黃蘇和, 王凱帥, 劉 星

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潛用AUV自航發(fā)射彈道建模與仿真

黃蘇和, 王凱帥, 劉 星

(中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京, 100094)

采用魚雷發(fā)射管自航發(fā)射自主式水下航行器(AUV)是潛艇發(fā)射AUV的最理想方式。為研究潛用AUV自航發(fā)射技術(shù), 文章基于后端有效補水的發(fā)射裝置, 建立了AUV自航發(fā)射彈道模型, 包括AUV發(fā)射管內(nèi)彈道模型和管口彈道模型, 對AUV自航發(fā)射出管的可行性進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明, 自航發(fā)射時艇速、AUV出管速度以及AUV自身正浮力或負浮力是影響AUV自航出管可行性的主要因素。該結(jié)果可為采用魚雷發(fā)射管自航發(fā)射AUV技術(shù)提供參考。

自主式水下航行器(AUV); 潛艇; 自航發(fā)射; 彈道模型

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0 引言

自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV), 由于具有適應(yīng)性強、遠航程、大潛深、零傷亡以及隱蔽性好等一系列特點, 被譽為水下作戰(zhàn)優(yōu)勢力量的倍增器[1-2]。潛艇搭載AUV, 可充分發(fā)揮其水下危險海域的偵察、監(jiān)視及預(yù)警功能[3], 提高潛艇作戰(zhàn)半徑, 降低潛艇暴露概率。進入21世紀以來, 世界多個國家新型潛艇上均已裝備AUV[4-6]。

隱蔽性是潛艇及AUV工作的前提條件, 如何安靜布放是潛用AUV的使用基礎(chǔ)。自航式發(fā)射具有發(fā)射噪聲低、可實現(xiàn)大深度發(fā)射的優(yōu)點, 利用潛艇魚雷發(fā)射裝置實現(xiàn)AUV自航發(fā)射是潛艇布放AUV的最理想方式?？昭ㄐ?yīng)、袋深過大、碰撞防波板等都是AUV自航發(fā)射過程中需要避免的問題[7]?；跐撏~雷發(fā)射技術(shù)要求, 論文建立了潛用AUV自航發(fā)射彈道模型并進行了仿真分析, 得到了仿真結(jié)論。

1 潛用AUV自航發(fā)射原理

對于潛艇上常規(guī)的魚雷發(fā)射裝置, 為了保證發(fā)射過程中魚雷后端的發(fā)射介質(zhì)不發(fā)生泄漏, 一般魚雷與發(fā)射管之間間隙僅為2~3 mm, 不能形成有效的補水通道, 因此, 使用現(xiàn)有魚雷發(fā)射裝置無法實現(xiàn)大口徑AUV自航發(fā)射[7-8]。通過有動力后端補水可解決現(xiàn)有魚雷發(fā)射裝置自航發(fā)射AUV時的補水問題, 如圖1所示。AUV自航發(fā)射時, 控制AUV正常啟動, 然后打開高壓氣瓶閥, 水缸內(nèi)部水被強行壓入發(fā)射管內(nèi), 形成有效的補水通道, AUV便可自航發(fā)射出管, 待AUV出管后, 關(guān)閉高壓氣瓶閥, 裝置恢復(fù)至液壓平衡態(tài)。

2 潛用AUV管內(nèi)彈道建模與仿真

2.1 管內(nèi)彈道模型假設(shè)

1) 發(fā)射時潛艇航深大于3 m, 忽略潛艇航行產(chǎn)生的興波阻力; 2) AUV在導(dǎo)軌上運動, 忽略其重力、浮力及流體力矩對其姿態(tài)的影響; 3) 附加質(zhì)量按照理想流體中運動進行計算; 4) 采用定常假設(shè)求解AUV流體阻力; 5) 假設(shè)發(fā)射管為均直圓管, 忽略局部損失。

2.2 管內(nèi)彈道模型建立

圖2所示為AUV在發(fā)射管內(nèi)運動時的受力示意圖。分析圖2, 建立AUV在管內(nèi)的運動方程

1) 螺旋槳推力

螺旋槳推力

采用由試驗數(shù)據(jù)回歸出的函數(shù)關(guān)系式表示螺旋槳轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系[5]

