盧丙舉，朱 珠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

潛空導(dǎo)彈垂直發(fā)射出筒適配器受載變形仿真研究

盧丙舉，朱 珠

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

針對(duì)適配器方案發(fā)射的潛空導(dǎo)彈，建立導(dǎo)彈水下垂直發(fā)射橫向動(dòng)力學(xué)模型和出筒過程載荷計(jì)算方法并進(jìn)行數(shù)值分析，研究潛空導(dǎo)彈垂直發(fā)射出筒過程中，航速、適配器剛度等發(fā)射條件對(duì)適配器的受載情況及壓縮量的影響，對(duì)潛空導(dǎo)彈及其它戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈水下垂直發(fā)射以及適配器設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

水下垂直發(fā)射；橫向動(dòng)力；適配器載荷；適配器變形

0 引 言

潛艇在水下利用魚雷發(fā)射裝置發(fā)射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)日趨成熟，目前潛空導(dǎo)彈主要采用魚雷管水平發(fā)射技術(shù)。但由于潛艇空間有限，目前大多數(shù)常規(guī)潛艇和核潛艇僅有幾具魚雷發(fā)射管，潛艇執(zhí)行任務(wù)時(shí)除了潛空導(dǎo)彈外，還需要裝載魚雷、反艦導(dǎo)彈、自航誘餌、無人機(jī)等武器，若這些武器僅靠魚雷管發(fā)射，必須解決這些潛載武器的爭(zhēng)管問題[1]。解決該問題的最佳途徑之一就是采用垂直發(fā)射方式發(fā)射潛空導(dǎo)彈。

潛空導(dǎo)彈采用垂直發(fā)射方式，既可以避免與魚雷爭(zhēng)管，且具有貯彈量大、反應(yīng)時(shí)間短、水中彈道簡(jiǎn)單、易于控制、可靠性高、出水速度快、便于全方位發(fā)射和齊射和飽和攻擊等明顯的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高潛艇的綜合作戰(zhàn)能力，增大對(duì)空打擊效果和突然性[2-3]，是未來潛空導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)的發(fā)展方向[4]。

潛空導(dǎo)彈垂直方式發(fā)射過程中，由于潛艇速度的影響，導(dǎo)彈從彈頭露出發(fā)射筒口開始就受到橫向流的作用，而且隨著導(dǎo)彈出筒部分的增加而增大，并使導(dǎo)彈傾斜，影響導(dǎo)彈出筒姿態(tài)。適配器作為彈、筒間氣密裝置，具有適配、氣密、導(dǎo)向和橫向支撐的功能以及補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)。為了保證導(dǎo)彈出筒姿態(tài)，要求適配器具有導(dǎo)向作用[5]。因此有必要研究潛空導(dǎo)彈發(fā)射過程中，適配器的受載以及壓縮變形情況。

對(duì)于垂直發(fā)射橫向動(dòng)力的研究，趙世平[2]研究了橫向流對(duì)潛艇垂直發(fā)射導(dǎo)彈的影響，采用簡(jiǎn)化模型，研究了艇速、適配器剛度和導(dǎo)彈垂向運(yùn)動(dòng)速度等發(fā)射條件對(duì)潛載垂直發(fā)射導(dǎo)彈在橫向流作用下的受力和出筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響，提出了減小橫向流對(duì)導(dǎo)彈影響的途徑。尚書聰[6]仿真分析了 2 種橫向支撐方式對(duì)導(dǎo)彈的出筒過程中的力學(xué)特性，結(jié)果表明適配器方式的出筒姿態(tài)較好但是彈體受到的載荷更大。

本文針對(duì)適配器方案，通過建立潛空導(dǎo)彈橫向動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值分析，研究艇速、適配器剛度等發(fā)射條件對(duì)垂直發(fā)射潛空導(dǎo)彈的受力和出筒姿態(tài)的影響，對(duì)潛空導(dǎo)彈的及垂直發(fā)射載荷具有指導(dǎo)意義。

1 適配器變形模型

適配器的變形是由于導(dǎo)彈出筒過程中對(duì)適配器的擠壓造成的。為了確定適配器在導(dǎo)彈出筒過程中的變形，以 1 個(gè)適配器的右側(cè)為例建立適配器的變形模型（見圖 1）。

