康會(huì)峰， 宣佳林,， 代浩然， 王會(huì)程， 王景田， 馬秋生

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院航空宇航學(xué)院， 河北廊坊 065000；2.河北省跨氣水介質(zhì)飛行器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北廊坊 065000)

引言

水下發(fā)射一般分為水下固定發(fā)射和水下機(jī)動(dòng)發(fā)射兩種發(fā)射方式[1]。水下固定發(fā)射是利用水作為屏障在江、河、湖、海的水下安裝發(fā)射裝置以發(fā)射導(dǎo)彈的發(fā)射方式，需要密封的發(fā)射筒。水下固定發(fā)射方式因生存能力不強(qiáng)，尚未見(jiàn)正式應(yīng)用。水下機(jī)動(dòng)發(fā)射的主要運(yùn)載工具是潛艇，這種發(fā)射方式生存能力強(qiáng)、隱蔽性好[2]。由于軍用水下航行體等裝備都運(yùn)行于水下，研究水下多彈發(fā)射過(guò)程中的彈丸出水速度、彈丸運(yùn)行過(guò)程中的流場(chǎng)顯示等較為復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室中研究多彈發(fā)射過(guò)程中的多因素干擾、多相介質(zhì)參與的復(fù)雜物理過(guò)程就顯得尤為重要。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)外的水下發(fā)射技術(shù)已取得一定的成果[3-5]，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了相關(guān)研究：王亞?wèn)|等[6]采用Fluent軟件對(duì)導(dǎo)彈離筒過(guò)程筒口氣泡的發(fā)展及其對(duì)發(fā)射平臺(tái)的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)了發(fā)射筒口氣泡的發(fā)展規(guī)律，分析了筒口氣泡對(duì)發(fā)射平臺(tái)表面壓力的影響。楊曉光等[7]對(duì)潛射導(dǎo)彈的水下運(yùn)動(dòng)及出水過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)潛艇速度會(huì)改變導(dǎo)彈水下及出水后的姿態(tài)角，水深在影響導(dǎo)彈的彈體應(yīng)力的同時(shí)可對(duì)姿態(tài)角起到放大的作用。裴譞等[8]運(yùn)用橫向載荷計(jì)算模型和耦合算法對(duì)潛艇帶速水下垂直發(fā)射導(dǎo)彈過(guò)程中導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)特征、流體動(dòng)力特性、彈體與彈性減震環(huán)的相互作用進(jìn)行研究。趙世平等[9]通過(guò)建立導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)方程及求解運(yùn)動(dòng)方程，研究了不同艇速、不同適配器剛度和不同導(dǎo)彈垂向運(yùn)動(dòng)速度條件潛載垂直發(fā)射導(dǎo)彈在橫向流作用下的受力情況和對(duì)出筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。李志華等[10-11]研究了潛艇氣動(dòng)發(fā)射裝置無(wú)泡系統(tǒng)定時(shí)調(diào)節(jié)器，研究了魚(yú)雷不同發(fā)射深度所需的氣動(dòng)發(fā)射能量?jī)?chǔ)備。由此可見(jiàn)，當(dāng)前關(guān)于水下發(fā)射技術(shù)的研究多采用數(shù)值仿真的方法，研究多為單一彈丸的發(fā)射現(xiàn)象[12-13]、流場(chǎng)顯示[14]和水下彈道[15]等，而對(duì)水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射和多彈擾動(dòng)等方面的研究極為少見(jiàn)。本研究參考陳英龍等[16]的低速域水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研制了一種水下多彈可移動(dòng)發(fā)射試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的方式使發(fā)射系統(tǒng)具有一定的發(fā)射速度，在恒速狀態(tài)下完成多彈的等時(shí)間間隔的發(fā)射，可通過(guò)流場(chǎng)顯示和高速攝像獲得發(fā)射初速度和水平移動(dòng)速度。對(duì)水下發(fā)射的空化現(xiàn)象、多彈擾動(dòng)規(guī)律、發(fā)射過(guò)程中彈道和流場(chǎng)顯示的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

考慮到實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)度和高度有限，建設(shè)了室內(nèi)水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)恒速條件下連續(xù)多彈水下垂直發(fā)射，發(fā)射系統(tǒng)速度曲線如圖1所示。彈丸發(fā)射為恒速移動(dòng)狀態(tài)下發(fā)射，發(fā)射過(guò)程分為啟動(dòng)段、恒速運(yùn)行段、停止段，為研究多彈發(fā)射之間的擾動(dòng)，發(fā)射系統(tǒng)需設(shè)置有多個(gè)發(fā)射筒，并通過(guò)并聯(lián)控制，發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射動(dòng)力為高壓氣動(dòng)力。為研究彈丸發(fā)射后發(fā)射筒口處的擾流流場(chǎng)，需要應(yīng)用流動(dòng)顯示技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。因此，水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)主要是水平移動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式、水平移動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)速度控制的時(shí)間精度和發(fā)射速度的精度。