2) AUV所受流體阻力

AUV所受流體阻力可表示為

3) AUV所受摩擦阻力

AUV在發(fā)射管內(nèi)導(dǎo)軌運行時會產(chǎn)生摩擦阻力

4) AUV發(fā)射管內(nèi)航行時的沿程阻力

沿程損失是由發(fā)射管內(nèi)部流體與發(fā)射管壁面的黏性摩擦引起的, AUV在發(fā)射管內(nèi)的沿程阻力可表示為

2.3 管內(nèi)彈道仿真計算

利用上述模型對某型AUV發(fā)射管內(nèi)彈道模型進行仿真, 該AUV主要參數(shù)為: 直徑0.5 m, 長度6.6 m, 正浮力20 N, 單槳推進。仿真時, 取發(fā)射管粗糙度0.015, AUV與發(fā)射管摩擦系數(shù)0.25, 螺旋槳直徑0.4 m, AUV電機啟動系數(shù)10。圖3所示為AUV在發(fā)射管內(nèi)的位移和速度曲線, 圖4所示為AUV螺旋槳發(fā)射管內(nèi)轉(zhuǎn)速曲線。

分析圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn), 自航發(fā)射過程中, 電機啟動后, AUV航速緩慢增加, 這是由于AUV電機低速啟動, 螺旋槳需要一段時間才能達到額定轉(zhuǎn)速。由于AUV航速一般只有幾節(jié), 因此, AUV螺旋槳經(jīng)過較短的時間(3.5 s)即可達到額定轉(zhuǎn)速12 r/s, 此后AUV增速減緩, AUV在管內(nèi)的末程其位移隨著時間變化近似呈線性增長。如圖3所示, AUV航行至出管時, 航速約可達4.5 kn, 出管時間約需5 s, 相比采用常規(guī)魚雷發(fā)射方式, 自航發(fā)射AUV時出管速度低、出管時間較長。AUV自航發(fā)射時, 可避免采用瞬時高壓推動活塞, 從而大幅降低發(fā)射噪聲, 達到隱蔽布放的目的。

3 潛用AUV管口處彈道建模與仿真

AUV在離開發(fā)射管后, 仍需經(jīng)過潛艇防波板平臺區(qū)方可離艇, 如圖5所示。在此期間, 由于受到正浮力或負浮力作用, AUV會在垂直運動方向上浮或下沉。為了保證AUV安全離艇, 必需保證AUV在平臺區(qū)運動時不與艇碰撞。

3.1 管口處彈道模型假設(shè)

管口處彈道模型主要涉及AUV在潛艇防波板平臺區(qū)的運動。AUV出管過程中, 一般會由于重浮心位置差異導(dǎo)致對支點產(chǎn)生力矩, 促使AUV旋轉(zhuǎn)。但是由于平臺區(qū)長度十分有限, 僅僅為3 m左右, 因此AUV自航經(jīng)過平臺區(qū)的時間極短, 僅為1~2 s, 極短時間段內(nèi)的沖量矩比較小, 對姿態(tài)的影響也相應(yīng)較小, 因此在管口處彈道模型的建立過程中采用如下近似的簡化假設(shè): 1) AUV在管口停留時間較短, 將AUV看作其縱軸與發(fā)射管軸平行下落, 開始時AUV軸與管軸重合, AUV后端與發(fā)射管前端重合; 2) 此階段, AUV螺旋槳達到額定轉(zhuǎn)速, 速度變化較小, 忽略AUV螺旋槳產(chǎn)生的推力; 3) 忽略潛艇運動引起的防波板平臺區(qū)內(nèi)流體動力影響。

3.2 AUV管口處彈道模型建立

在圖5中建立隨體坐標系, 建立AUV尾鰭后下端點(對于負浮力)或上端點(正浮力)的管口處彈道模型如下

3.3 管口處彈道仿真計算

仍取上述AUV進行仿真, 取防波板平臺區(qū)長度為3 m, 可按照戰(zhàn)斗錐度18計算其高度為0.167 m, 仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

