陳慶貴，齊強，林琨山，周紅梅

（1．海軍航空工程學院，山東煙臺264001;2．中國人民解放軍91604部隊，山東龍口 265700）

0 引言

彈射起飛作為一種能在較短距離內使艦載機達到起飛速度的起飛方式，已成為航母艦載機的主要起飛方式之一［1］，而蒸汽彈射又是艦載機彈射起飛方式之一。蒸汽彈射技術目前已較為成熟，蒸汽彈射動力裝置已廣泛應用于彈射飛機［2］。蒸汽彈射系統(tǒng)主要由儲汽罐、發(fā)射閥、排氣閥、汽缸、活塞驅動組件、往復車及其連接機構以及水平制動裝置等部分組成。本文將導彈發(fā)射內彈道原理［3］應用于艦載機的彈射過程，建立了艦載蒸汽彈射內彈道設計和計算模型［3］，并進行了仿真計算。

1 蒸汽彈射內彈道設計

1.1 內彈道設計基本要求

1）彈射系統(tǒng)必須保證所要求的飛機離艦速度。

2）飛機運動的水平加速度小于或等于某一允許值，并盡量使飛機運動平穩(wěn)。

3）汽缸內工質氣體壓力小于或等于某一允許值。

1.2 內彈道設計基本關系式［3］

為了簡化計算，在進行內彈道設計時作如下假設和工程處理: 1）假設飛機作勻加速運動，忽略牽制力的影響。2）忽略狀態(tài)方程中高次項和反映分子體積參數的影響。

3）以濕式儲汽罐為研究的動力源，儲汽罐內壓力取彈射開始和彈射終了的平均值。

4）蒸汽在管道內的流動視為一維流動。

1.2.1 有效彈射工作時間

從閥門打開到動力沖程完了所需時間為有效彈射工作時間，可由下式求得:

式中:tM為從閥門打開到飛機剛要運動所需時間; te″=2le/ve為從飛機開始運動到關閉進氣閥所需時間;ε為考慮彈道性能所取的修正量，一般取ε≤0。1.2.2飛機運動的平均加速度與最大加速度

最大加速度為

式中:ve為艦載機的離艦速度;le為動力沖程;k= amax/a—為最大加速度與平均加速度的比值。

1.2.3 汽缸內平均壓力與最大壓力

式中:M為艦載機與活塞的總質量;xk為動能系數; St為汽缸缸徑;z為阻力系數。

1.2.4 進入汽缸的有效蒸汽量

由于采用濕式儲汽罐，工質氣體在汽缸內膨脹做功后處于濕蒸汽狀態(tài)。又假設飛機在艦上作勻加速運動，利用v2=2al=2ngl，可得如下方程:

將式（7）帶入式（6），得

當l=le時，則可得動力沖程完了時進入汽缸內的有效蒸汽量為

式中:l0為初始容積當量長度;ΔH為水的汽化潛熱; v″為過熱蒸汽的比容;xe為能量系數;cl為水的比熱;xp為壓力系數。

1.2.5 儲汽罐壓力的確定

儲汽罐內的壓力應根據缸內壓力Pt的要求和氣動力特性來確定。根據一維等熵管流假設，可按臨界截面的流量公式計算進入汽缸內的蒸汽流量，則

根據氣體動力學特性，使式（10）成立的壓力比必須是

將式（11）用于彈射系統(tǒng)，則

式中:Ma為馬赫數;P∞為儲汽罐內初始壓力;k為水蒸氣絕熱指數。

2 蒸汽彈射內彈道計算

2.1 內彈道方程

蒸汽彈射內彈道方程［3］如下:

2.2 數值積分關系式

根據泰勒級數展開式，飛機運動的行程和速度為

2.3 蒸汽量方程

蒸汽從儲汽罐經發(fā)射閥流入汽缸，其蒸汽量按下式計算:

式中:φ為流量系數;a為與流動有關的無因此系數; σk為發(fā)射閥喉部截面積;T0為總溫;P∞為儲汽罐中初始壓力。

3 算例與分析

用MATLAB語言［4］對內彈道方程，數值積分關系式和蒸汽量方程進行編程，并以某型飛機為例，對其內彈道方程進行求解計算。仿真結果見圖（1）～圖（6）。

3.1 計算結果分析

從表1可以看出，設計參數與計算參數二者的誤差最小為0.34%，最大為7.9%，且飛機末速度的誤差較小。設計與計算存在差別是不可避免的，這是因為在進行內彈道設計時作了一些簡化處理。

3.2 變化規(guī)律分析

1）蒸汽量和位移變化規(guī)律基本一致，呈二次曲線規(guī)律變化，說明所假定的供汽方案基本滿足要求。

2）飛機運動速度近似呈直線規(guī)律變化，說明飛機在艦上作準勻加速運動。

3）加速度與壓力變化規(guī)律一致，在飛機運動初始階段飛機運動較慢，加速度增加較快，隨著飛機運動的加快，缸內空間的增加超過蒸汽供應，使壓力降低，從而使加速度降低。

4 結語

本文建立了艦載機蒸汽彈射內彈道設計與計算模型并進行了仿真計算，驗證了模型的準確性。對于蒸汽彈射技術，國外已有較成熟的技術并在航母上得到廣泛應用。目前，國內對于蒸汽彈射技術的研究與國外還有一定差距。因此，需要進一步加強對蒸汽彈射技術的研究，尤其是蒸汽供應規(guī)律的研究。

［1］王俊彥．艦載機彈射起飛技術的應用與發(fā)展［J］．科技信息，2009，23:430．

［2］白建成．蒸汽彈射內彈道數學模型［J］．中國造船，2001，42（3）:101－104．

BAI Jian-cheng．Mathematic model for interior trajectories of steam launchers［J］．Shipbuilding of China，2001，（3）:101－104．

［3］趙險峰，王俊杰．潛地彈道導彈發(fā)射系統(tǒng)內彈道學［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2000．

［4］劉衛(wèi)國．Matlab程序設計與應用［M］．北京:高等教育出版社，2006．