圖1 移動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relationship between movement speed and time

對(duì)于驅(qū)動(dòng)方式，主要有兩種：一是以氣炮原理為基礎(chǔ)的模型驅(qū)動(dòng)方式，二是以電機(jī)拖動(dòng)為基礎(chǔ)的模型驅(qū)動(dòng)方式。前者具有啟動(dòng)快的特點(diǎn)，但很難獲得恒定的移動(dòng)速度；經(jīng)實(shí)驗(yàn)后者通過(guò)采用伺服電機(jī)控制可提供較為穩(wěn)定的移動(dòng)速度。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括如下部分：密封水箱、加壓和真空系統(tǒng)、水平拖拉系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、流場(chǎng)顯示系統(tǒng)、軟回收系統(tǒng)和時(shí)間同步控制系統(tǒng)，具體如圖2所示。

圖2 水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of underwater mobile multi-projectile pneumatic launching test system

水密封水箱整體采用桁架式結(jié)構(gòu)，在相鄰側(cè)面處，設(shè)置有加強(qiáng)筋板，有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度；水箱左右側(cè)面設(shè)置有電源、氣管和傳感器等進(jìn)出水箱的連接法蘭和進(jìn)出水箱的備用法蘭，也為傳感器信號(hào)、發(fā)射單元和燈光等提供密封的穿墻接口；水箱正面用有機(jī)玻璃替換鋼板，提供高速攝影和PIV測(cè)量的大視窗；在水箱后面設(shè)置有進(jìn)出人孔，方便設(shè)備安裝和維護(hù)；在水箱頂部布設(shè)了泡沫鋁夾芯板，為模型彈發(fā)射出水后提供防護(hù)。彈丸和防護(hù)層撞擊時(shí)，可根據(jù)彈丸受損壞程度，改進(jìn)防護(hù)層結(jié)構(gòu)。水平拖拉系統(tǒng)為發(fā)射裝置的水平在軌移動(dòng)提供動(dòng)力，采用伺服電機(jī)通過(guò)鋼絲繩拖動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)控制，伺服電機(jī)拖動(dòng)為基礎(chǔ)的模型驅(qū)動(dòng)方式為主要驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器減速后，由卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)繩索驅(qū)動(dòng)，借助定滑輪換向，對(duì)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行拖拽，實(shí)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)水下在軌恒速移動(dòng)。由于本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榭s尺模型，對(duì)速度精度要求較高，因此，發(fā)射系統(tǒng)的移動(dòng)速度為試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)之一。

發(fā)射系統(tǒng)采用氣動(dòng)發(fā)射技術(shù)，內(nèi)部設(shè)置有3個(gè)分割氣室，對(duì)應(yīng)3個(gè)發(fā)射筒，3個(gè)發(fā)射管集成在底部基座上，發(fā)射基座安裝在滑塊上，滑塊安裝在光軸導(dǎo)軌上，依靠水平拖拉系統(tǒng)，推動(dòng)集成后的發(fā)射系統(tǒng)往左側(cè)移動(dòng)。每個(gè)彈丸由快速閥釋放高壓空氣并驅(qū)動(dòng)彈丸，彈丸上安裝的底部O形密封圈經(jīng)過(guò)發(fā)射筒格柵位置時(shí)，分割的氣室分別將各自發(fā)射筒的彈丸推出，各發(fā)射筒的控制互相不關(guān)聯(lián)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)發(fā)射筒的啟動(dòng)和時(shí)間同步控制系統(tǒng)連接、單獨(dú)進(jìn)行控制，發(fā)射時(shí)間次序根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定值確定。發(fā)射管分別在管口和管底部裝有2個(gè)壓力傳感器，目的是得到桶口水擊效應(yīng)和底部驅(qū)動(dòng)氣體壓力隨時(shí)間變化。為了能夠觀察到彈丸發(fā)射的全過(guò)程，發(fā)射筒的材料為有機(jī)玻璃，彈丸發(fā)射過(guò)程容易對(duì)發(fā)射筒內(nèi)壁面造成損壞，如表面拉毛，

圖3 發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of launching system structure

造成高速攝影得不到清晰的筒內(nèi)彈丸運(yùn)動(dòng)圖像。因此，需要對(duì)發(fā)射筒表面進(jìn)行定期維護(hù)。

2 水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射單元發(fā)射速度計(jì)算及力學(xué)仿真