分析圖6可知, 艇速對AUV在軸向的運動影響較大。艇速越大, AUV通過防波板平臺區(qū)的所需時間越長, 極有可能與艇發(fā)生碰撞。AUV出管速度對AUV在軸向的運動也有一定的影響, 出管速度越大, AUV越快度過防波板平臺區(qū)。因此,為了保證AUV可以安全自航出管, 應(yīng)盡可能降低發(fā)射時的艇速。

分析圖7可知, 對于同一型AUV, 正浮力(或負浮力)大小是影響其度過防波板平臺區(qū)時縱向位移的主要因素, 正浮力(或負浮力)越大, 縱向位移隨時間變化越劇烈, 越容易與艇發(fā)生碰撞。因此, 在自航式發(fā)射AUV時, 應(yīng)盡可能降低AUV整體的正浮力(或負浮力)。

此外, 根據(jù)上節(jié)仿真結(jié)果, 該型AUV在到達防波板平臺區(qū)時其航速約為4.5 kn, 結(jié)合圖6和圖7, 當艇速為0時, AUV度過平臺區(qū)所需時間約為1.5 s, 此時對應(yīng)的縱向位移約為0.02 m, 滿足自航出管條件, 可以實現(xiàn)自航發(fā)射。

4 結(jié)論

自航發(fā)射具有發(fā)射噪聲低、可實現(xiàn)大深度發(fā)射等優(yōu)點, 采用AUV自航發(fā)射, 是布放AUV的最理想方式。論文基于后端有效補水的發(fā)射裝置, 建立了AUV自航發(fā)射彈道模型, 包括AUV發(fā)射管內(nèi)彈道模型和管口處彈道模型, 通過數(shù)值仿真得出如下結(jié)論:

1) AUV電機啟動后在管內(nèi)速度緩慢增加, AUV電機在發(fā)射管內(nèi)即可達到額定轉(zhuǎn)速, 此后AUV速度趨于穩(wěn)定, 因此AUV管內(nèi)的末程位移隨時間變化近似呈線性增長;

2) AUV在發(fā)射管口處運動時, 艇速對其軸向運動影響較大, 艇速越大, AUV在經(jīng)過防波板平臺區(qū)所需時間越長, AUV越容易與艇發(fā)生碰撞;

3) AUV在發(fā)射管口處運動時, AUV出管速度對其軸向運動有一定的影響, 出管速度越大, AUV在經(jīng)過防波板平臺區(qū)所需時間越短, 安全性越高;

4) AUV在發(fā)射管口處的縱向運動受AUV自身的正浮力或負浮力影響, 因此, 為了保證自航出管安全性, 自航發(fā)射AUV時盡可能降低其正浮力或負浮力。

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(責任編輯: 陳 曦)

Modeling and Simulation of Trajectory forAUV Swim-out Launch on Submarine

HUANG Su-he, WANG Kai-shuai, LIU Xing

(Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China)

Using torpedo launch tube for swim-out launch is the best method for submarine to launch an autonomous undersea vehicle(AUV). This study establishes the mathematical trajectory models of the AUV swim-out launch based on the launcher with backend water replenishment. The models include a submodel of internal trajectory of launch tube and a submodel of trajectory at the tube orifice. The feasibility of the AUV swim-out launch out of tube is verified by simulation, and the results show that the speed of a submarine,the launching speed, and the positive or negative buoyancy of the AUV are the main factors influencing the AUV swim-out launch. This study may provide a reference for swim-out launch of AUV through torpedo launch tube.

autonomous undersea vehicle(AUV); submarine; swim-out launch;trajectory model

U674.941; TJ635; TP391.9

A

2096-3920(2018)02-0129-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.005

黃蘇和, 王凱帥, 劉星. 潛用AUV自航發(fā)射彈道建模與仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2018, 26(2): 129-132.

2017-08-05;

2018-01-22.

發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目(20151409).

黃蘇和(1987-), 男, 工程師, 主要從事水中兵器系統(tǒng)研究