若適配器的高度為 hs，適配器厚度為 d，發(fā)射筒上端右側(cè)點(diǎn)為點(diǎn) A，適配器上、下端面內(nèi)側(cè)點(diǎn)為 B，C。在導(dǎo)彈發(fā)射前，B，C 在發(fā)射筒坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為（b，R）（b–hs，R），A 在發(fā)射筒坐標(biāo)系和彈體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)相同，為（a，R）。

在發(fā)射筒坐標(biāo)系中，有以下相對(duì)位置關(guān)系：如果x0A≥ x0B，適配器完整作用于發(fā)射筒；如果 x0C＜ x0A＜ x0B，適配器部分作用于發(fā)射筒；如果 x0A＜ x0C，適配器完全脫離了發(fā)射筒。

這里只考慮變形與變形量成線性關(guān)系的情況。

式中 k1為線性剛度。

3 運(yùn)動(dòng)方程組

取導(dǎo)彈的質(zhì)心為彈體坐標(biāo)系原點(diǎn)，在彈體坐標(biāo)系中建立導(dǎo)彈平面運(yùn)動(dòng)方程組：

式中：m，Jz為導(dǎo)彈質(zhì)量和繞 oz 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Y，Mz為流體法向力和俯仰力矩；λ22，λ66和λ26分別為流體法向附加質(zhì)量，繞 oz 軸的附加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和附加靜矩；YS為適配器變形產(chǎn)生的在彈體坐標(biāo)系中對(duì)發(fā)射筒的法向作用力，與適配器變形作用力方向相反，YS= –Fy。

4 計(jì)算模型

計(jì)算模型為某潛空導(dǎo)彈，沿導(dǎo)彈軸向安裝四圈適配器，各圈適配器出筒過程如圖 2 所示。

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 航速影響

針對(duì)某潛空導(dǎo)彈外形，四圈適配器支撐的情況下，對(duì)潛艇基準(zhǔn)航速、2 倍基準(zhǔn)航速以及 2.5 倍基準(zhǔn)航速條件下進(jìn)行橫向動(dòng)力計(jì)算。圖 3 為不同航速度下的彈體的出筒姿態(tài)。

從圖 3 可看出，彈動(dòng)后，潛空彈的角速度與角度隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間逐漸增大，在彈質(zhì)心出筒后開始顯著變化，直至彈出筒，不同航速條件下，潛空彈的運(yùn)動(dòng)參數(shù)趨勢(shì)一致，角速度與角度隨著航速的增大而增大，且角速度的振幅隨航速增大而增大。

各圈適配器的力與力矩曲線如圖 4 示。各圈減震墊的壓縮量隨筒內(nèi)行程變化曲線如圖 5 所示。

從圖 4 和圖 5 可看出，基準(zhǔn)航速時(shí)，各圈最大抗壓受載分別為 1 880 N，6 441 N，1.81 × 104N 和 1.79 × 104N，相應(yīng)的最大變形分別為 0.60 mm，0.99 mm， 4.31 mm，3.12 mm，各圈適配器的最大抗彎受載分別為 2 346 N·m，863.6 N·m，1.76 × 104N·m，2.60 × 104N·m； 2 倍基準(zhǔn)航速時(shí)，各圈最大抗壓受載分別為 4 987 N，1.64 × 104N，4.14 × 104N 和 2.94 × 104N，相應(yīng)的最大變形分別為 1.57 mm，2.51 mm，9.77 mm，6.68 mm，各圈適配器的最大抗彎受載分別為：6 204 Nm，2 193 Nm，4.04 × 104N m，6.13 × 104N m，2.5 倍基準(zhǔn)航速時(shí)，各圈最大抗壓受載分別為 7 041 N，2.30 × 104N，5.72 × 104N 和4.05 × 104N，相應(yīng)的最大變形分別為 2.22 mm，3.54 mm，13.5 mm，9.13 mm，各圈適配器的最大抗彎受載分別為：8 760 N·m，3 088 N·m，5.58 × 104N·m，8.42 × 104N·m；可見適配器抗壓受載第 3 圈適配器最惡劣，第 3 適配器變形最大，第 4 適配器的抗彎受載最大。隨著航速的增大，各圈適配器的力與力矩以及壓縮量的最大值均增大。

5.2 適配器剛度影響

針對(duì)某潛空導(dǎo)彈外形，四圈適配器支撐的情況下，進(jìn)行適配器剛度 6 × 106/1 × 107/1.5 × 107N/m 條件下的橫向動(dòng)力計(jì)算。圖 6 為不同適配器剛度下的彈體的出筒姿態(tài)。

