于靜遠(yuǎn)，李衛(wèi)超，郭燈華，許 金，鄭欣良

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電磁式魚雷發(fā)射過程的建模與仿真

于靜遠(yuǎn)，李衛(wèi)超，郭燈華，許 金，鄭欣良

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢430033）

以電磁式魚雷發(fā)射裝置為基礎(chǔ)，構(gòu)建了魚雷發(fā)射的動力學(xué)模型，對水體壓強(qiáng)變化、活塞及魚雷的運動過程進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用Matlab進(jìn)行初步的仿真計算，明確系統(tǒng)中各個物理量的變化規(guī)律，驗證了本模型的數(shù)學(xué)合理性和物理過程描述的準(zhǔn)確性。從仿真結(jié)果來看，本模型基本符合文中闡述的原理。

電磁式魚雷發(fā)射裝置 壓力變化模型 動力模型

0 引言

潛艇使用的武器包括魚雷、導(dǎo)彈和水雷等，這些武器主要通過潛艇的魚雷發(fā)射裝置發(fā)射。為更好地保障攻擊使用效果，潛艇發(fā)射武器時，應(yīng)在發(fā)射裝置的技術(shù)使用條件下，盡量滿足發(fā)射隱蔽性和快速反應(yīng)性等戰(zhàn)術(shù)要求[1]。

根據(jù)現(xiàn)役潛艇魚雷發(fā)射裝置的基本結(jié)構(gòu)，某國防重點實驗室課題組提出并設(shè)計了多種電磁式魚雷發(fā)射裝置方案，經(jīng)過綜合分析和比較，初步確定了直線電機(jī)[3]與水缸集成的方案。將直線電機(jī)與目前往復(fù)泵式魚雷[4]發(fā)射裝置的水缸集成，水缸體作為定子，水缸活塞作為動子，推壓海水進(jìn)入發(fā)射管，從而推動魚雷運動出管，在魚雷出管時，達(dá)到合適的發(fā)射速度,如圖1所示。本方案屬于液壓平衡式發(fā)射方式，取消了氣缸，結(jié)構(gòu)簡單，由直線電機(jī)定子直接驅(qū)動水缸活塞（即動子）運動。

由圖可知，動子（活塞）和魚雷并不直接相連。如果水缸中推出的海水體積近似于進(jìn)入發(fā)射管海水體積，那么魚雷的運動軌跡和末速度將與動子的成比例。由此可以通過對動子運動軌跡的精確控制實現(xiàn)對魚雷運動軌跡的控制。

1 發(fā)射過程描述

電磁式潛艇魚雷發(fā)射裝置的基本構(gòu)成如圖1所示。發(fā)射前，將海水注入到發(fā)射管中，魚雷前后均受到相同的海水靜壓力P（液壓平衡），發(fā)射魚雷時，逆變器將蓄電池輸出的電能轉(zhuǎn)變成需要的電壓、電流輸入直線電機(jī)定子繞組，由電磁感應(yīng)原理，在動子（水缸活塞）上產(chǎn)生電磁力，推壓水缸中的海水，水缸中的海水壓力P增大，海水由水缸流入脈沖水柜，脈沖水柜中的海水壓力P增大，海水由脈沖水柜流入發(fā)射管后部，魚雷后部的海水壓力P大于魚雷前部的海水壓力P，從而推動魚雷加速。

2 基本假設(shè)

1) 發(fā)射過程為絕熱過程，水缸、脈沖水柜和魚雷發(fā)射管與外界無熱交換；2) 水缸、脈沖水柜和魚雷發(fā)射管前后腔內(nèi)壓力均勻；3）把發(fā)射管內(nèi)運動的海水與魚雷視為一整體。

3 基本方程

根據(jù)發(fā)射過程海水的流動和各部件的運動情況，建立魚雷發(fā)射裝置各部件的數(shù)學(xué)模型：

1）水缸壓力變化模型

以水缸內(nèi)的海水為研究對象，如圖2所示，假設(shè)水缸內(nèi)海水的密度和壓強(qiáng)是均勻的。在dt時間間隔內(nèi)，水缸內(nèi)海水的質(zhì)量變化為：