在水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射試驗(yàn)中，發(fā)射單元的應(yīng)力和變形較大，因此，對(duì)水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射單元進(jìn)行有限元分析。發(fā)射單元包含發(fā)射筒、3個(gè)分割氣室和彈丸。發(fā)射筒的材料為有機(jī)玻璃，發(fā)射前，發(fā)射筒上端面采用BOPP膜片和水隔離，防止水進(jìn)入發(fā)射管，使得發(fā)射彈丸產(chǎn)生較大水阻力。彈丸質(zhì)量m=2.80 kg，筒內(nèi)加速距離L=1 m，發(fā)射筒內(nèi)徑為D=0.07 m。

2.1 發(fā)射速度計(jì)算

根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式，可推導(dǎo)出速度與位移關(guān)系式：

v2=2aL

(1)

由式(1)可計(jì)算平均加速度a=50 m/s2。

根據(jù)牛頓第二定律：

F=ma

(2)

(3)

由此可獲得發(fā)射壓力計(jì)算公式：

(4)

式中， Δp—— 發(fā)射壓力，kPa

m—— 彈丸質(zhì)量，kg

g—— 重力加速度(取g=10 m/s2)

D—— 發(fā)射筒直徑，m

經(jīng)計(jì)算，發(fā)射壓力Δp=43.654 kPa。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(絕熱條件下)：

pV=nRT

(5)

式中，p—— 壓強(qiáng)

V—— 氣體體積

n—— 物質(zhì)的量

R —— 普適氣體常數(shù)，R=8.31 J/(mol·K)

T—— 絕對(duì)溫度

顯然，壓力與體積成反比，發(fā)射過(guò)程中壓力在不斷變小，同時(shí)考慮到發(fā)射過(guò)程中O形圈與發(fā)射筒之間存在著較大的摩擦力，實(shí)際發(fā)射壓力大于理論發(fā)射壓力。因此，根據(jù)發(fā)射初速度獲得的理論發(fā)射氣壓，需進(jìn)一步修正獲得實(shí)際發(fā)射壓力，通過(guò)幾次的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際發(fā)射壓力約為理論發(fā)射壓力的2～4倍。

2.2 仿真計(jì)算

本次仿真使用的擊發(fā)壓力和分割氣室壓力均為122 kPa，為理論發(fā)射壓力的2.8倍，通過(guò)三維軟件進(jìn)行建模，通過(guò)ANSYS軟件分析了該壓力下的位移和載荷情況，繪制網(wǎng)格如圖4所示,仿真分析結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing

圖5 全局應(yīng)變Fig.5 Global equivalent elastic strain

圖6 發(fā)射筒應(yīng)變Fig.6 Launch tube equivalent elastic strain

圖7 全局變形Fig.7 Total deformation

圖8 總變形俯視圖Fig.8 Top view of total deformation

根據(jù)仿真分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)的最大應(yīng)變?yōu)?.00027126 mm，最大應(yīng)變位置雖然在發(fā)射筒與分割氣室的下接觸處，但上接觸面的應(yīng)變與下界面應(yīng)力接近，其余部分應(yīng)力較小。最大變形量為0.016363 mm，發(fā)生在發(fā)射筒口，其原因是發(fā)射筒與分割氣室的上接觸面遠(yuǎn)離中心的一側(cè)應(yīng)力應(yīng)變更大，導(dǎo)致發(fā)射筒往內(nèi)側(cè)偏斜，同時(shí)分割氣室外發(fā)射筒較長(zhǎng)，起到了變形放大的作用。結(jié)合水箱高度和發(fā)射筒高度，根據(jù)相似三角形原理，可估算出發(fā)射彈丸在靜止發(fā)射狀態(tài)下撞擊到系統(tǒng)頂部時(shí)偏離豎直中心線0.045 mm左右，與水下移動(dòng)發(fā)射過(guò)程中水阻對(duì)發(fā)射彈丸的影響相比，可以忽略?？傮w而言，發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和變形較小，不會(huì)對(duì)各分割氣室的密封性造成影響，受變形影響造成的方向偏移可以忽略，不會(huì)對(duì)發(fā)射試驗(yàn)產(chǎn)生影響。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境搭建

設(shè)備水平拖拉系統(tǒng)選用最高轉(zhuǎn)速3000 r/min，功率7.5 kW的伺服電機(jī)提供動(dòng)力，選用減速比為i=5的減速器，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)和定滑輪實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和換向。試驗(yàn)時(shí)用水泵往實(shí)驗(yàn)設(shè)備中注入深度為2.5 m的水，頂端空氣用真空泵抽真空到0.3×10-10MPa，高速攝像機(jī)為Photron FASTCAM SA-Z高速攝像機(jī)，分辨率設(shè)定為1024×1024，高速攝像機(jī)的幀頻為6500 fps，高速相機(jī)與水箱間隔距離為3.5 m，現(xiàn)場(chǎng)布置如圖9所示。發(fā)射車勻速設(shè)定為0.5 m/s，小車加速度時(shí)間設(shè)定為0.3 s，彈丸發(fā)射車充氣壓力為0.11， 0.22 MPa，試驗(yàn)彈的外形為錐形，質(zhì)量為2.8 kg。

