Page 21 - 《爆炸与冲击》2026年第01期

第 46 卷 李 尧，等： 结构体高速倾斜入水的尾拍载荷及姿态稳定性 第 1 期

泡溃灭前的前置尾拍已经让倾躺的结构体尾部大部分均匀沾湿，空泡溃灭时空泡壁击打结构体的载荷
分布相对更加均匀，导致了空泡溃灭阶段入水载荷峰值随入水倾角的增大而显著升高的规律。正是由
于空泡溃灭阶段 90°倾角入水时沾湿面集中在法向一侧，侧向沾湿面显著小于全沾湿的 60°倾角入水工
C z 峰值随入水倾角增大而减小的变化规律。
况，导致了该阶段
为研究入水全过程的过载载荷，评估结构体以不同倾角入水后渡过入水砰击载荷后的稳定段载荷
大小。定义过载力系数为入水砰击后入水结构体过载加速度对应的无量纲过载力系数，采用式 (10) 计
算，式中 a 分别取各工况下入水结构体过载加速度 a x 、 a y 、 a z 。图 8 为不同入水倾角下的过载力系数曲
i
线。可以看出：轴向过载系数的绝对值随着入水倾角的增大而增大，但不同入水倾角下的法向过载系数
近似于一个常数；从变化幅值看，轴、法向过载系数对入水倾角的变化均不敏感。

0.6 0.20
C x Axial
0.15 Normal
0.5
C y
Peak resistance coefficient 0.4 Overload coefficient −0.05 0
0.10
C z
0.05
0.3
−0.10
0.2
−0.15
−0.20
0.1
−0.25
0 −0.30
60 65 70 75 80 85 90 55 60 65 70 75 80 85 90 95
θ/(°) θ/(°)
图 7 空泡溃灭阶段三向阻力系数峰值（绝对值） 图 8 入水结构体轴、法向过载力系数曲线
Fig. 7 Peak three-directional resistance coefficients (absolute Fig. 8 Axial and normal overload force coefficients of the water
values) during the cavity collapse stage entry vehicle

2.2.2 入水倾角对尾拍力矩的影响
C mz ：
将入水结构体三向力矩进行无量纲化处理得到滚转、偏航和俯仰力矩系数 C mx 、 C my 和
M i
C mi = (i = 1,2,3) (11)
2
0.5ρv S L pro
式中：C 为无量纲三向力矩系数，M 为三向力矩，计算结构体力矩系数时，对于 i=1,2,3，C 分别为滚
i
i
i
m
m
i M z ，即转动舵受到的
转、偏航和俯仰力矩系数 C mx 、 C my 和 C mz ，M 分别为转动舵实时三向力矩 M x 、 M y 、
水压力的三向合力对转动舵舵轴的力矩；S 取为 S ； L pro 为入水结构体总长。
pro
自高速入水空泡形成至空泡溃灭全过程入水结构体滚转、偏航和俯仰力矩系数（质心坐标系）曲线
如图 9 所示，根据空泡溃灭阶段和尾拍阶段不同的特征分别绘制了尾拍、空泡溃灭阶段的三向力矩系数
C mx 高一个数量级，显然高速入水全过程中入
时历曲线。俯仰、偏航力矩系数 C mz 、 C my 较滚转力矩系数
水结构体受到的偏航、俯仰力矩远高于滚转方向。对比各尾拍及空泡溃灭阶段的三向力矩可知，入水
C my 相较于入水砰击、首次尾拍和二次尾拍阶段均高出两个数量
结构体在空泡溃灭阶段的峰值 C mx 、
级。因此，入水结构体入水全过程滚转、偏航方向力矩的最危险工况均为空泡溃灭阶段。俯仰力矩系数
C mz 在入水砰击、首次尾拍、二次尾拍和空泡溃灭阶段均出现峰值，其最大值仍发生在空泡溃灭阶段。
C mz 峰值对入水倾角的变化不敏感。
入水砰击、首次尾拍 C mz 峰值随入水倾角的减小而增大，二次尾拍的
对于细长入水结构体而言，头部触水点可以看作结构受载荷的支点，尾拍载荷作用在结构体尾部，受
力分解后对头部触水点取距后将获得较大数值的俯仰、偏航力矩，会导致结构体因纵轴方向发生较大
的弯曲变形甚至折断。空泡溃灭阶段峰值力矩发生在尾空泡收缩击打结构体尾部时刻，水击载荷的作
用位置与尾拍相近，为了避免结构体折断，将空泡溃灭阶段作为最危险工况能够实现对力矩载荷的设计
包络。

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