張 永，逄洪照，黃 波，張宏凱

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

氣動不平衡發(fā)射裝置發(fā)射水雷內(nèi)彈道特性

張 永，逄洪照，黃 波，張宏凱

(海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042)

布雷是潛艇的主要作戰(zhàn)使命之一。潛艇發(fā)射水雷通常依附于魚雷發(fā)射平臺，發(fā)射過程中常常伴隨著許多不確定性，由于魚雷與水雷在物理尺度及動力裝置上的差異性，在發(fā)射過程中存在著較大的差異性，實現(xiàn)安全隱蔽發(fā)射更具復(fù)雜性，特別是發(fā)射開關(guān)的運(yùn)動特性對發(fā)射時的安全性影響特別顯著。本文基于氣動不平衡式發(fā)射裝置的基本特點，通過彈道建模并利用Simulink軟件建立了彈道仿真平臺，重點研究了發(fā)射氣瓶狀態(tài)參數(shù)和發(fā)射開關(guān)運(yùn)動特性對彈道參數(shù)的影響，獲得了彈道仿真結(jié)果。

氣動不平衡式發(fā)射裝置;水雷;數(shù)學(xué)模型;彈道仿真

0 引言

氣動不平衡式發(fā)射裝置通常是潛艇采用的武器發(fā)射平臺之一，其主要功能是發(fā)射魚雷并兼顧到發(fā)射水雷。由于魚雷與水雷在物理尺度及動力裝置上的差異性，在發(fā)射過程中，水雷在發(fā)射管內(nèi)的運(yùn)動特性與魚雷的運(yùn)動特性相比，存在著較大的差異性，實現(xiàn)安全隱蔽發(fā)射更具復(fù)雜性。為此，本文針對水雷外形特點及水雷的發(fā)射控制方式，對水雷在發(fā)射管內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行仿真研究。

1 發(fā)射過程描述與建模

氣動不平衡式發(fā)射裝置主要由發(fā)射管、發(fā)射開關(guān)和發(fā)射氣瓶組成。當(dāng)水雷裝填發(fā)射管內(nèi)后，前雷與后雷由連接器實現(xiàn)連接，后雷被發(fā)射管后蓋上的控制機(jī)械制動。發(fā)射時，發(fā)射開關(guān)打開，儲存在發(fā)射氣瓶內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入發(fā)射管內(nèi)建立壓力作用在水雷上，當(dāng)發(fā)射管內(nèi)的壓力達(dá)到一定值時，連接器解脫對前雷的控制，在發(fā)射管內(nèi)壓力的作用下前水雷出管。對發(fā)射裝置重新進(jìn)行準(zhǔn)備并打開發(fā)射開關(guān)，發(fā)射氣瓶內(nèi)的壓縮空氣再次進(jìn)入發(fā)射管內(nèi)將后雷推出發(fā)射管。為便于對研究過程解析，將發(fā)射過程視為2個開口環(huán)節(jié):發(fā)射氣瓶環(huán)節(jié)和發(fā)射管環(huán)節(jié)。其原理模型如圖1所示。

圖1 氣動不平衡式發(fā)射裝置發(fā)射原理模型圖Fig.1 Thero of the aerodynamic non-balance torpedo launcher

1.1 發(fā)射氣瓶環(huán)節(jié)工作特性分析與建模

式中:k為絕熱指數(shù);PB為發(fā)射氣瓶內(nèi)壓縮空氣瞬時壓強(qiáng);MB為發(fā)射氣瓶內(nèi)壓縮空氣的瞬時質(zhì)量;TB為發(fā)射氣瓶內(nèi)壓縮空氣瞬時溫度。

1.2 發(fā)射管環(huán)節(jié)工作特性分析與建模

發(fā)射時，發(fā)射氣瓶內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)發(fā)射開關(guān)進(jìn)入發(fā)射管內(nèi)做功推動水雷運(yùn)動，因水雷在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動時間較短，故忽略壓縮空氣與海水和發(fā)射管管壁的熱交換，則發(fā)射氣瓶進(jìn)入發(fā)射管內(nèi)的能量方程為:

式中:Uc為發(fā)射管內(nèi)瞬時壓縮空氣的內(nèi)能;U0為水雷運(yùn)動前發(fā)射管內(nèi)空氣的內(nèi)能;Hi為發(fā)射開關(guān)注入到發(fā)射管中的焓;Ho為通過泄水管流出的焓;Wt為壓縮空氣推動水雷出管所做的功;Ws為水雷和發(fā)射管間隙溢出海水所做的功。

將式(2)變換可得發(fā)射時發(fā)射管內(nèi)壓縮空氣的瞬時壓力(pc)和溫度(Tc)變化的方程式為:

式中:Mc為發(fā)射管中瞬時壓縮空氣的質(zhì)量;Vc為發(fā)射管內(nèi)瞬時充氣容積;Cv為空氣的定容比熱。

壓縮空氣在發(fā)射管內(nèi)做功，推動水雷在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動，水雷不僅受到摩擦阻力的影響，還受到靜水阻力和動水阻力的影響。因此，水雷在發(fā)射管內(nèi)所受的阻力為:

