利用悬臂水池试验测得时，也包括了理想和粘性两部分阻尼力；流体惯性力目前模型试验困难，流体粘性对惯性力的影响相对较小，并且也难以精确计算，所以流体惯性力目前大多直接利用势流理论计算的理想流体惯性力。由于真实的流体都是粘性流体，为了使问题简化，把流体动力分解成为无粘性的理想流体以及由于粘性产生的粘性流体动力两部分，即：

V=Vi+Vμ

Μ=Μi+Mμ

A26wr+mvpyg-myguq

2.1.3 海流力

海流对水下航行器的影响和风场对于飞行器受力和弹道的影响类似，高博等[5]提出了一种利用B样条曲面对动态海流环境进行建模的方法，将海流对航行器能量消耗的影响作为约束函数应用到路径规划算法中，使航行器能够在路径的搜索过程中，综合考虑全局路径消耗和能量消耗，寻找能够实现目标函数最优的路径。还有文献对海流分布情况进行研究，刘恒魁[6]根据实测海流资料，对辽东湾近岸水域的海流特征作了初步分析。分析结果表明，该区属于非正规浅海半日潮流区；长兴岛和辽河口近岸水域的海流较强，流速可达1 kn以上。该湾潮流呈东南-西北向往复性流动。春季余流有按顺时针方向流动趋势。顾玉荷等[7]讨论了渤海及黄河口附近海域的海洋动力状况，潮流和风暴急流是输送黄河入海泥沙的主要动力。

本文计算海流力F，采用杨继峰等[8]提出方法，将海流视为稳定的流动。距海底z高度处飞行器切片受到海流的水平拖拽力为：

式中：Cw为阻力系数；Uz为距海底z高度处海流的流速；Ap为弹体迎流面的投影面积； g分别为流体重度和重力加速度。

2.1.4 艇艏扰流干扰力

将艇艏效应引起的速度与海流速度分量相叠加，按下列公式计算扰流引起的附加攻角和附加侧滑角：

“虽然马上就要离开工作生活了三年的这片热土，离开朝夕相处的学生、同事和朋友们了，但我的生命中已有了与二二二团不可分割的联系，今后无论身在何处，我将永远翘望、牵挂这里的一切。”援疆教师王文娟依依难舍之情溢于言表。□

按下列公式计算附加攻角和附加侧滑角引起的附加流体动力：

2.2 水下运动学方程

飞行器在水下的运动可以用六个参数进行描述：三个姿态角(俯仰角、偏航角、横滚角)，三个方向的位置(x、y、z)。

飞行器在空间作任意运动时，其运动特征可用弹体系oxyz的坐标原点o上的运动速度及绕质心的转动角速度表征。它们在弹体坐标系中为：

飞行器在空间中绕质心o的转动，改变了三个欧拉角。转动角速度三个分量与欧拉角变化率之间有下列关系式：

FBY=FBcosθsinφ

2.3 水下动力学方程

飞行器在水下作空间运动时，具有6个自由度，但要确定流体作用其上的力和力矩是很困难的。为此，通常把流体当作是理想，无界的，将飞行器与周围流体作为一个动力系统考虑流体作用其上的力和力矩，即把流体粘性产生的力作为外力考虑。因此，作用在弹体上的外力包括重力、浮力、流体粘性产生的力、发动机推力、波浪扰动力、海流力、自由面及艇艏绕流力等。

设质心在弹体坐标系中坐标为：

思雨根本就无法进入休息状态。他又从贴身的衣兜里把那根长发丝纸包拿出来，打开纸包,他想再一次像审犯人那样把这根长发丝审视审视。这根栗红色的美丽的长发丝，蜷缩在白纸上，泛着青春的光泽，像一束美丽的光线一样，美极了，让人浮想联翩。这根长发丝，一定是长在一位青春靓丽的美女头上。杜思雨看着这根长发丝出神，由憎恨、审视渐渐变成了欣赏喜爱。

于是飞行器空间运动方程组为[9]：

FX=

(m+A33)wq+(A35-Xgm)q2-(m+A22)vr-

其次，资本主义世界历史时代为未来社会提供了物质准备和阶级基础。资本主义大工业的发展为共产主义提供了世界性的巨大的生产力，而且“资产阶级不仅锻造了置自身于死地的武器；它还产生了将要运用这种武器的人——现代的工人，即无产者”[12]。所以，为实现人类的完全解放，必须依靠无产阶级的主体力量，以生产力和世界交往的普遍发展为客观物质基础，以解放的理论和全面教育为精神基础[13]。