從圖 6 可看出，彈動(dòng)后，潛空彈的角速度與角度隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間逐漸增大，在彈質(zhì)心出筒后開始顯著變化，直至彈出筒，不同適配器剛度條件下，潛空彈的角速度、角度趨勢(shì)一致，角速度、角度隨著適配器剛度的增大而減小。而且隨著適配器抗壓剛度的增大，俯仰角和俯仰角速度的振動(dòng)頻率增大，振幅增大，姿態(tài)變化明顯下降。

各圈適配器的力與力矩曲線如圖 7 示。各圈減震墊的壓縮量隨筒內(nèi)行程變化曲線如圖 8 所示。

從圖 7 和圖 8 中可看出，適配器剛度為 6 × 106N/m時(shí)，各圈最大抗壓受載分別為 4 987 N，1.64 × 104N，4.14 × 104N 和 2.94 × 104N，相應(yīng)的最大變形分別為1.57 mm，2.51 mm，9.77 mm，6.68 mm，各圈適配器的最大抗彎受載分別為：6 204 N·m，2 193 N·m，4.04 × 104N·m，6.13 × 104N·m；適配器剛度為 1 × 107N/m 時(shí)，各圈最 大抗壓受載分別為 5 132 N，1.55 × 104N，4.29 × 104N 和3.07 × 104N，相應(yīng)的最大變形分別為 1.11 mm，2.14 mm， 6.21 mm，3.82 mm，各圈適配器的最大抗彎受載分別為：6 385 N·m，2 077 N·m，4.19 × 104N·m，6.39 × 104N·m；適配器剛度為 1.5 × 107N/m 時(shí)，各圈最大抗壓受載分別為 5 087 N，1.57 × 104N，4.80 × 104N 和 3.34 × 104N，相應(yīng)的最大變形分別為 0.82 mm，0.96 mm，4.30 mm，2.79 mm，各圈適配器的最大抗彎受載分別為：6 329 N·m，2 101 N·m，4.68 × 104N·m，6.98 × 104N·m；可見適配器抗壓受載第 3 圈適配器最惡劣，第 3 適配器變形最大，第 4 適配器的抗彎受載最大。隨著適配器剛度的增大，各圈適配器的壓縮量減小，力與力矩以及壓縮量的最大值均略有增大。

6 結(jié) 語

通過對(duì)同航速及不同適配器剛度條件下的潛空導(dǎo)彈垂直出筒過程進(jìn)行仿真，得到了各圈適配器的受載及變形情況，從仿真分析看出，適配器抗壓受載第 3圈適配器最惡劣，第 3 適配器變形最大，第4適配器的抗彎受載最大；各圈適配器的力與力矩以及壓縮量的最大值，隨著航速的增大而增大；各圈適配器壓縮量的是值隨著適配器剛度的增大減小，力與力矩以及壓縮量的最大值隨著適配器剛度的增大略有增大。

[1]馬亮, 高洪林. 潛艇水平發(fā)射無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2011(10): 60–61.

[2]趙世平, 蔡體敏. 橫向流對(duì)潛艇垂直發(fā)射導(dǎo)彈的影響[J]. 船舶力學(xué), 2006, 4(10): 33–37.

[3]劉樂華, 張宇文. 深海垂直發(fā)射內(nèi)彈道研究[J]. 船舶科學(xué)技術(shù), 2004, 26(1).

[4]倪火才. 潛載導(dǎo)彈水下發(fā)射技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 艦載武器, 2001(1).

[5]倪火才. 潛地彈道導(dǎo)彈發(fā)射裝置構(gòu)造[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1998.

[6]尚書聰, 孫建中, 秦麗萍. 潛載導(dǎo)彈水下發(fā)射出筒橫向動(dòng)力學(xué)特性研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2012, 31(23): 84–86.

Adapter load and deformation of vertical launching submarine-to-air missile

LU Bing-ju, ZHU Zhu
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

The lateral dynamic method and the load calculation method has been established for the adaptation methods of adapters in vertical launching submarine-to-air missile, and was applied to simulate the process of the missile. The influence of the submarine velocity and the rigidity of adaptor on the adapter load and deformation in vertical launching submarine-to-air missile were analyzed. The result has guidance significance to vertical launching submarine-to-air missile or other tactical missile and design the adapter.

vertical sub-launch；lateral dynamic；adapter load；adapter deformation

TJ76

A

1672–7619(2017)05–0139–04

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.028

2017–02–21

盧丙舉(1979–)，男，高級(jí)工程師，主要從事發(fā)射裝置等方面研究。