（2）

由于密度變化引起的質(zhì)量變化為：

其中：是水的彈性模量；p為水缸內(nèi)海水壓強(qiáng)；Vw= V-SX； V水缸的初始體積；S為水缸截面積；x為水缸活塞運動位移。

（4）

將式（2）—（4）代入至式（2.1）中得到：

整理得：

（6）

從水缸流入脈沖水柜的流量為：

（7）

其中：p為脈沖水柜內(nèi)海水壓強(qiáng)；C為水缸特形孔出水流量系數(shù)；S為水缸特形孔面積。

2）脈沖水柜壓力變化模型

（9）

（11）

整理得：

從脈沖水柜流入發(fā)射管的流量為：

其中：p為發(fā)射管后部海水壓強(qiáng)；C為發(fā)射管特形孔入水流量系數(shù)；S為發(fā)射管特形孔面積。

3）發(fā)射管壓力變化模型

（15）

（17）

整理得：

從魚雷與發(fā)射管之間的縫隙流出的流量：

其中：D是發(fā)射管直徑；是魚雷與發(fā)射管之間的間隙；是魚雷后部與魚雷前部的壓強(qiáng)差，；是海水的動力黏度；是間隙的長度；v是魚雷相對于潛艇的速度。

4）水缸活塞運動模型

如圖5，由牛頓第二定律得到水缸活塞的運動模型為：

5）魚雷運動模型

在魚雷運動過程中，其后面空出的容積是由脈沖水柜中的海水來補(bǔ)充的，魚雷后部的海水以與魚雷相同的速度向發(fā)射管外運動，且運動的海水質(zhì)量不斷增加。把運動的海水與魚雷視為一整體，其運動方程為：

（22）

（24）

式（24）中等號右端的三項分別是魚雷后部受到的海水壓力、魚雷前部受到的海水阻力和發(fā)射管壁摩擦力；

整理得：

（26）

4 模型仿真內(nèi)容

依據(jù)上述數(shù)學(xué)公式進(jìn)行如下建模，得到如圖7的仿真結(jié)構(gòu)[5]。可得到動子活塞和魚雷單位時間內(nèi)的速度位移曲線：

從圖8、圖9中可以看出，魚雷與動子活塞的運動趨勢基本相符。將二者單位時間內(nèi)的速度位移乘以二者橫截面積，即可得到單位時間內(nèi)的動子活塞推水量已經(jīng)單位時間內(nèi)魚雷發(fā)射管內(nèi)的被推入水的量，如圖10。從圖中可以看出，水缸中推出的海水量基本等于進(jìn)入發(fā)射管海水量，所以魚雷的運動軌跡和末速度與動子的成比例。由此驗證得到，本數(shù)學(xué)模型在通過對動子運動軌跡的精確控制實現(xiàn)對魚雷運動軌跡的控制過程中成立。

5 結(jié)束語

本文在電磁式魚雷發(fā)射裝置基礎(chǔ)上建立了發(fā)射時的水壓變化模型以及動力模型，通過仿真可以監(jiān)控在發(fā)射時發(fā)射管內(nèi)魚雷與水缸內(nèi)動子活塞的運動情況，驗證了本模型的合理性，為下一步研究打下基礎(chǔ)。

[1] 朱清浩,宋汝剛. 美國潛艇魚雷發(fā)射裝置使用初探[J].魚雷技術(shù), 2012, 20(3).

[2] 喬汝椿. 蓄能式潛艇電動魚雷發(fā)射裝置方案設(shè)計[J].魚雷技術(shù), 2003,11(2).

[3] 葉云岳. 直線電機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 第二版.機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[4] 李克孚.潛艇魚雷發(fā)射裝置的發(fā)展(下)[J]. 艦船論證參考, 1998, (3): 63-65.

[5] 李維波. MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用, 2007.

Modeling and Simulation of Electromagnetic Torpedo Launching

Yu Jingyuan, Li Weichao, Guo Denghua,Xu Jin, Zheng Xinliang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TJ630

A

1003-4862（2017）03-0005-04

2016-09-15

于靜遠(yuǎn)（1992-），男，碩士。研究方向：電力電子及電力傳動。