(A24-mzg)pr-(A26+mxg)r2+mygpq

FY=

(m+A11)ur+A13ur+(A15+mzg)gr-A13up-

(m+A33)wp-(A35-mxg)pq-mygr2-mygp2

FZ=

(m+A22)vp+(A24-mzg)p2+(A26+mxg)rp-

这是一个美好的机缘，这是一次幸福的走访。在“走进广州好教育”系列丛书编写过程中，我们走进了中小学校，走进了广州好教育。

(m+A11)uq-A13wq-(A15+zgm)q2+mygrq

MX=

百安居中国目前外包给第三方物流的门店配送形式是从三大区域物流中心配送至全国38家门店，我选取了几家具有区域代表性的门店，绘制了百安居现在大致的配送路线全景图，配送线路总计120条，如下图2所示，可以更直观地感受到配送线路的烦琐与复杂，运输成本必然会相对较高。

(A33-A22)vw+A35vq-(A24-mzg)wp-

2.1.1 重力和浮力

V为粘性流体力，Vi 无粘性理想流体力，Vμ为粘性流体动力。M为粘性力矩，Mi为无粘性理想流体力产生的力矩，Mμ为粘性流体动力矩。

MY=

(A24-mzg)vr+(Jxx+A44)pr+(A46-Jzx)r2-

(A26+mxg)vp-(A46-Jzx)p2-(Jzz+A66)pr+

(A11-A33)wu+A13(w2-u2)+(A15+mzg)wq-

双及物构式对动词意义的压制主要表现在：原来动词没有“给予”意义，但进入双及物构式后，构式赋予了动词“给予”意义，比如“steal”表示“索取”义，没有“给予”义，但在下列的例句中，就表现出了“给予”义。

MZ=

A24vq-(Jxx+A44)pq+(A46-Jxz)qr+

(A22-A11)uv+A24up+(A26+mxg)ur-

A13vw-A15qv-mygwq+mygvr

(A15+mzg)ur-A35wr-(Jyg+A55)qr+A13uv+

式中：m是飞行器的总质量；Jxx 、Jyy 、Jzz是飞行器对ox、oy、oz轴的转动惯性矩；

(A35-mxg)uq

A11、A22、A33是飞行器轴向、横向和纵向的附加质量； A55、A66分别是关于oy和oz轴的附加惯量矩； A35、A26是附加转动惯量矩；

xg、zg是巡航弹瞬时重心在ox和oz轴上的坐标。

3 仿真数学模型有效性验证

模型验证采用直接比较的方法进行，即将飞行器实验弹道与仿真弹道进行比较，将试验数据与仿真数据的特征值进行比较。仿真之前，采用与真实实验相同的飞行器总体参数、初始发射条件、试验环境条件，进行多条次的实时仿真试验，并与相应的试验数据对比，确保模型有效。

通过对各条次姿态角仿真结果与实验结果进行比较，仿真试验结果与飞行试验变化趋势基本一致。其中一条次姿态角仿真试验数据与实验数据比较情况如图1。

图1 水弹道仿真数据与实验数据曲线

4 故障弹弹道仿真实验

4.1 仿真方案设计

影响哑弹弹道的因素有飞行器总体参数、发射条件和海洋环境。飞行器的总体参数包括：重心位置(m)、重量(M0)、重心下降量(Yg)、重心侧移量(Eg)、轴向转动惯量(JXX)、侧向转动惯量(Jyy)。在实际发射阶段，飞行器总体参数不可能再改变。海洋环境主要包括：海流、海浪。通过初步仿真计算，影响下沉运动的主要因素是艇速和弹离管速度。因此在设计仿真算例时，艇速和离管速度取不同值外(离管速度a为固定参考值)，其他值都恒定不变。具体仿真方案参数见表1。

我腿脚发软地跟着他们走上咿咿呀呀作响的小木桥。我该怎么办？我该怎么办？我一遍又一遍地问惊慌失措的自己。平时我自信自己是一个挺有主见的主儿，但在那天的那一刻，我才发现，自己其实很不怎么样的。