式中:RH為靜水壓力;RS為動水壓力;Rf為摩擦阻力。

基于發(fā)射時水雷的受力分析，令壓縮空氣做功推動水雷開始移動所需的壓力為pT，則水雷運(yùn)動產(chǎn)生加速度的方程式為:

式中:MT為水雷的虛擬質(zhì)量。

也就是到了學(xué)校，表姐才發(fā)現(xiàn)自己特別喜歡給人講故事。還是故事好，雖然都是別人的，里面卻少不了自己的影子，都能反射現(xiàn)實。

發(fā)射時水雷沿著發(fā)射管內(nèi)的導(dǎo)軌運(yùn)動，其位移方程式為:

2 水雷內(nèi)彈道仿真與結(jié)果分析

圖2 發(fā)射氣瓶環(huán)節(jié)Simulink仿真模型圖Fig.2 Simulation picture of the transmission gas bottle

2.1 發(fā)射氣瓶環(huán)節(jié)仿真與結(jié)果分析

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，發(fā)射氣瓶環(huán)節(jié)Simulink仿真系統(tǒng)見圖2。發(fā)射時注入發(fā)射管內(nèi)氣體質(zhì)量仿真模型見圖3。發(fā)射時發(fā)射開關(guān)運(yùn)動行程仿真模型見圖4。

通過輸入發(fā)射氣瓶和發(fā)射開關(guān)的初始狀態(tài)參數(shù)及發(fā)射深度、發(fā)射時艇速等發(fā)射參數(shù)，可分別求出發(fā)射管內(nèi)壓力、調(diào)整墊圈厚度對發(fā)射氣瓶內(nèi)壓力影響的仿真曲線如圖5和圖6所示。基于仿真結(jié)果可以看出:

圖6 不同發(fā)射深度發(fā)射開關(guān)運(yùn)動行程仿真曲線圖Fig.6 Moving distance simulation of the transmission switch in different depth

1)發(fā)射時發(fā)射開關(guān)打開的持續(xù)時間隨發(fā)射深度的增加而增加，發(fā)射深度越大，發(fā)射開關(guān)開啟的時間越長;

2)發(fā)射時發(fā)射開關(guān)打開的位移量與發(fā)射深度的關(guān)系不顯著;

3)調(diào)整墊圈厚度改變，發(fā)射時對發(fā)射氣瓶內(nèi)瞬時壓力的影響顯著，對發(fā)射開關(guān)運(yùn)動行程的影響不顯著。

2.2 發(fā)射管環(huán)節(jié)仿真與結(jié)果分析

基于發(fā)射氣瓶環(huán)節(jié)仿真結(jié)果，發(fā)射管環(huán)節(jié)建立的Simulink仿真系統(tǒng)如圖7所示。根據(jù)發(fā)射初始條件和狀態(tài)參數(shù)，改變模型中相應(yīng)積分模塊的初始值，發(fā)射前雷時獲得的發(fā)射管內(nèi)壓力和水雷出管速度仿真曲線如圖9所示。

圖7 發(fā)射管環(huán)節(jié)建立的Simulink仿真系Fig.7 Simulation system of the launching tube unit

在發(fā)射氣瓶容積和發(fā)射開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，基于仿真結(jié)果可知，①發(fā)射氣瓶內(nèi)的初始壓力越高，發(fā)射管內(nèi)的壓力越高;② 發(fā)射氣瓶內(nèi)的初始壓力越高，水雷獲得的運(yùn)動速度越大。

3 結(jié)語

本文針對潛艇發(fā)射水雷的技術(shù)特點，通過彈道建模，利用Simulink軟件對氣動不平衡式發(fā)射平臺發(fā)射前、后水雷的彈道特性進(jìn)行了仿真，主要研究分析了發(fā)射氣瓶狀態(tài)參數(shù)和發(fā)射開關(guān)運(yùn)動特性對水雷內(nèi)彈道的影響。研究結(jié)果表明，發(fā)射氣瓶的狀態(tài)參數(shù)和發(fā)射開關(guān)的運(yùn)動特性，對水雷的內(nèi)彈道參數(shù)(發(fā)射管內(nèi)壓力、水雷的運(yùn)動速度)影響顯著。

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Research on interior trajectory characteristics of the seamine launched by the aerodynamic non-balance torpedo launcher

ZHANG Yong，PANG Hong-zhao，HUANG Bo，ZHANG Hong-kai
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266071，China)

The minelaying is the one of the main battle mission of the submarine.The minelaying depends on the torpedo launcher.The kinematic situation of the transmission switch on the launher markedly affects the safety when launching the seamine.The equation type of mathematic model for the seamine interior trajectory is established by the Simulink software in the paper，which based on the basal characteristics of the aerodynamic non-balance torpedo launcher.The status parameter of the transmission gas bottle and the characteristics of the transmission switch is especially researched which affects the parameter of the interior trajectory in the paper.

aerodynamic non-balance torpedo launcher;seamine;interior trajectory characteristics;simulation

TJ6

A

1672－7649(2011)12－0093－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.022

2011－03－17;

2011－05－06

張永(1975－)，男，碩士，講師，研究方向為水中兵器發(fā)射技術(shù)及魚雷技術(shù)。