圖9 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.9 Site layout plan of equipment

3.2 試驗(yàn)步驟

(1) 檢查水箱氣密性；

(2) 垂直裝模型彈，安裝傳感器并測(cè)試，安裝發(fā)射管口夾膜片；

(3) 將發(fā)射系統(tǒng)植入水箱并就位；

(4) 檢查氣路和傳感器連接法蘭防水及其連接是否正常；

(5) 垂直發(fā)射系統(tǒng)充氣，關(guān)閉充氣閥門(mén)；

(6) 調(diào)整PIV或高速測(cè)量系統(tǒng)光源和相機(jī)；

(7) 啟動(dòng)發(fā)射進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)調(diào)試完畢后進(jìn)行了多次試驗(yàn)。對(duì)獲得的拍攝圖片進(jìn)行圖像處理，測(cè)量拍攝圖片中彈頭位置到標(biāo)尺零點(diǎn)的高度差，建立每張照片中發(fā)射彈丸彈尖位置數(shù)據(jù)表，標(biāo)尺位置如圖10所示。結(jié)合相機(jī)設(shè)定的固有采樣頻率，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合獲得了不同時(shí)刻彈頭位移曲線和相應(yīng)的速度曲線，如圖11、圖12所示。

圖10 豎直標(biāo)尺位置Fig.10 Vertical ruler position

圖11 位移-時(shí)間曲線Fig.11 Displacement-time curve

根據(jù)高速攝影圖片，發(fā)現(xiàn)在0.28 s時(shí)試驗(yàn)彈射出發(fā)射筒口，由圖11、圖12可以看出在0.11 MPa發(fā)射壓力下，0.28 s對(duì)應(yīng)的速度為6.45 m/s。而在 0.22 MPa的發(fā)射壓力下，試驗(yàn)彈在0.12 s時(shí)試驗(yàn)彈射出發(fā)射筒口，此時(shí)的速度最大為14 m/s。

圖12 速度-時(shí)間曲線Fig.12 Velocity-time curve

通過(guò)理論速度計(jì)算方法可計(jì)算兩種壓力下的試驗(yàn)彈的出口速度，表1為兩種發(fā)射壓力的理論速度和實(shí)際速度。由表可知，計(jì)算的理論速度與實(shí)際速度接近，驗(yàn)證了計(jì)算方法的可靠性。說(shuō)明水下低壓氣動(dòng)發(fā)射，可通過(guò)修正系數(shù)代替發(fā)射過(guò)程中的摩擦力、氣組、水阻力的方式大致估算發(fā)射筒出口速度，且發(fā)射壓力越高修正系數(shù)越小。

表1 兩種壓力的理論速度與實(shí)際速度對(duì)比表Tab.1 Comparison table of theoretical speed and actual speed for two types of pressure

從圖11～圖12中可以看出，試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)彈出筒后出水前的速度總體上在不斷減小，但速度變化并不規(guī)則，出現(xiàn)了短時(shí)間振蕩的現(xiàn)象，其原因可能是彈在水中受水阻力、重力、空泡流和浮力等因素的綜合作用，加速度不穩(wěn)定，待彈丸出水后速度做接近勻減速運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)分析水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射的研究需求，完成了水下可移動(dòng)多彈發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建立了水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)的模型。通過(guò)分析彈丸發(fā)射過(guò)程中發(fā)射系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)的受力情況，計(jì)算出指定發(fā)射初速度下的發(fā)射壓力范圍，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿真，發(fā)現(xiàn)發(fā)射筒與分割氣室接觸面的應(yīng)變和變形量最大，最大應(yīng)變?yōu)?.00027126 mm，最大變形量為0.016363 mm，均在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)。還發(fā)現(xiàn)發(fā)射筒與分割氣室的上接觸面遠(yuǎn)離中心的一側(cè)應(yīng)力應(yīng)變更大，導(dǎo)致發(fā)射筒往內(nèi)側(cè)偏斜。最后進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了彈丸的位移-時(shí)間曲線和速度-時(shí)間曲線，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性及可靠性。水下可移動(dòng)多彈發(fā)射系統(tǒng)的研制解決了彈丸發(fā)射出口速度不容易控制的問(wèn)題，對(duì)水下可移動(dòng)多彈氣動(dòng)發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)的研究的具有重要意義。