表1 仿真方案参数

序号艇速/节离管速度/(m·s-1)飞行器总体参数海流海浪12a+3恒定恒定23a+3恒定恒定34a+3恒定恒定45a+3恒定恒定55a恒定恒定66a+3恒定恒定76a恒定恒定87a+3恒定恒定97a恒定恒定108a恒定恒定119a恒定恒定

4.2 仿真结果分析

图2所示为离管速度为a+3 m/s，艇速分别为2，3，4，5，6,7节进行仿真计算，飞行器头部中心点a和弹尾中心点b在艇体系中的运动轨迹。图3所示为离管速度a m/s，艇速分别为5,6,7,8,9节时弹头a和弹尾b两点在艇体系中的运动轨迹。图2、图3用两个矩形框表示水平向和垂直向飞行器与艇可能会相碰的区域，只有两个矩形有重合，重合区域为飞行器可能会碰艇。

我们课题组前期多次发现苦参素可抑肝癌细胞增长，促其凋亡[17]，增强化疗药作用[18]。但确切机制尚未明确。我们研究发现苦参素能够下调ABCB1蛋白表达来改变HepG2/ADM抗药性[19]。另外，胥雄阳等[20]发现，苦参碱可在QGY/CDDP株通过下调MRP蛋白，加强顺铂作用，逆转耐药。以上研究表明苦参素可以下调ABCB1及MRP蛋白表达而逆转耐药，那么在本研究苦参素同样可以调控ABCG2低表达，提高阿霉素抗人肝癌耐药裸鼠移植瘤的疗效，部分逆转多药耐药，从而为临床治疗提供依据。

图2 离管速度a+3 m/s弹与艇相对位置

图3 离管速度a m/s弹与艇相对位置

从图3可以看出，艇速对砸艇可能性影响很大，对一定的离管速度，艇速越大，越容易砸艇。在离管速度为a+3 m/s时，从图2可以看出，艇速达到6节时也不会砸艇；如果离管速度为a m/s时，从图3可以看出艇速超过9节时，就可能碰艇。

离管速度对下沉弹道影响也是比较大的。从图2和图3可以看出对给定艇速，离管速度越大越不容易砸艇。

于是，在妍妍又一次“犯病”的时候，我把她带到医院，在她不知情的情况下和医生“串通”好。于是，就出现了文章开头的那一幕。

5 结论

本文在总结国内对潜艇发射航行器安全性仿真及海洋环境对潜射飞行器出水姿态影响相关研究的基础上，论述了潜艇发射安全性控制方法。针对潜艇水平发射飞行器，发射后飞行器故障无法点火，对潜艇安全威胁很大，通过水弹道仿真研究发射艇速对艇弹安全性的影响。详细分析了潜射飞行器水下力学环境，构建了飞行器水弹道模型，并对模型进行了有效性验证。通过算例，对潜艇水平发射的飞行器不点火情况，仿真分析了不同发射条件对碰艇的影响，该仿真方法也可用于靶场进行水弹道分析，可为水下发射相关战技指标的鉴定提供技术支撑。

参考文献：

[1] 葛晖,张宇文.潜射导弹运载器分离体砸艇概率仿真建模[J].西北工业大学学报，2005(2):23.

[2] 张永,刘曜、胡德斌.潜空导弹运载器水弹道及下沉物砸艇问题研究[J].舰船科学技术，2006(10):52-54.

[3] 刘曜.波浪对运载器出水姿态角的影响[J].舰船科学技术,2005(6):32-35.

[4] 杨继锋,刘勇志,刘丙杰.海浪对水下垂直运动航行体出水姿态的影响分析[J].海洋技术学报，2015(5):59-62.

[5] 高博.海流建模及其在路径规划中的应用[J].系统仿真学报,2010,22(4).

[6] 刘恒魁.辽东湾近岸水域海流特征分析[J].海洋科学,1990(2):22-27.

[7] 顾玉荷,修日晨.渤海海流概况及其输沙作用初析[J].黄渤海海洋,1996,14(1):1-6.

[8] 杨继峰,刘勇志.环境因素对潜射巡航导弹水中运动的影响研究[J].弹箭与制导学报,2014(8):30-31.

[9] 覃东升.某型导弹半实物仿真研究[D].西安：西北工业大学,2008.