0 引言

航行体超空泡技术是指在空化器和人工通气的共同作用下，形成一个包裹自身的大型气泡，以此来大幅度降低摩擦阻力，从而使得水下航行体获得90%的减阻量[1]。借此，水下航行体的速度可提高到100 m/s以上[2-3]，这种减阻水平将对水下武器的研制产生巨大的影响。但由于超空泡航行体流场的特殊性与复杂性，使得该技术在实际应用中面临诸多挑战，其中在超空泡状态下航行体能否机动或者机动过程中弹道是否稳定成为目前研究的热点，国内外很多学者对此开展了大量的研究。

近年来，国外学者Kirschner等[4]和Vasin[5]基于势流理论预测空泡形态，简化系列数学模型，构建了最基本的超空泡航行体动力学模型。Kulkarni等[6]和Kirschner等[7]基于单自由度研究了无控条件下超空泡射弹的运动过程，获得了其动力学行为，掌握了航行体水平航行的一些典型特征参数变化规律。Geol等[8]采用空泡膨胀独立性原理的方法，在考虑空泡记忆效应的基础上，获得了超空泡航行体尾部滑行的非线性力，建立了超空泡航行体非线性动力学模型。Vanek等[9]研究了超空泡航行体6自由度运动，在小扰动线性化的基础上分析了运动稳定性，发现纵向和横向在无控条件下运动均处于稳定状态。国内学者对超空泡状态下的弹道特性也进行了大量研究，蒋运华等[10]采用理论和数值模拟相结合的方法，考虑航行体与空泡之间的相互关系，建立了水动力计算方法和动力学方程，获得了巡航段水平面弹道特性。文献[11-13]基于流场数值模拟方法和运动学方程，建立了超空泡航行体动力学仿真模型，获得了超空泡航行体巡航状态下纵平面内的动力学行为，发现超空泡航行体在无控条件下仍具有一定的稳定性。曹伟等[14-15]建立了自然超空泡航行体在纵平面内简化的运动方程，编制了相应的弹道程序，并对其在100 m/s左右速度区段内的典型弹道特性进行了分析，实现了定深直航、变航向、变深度等典型弹道机动。冯光等[16]应用细长体理论获得了超空泡航行体的流体动力，进行了动力学建模，仿真并获得了超空泡航行体的运动弹道。从上述研究成果可以看出研究超空泡状态下弹道特性的必要性，但在弹道特性研究中，空泡形态和流体动力主要采用经典的势流理论经验公式或者数值模拟方法获得，建立的动力学模型也进行了大量简化处理，未经试验验证，因此迫切需要采用试验研究这种最能真实反映物理流动过程的方法开展研究。

本文主要通过建立的一套水下高速航行试验装置，通过试验研究的方法开展预置舵角下水下航行体高速自由航行试验，通过高速录像观察航行体水下高速航行过程的空泡演化规律，通过内测装置测量了航行体运动参数，在上述数据的基础上分析了超空泡航行体机动过程弹道特性。

1 试验装置与方法

超空泡航行体水下高速航行过程试验示意图见图1. 开展试验时，将试验模型安装在发射管内，通过发射架将发射管安放在水下要求的深度，发射炮以不同的压力发射，使试验模型产生不同的水下航行速度，用高速摄像系统记录入水过程空泡流场演化过程，用内测装置测量试验模型的运动姿态；航行体在水下高速运动一段时间后，在空泡未能包裹航行体现象出现之前，将被回收防护装置一并回收。

图1 超空泡航行体自由航行过程试验示意图Fig.1 Schematic diagram of free motion experiment of supercavitating vehicle

其中，试验水池长70 m、宽44 m、深10 m；试验模型在水下高速航行后，为避免在试验过程中对水池底部或壁面造成破坏，采用悬挂钢板方式对模型实施拦截；发射装置包含发射炮、发射架和高压气体压缩机3部分，加速炮管(内径100 mm，长6 000 mm)管口设置有隔水薄膜，其工作原理为：将一定量的氮气注入有限体积的炮腔内，调节阀门并通过气压表标定气压强度，使试验模型在恒定气压的持续作用下经加速炮管加速到一定速度后射入水池。

测量运动参数时，选取以发射点为零点的地面坐标系OXYZ，以及建立原点位于航行体质心的弹体坐标系oxyz来描述超空泡航行体运动，起始运动时刻，地面坐标系和弹体坐标系零点重合。

6自由度运动系统采用模块化设计，3个通道的加速度计通过延长线与主板连接，加速度计模块采用单面电路板设计，用两个螺钉刚性连接在内测支架上，以有效避免主电路板自身振动带来的影响。内测装置主要技术指标为：轴加速度计，量程：70 g；轴角速率陀螺，量程：2 000°/s；采样精度：16位；采样率：3 kHz(6通道同步)；容量：128 KB，最大采样率时可存储约3.5 s数据。

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