丁 浩 ,孫乃葳 ,黃 波

(1.海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系,山東 青島,266199;2.中國船舶集團有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077)

0 引言

對于電動力魚雷而言,采用管內(nèi)激活發(fā)射方式時,動力電池注液激活后,一旦發(fā)生故障魚雷未能及時出管,就會對發(fā)射艇產(chǎn)生嚴重的安全隱患[1]。而采用管外激活發(fā)射方式時,魚雷出管后動力電池才激活啟動,能夠有效提高魚雷的使用安全性,這種方式已被外軍所采用[2]。管外激活發(fā)射方式下,魚雷出管的初始階段,其動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都未正常工作,彈道控制難度大,而魚雷初始彈道對其后續(xù)彈道的穩(wěn)定性有直接的影響。國內(nèi)諸多學(xué)者都對魚雷初始彈道展開了相關(guān)研究。劉凱等[3-4]研究了管制舵角和魚雷衡重特性對魚雷初始彈道的影響;李宗吉等[5]對發(fā)射參數(shù)不同時魚雷初始彈道進行了建模和仿真分析,周杰等[6]對UUV 發(fā)射魚雷初始彈道進行了研究;文鋼[7]和張岳青[8]等分別對水雷、魚雷的入水彈道進行了仿真分析。在管外激活彈道方面,主要開展了無線導(dǎo)方式下的彈道研究[1-2]?，F(xiàn)代魚雷為提高其目標(biāo)搜索能力和水聲對抗能力,大都裝備了線導(dǎo)系統(tǒng)[9]。而管外激活發(fā)射方式下線導(dǎo)魚雷初始彈道還未見有成熟的研究成果。因此,文中以管外激活發(fā)射線導(dǎo)電動力魚雷為研究對象,建立線導(dǎo)魚雷初始彈道模型并進行仿真,從而對不同發(fā)射條件對初始彈道的影響進行分析。

1 動力學(xué)模型

1.1 線導(dǎo)魚雷管外激活初始彈道分析

線導(dǎo)魚雷離艇后的初始彈道是指魚雷發(fā)射離艇后,直至魚雷彈道穩(wěn)定(速度穩(wěn)定、姿態(tài)可控)的初始非穩(wěn)定段。該階段的魚雷彈道除了受到自身流體動力特性的影響外,還受到其尾部線導(dǎo)導(dǎo)線布放軟管的拖拽。魚雷離艇后的初始階段由于航速波動較大,彈道控制難度較大(尤其是俯仰角),是水下彈道中最關(guān)鍵的階段[10]。相比管內(nèi)激活發(fā)射方式,管外激活發(fā)射方式主要在離艇后的初始彈道階段存在較大差異,特別是魚雷的縱向運動會受到較大影響,故重點研究魚雷在垂直平面的初始彈道。

1.2 線導(dǎo)魚雷管外激活出管過程動力學(xué)分析

魚雷線導(dǎo)導(dǎo)線布放軟管為金屬軟管,發(fā)射時被魚雷快速拖拽出管并布放在水中。該金屬軟管屬于柔性剛體,釋放過程涵蓋外力拖拽、自身伸張和流體動力等復(fù)雜因素,很難建立準(zhǔn)確的動力學(xué)模型。對金屬軟管釋放過程進行分析可知:整個釋放過程很快,其自身的伸張性表現(xiàn)很弱;金屬軟管的剛度使其流體外形呈現(xiàn)徑向小幅度的不規(guī)則變化,其徑向的流體動力可以忽略;而金屬軟管的拖拽力對魚雷初始彈道有直接影響,故對其進行重點分析[10]。

假設(shè)質(zhì)量為 Δm的金屬軟管所受拉力為F,其在 Δt時間內(nèi)速度由0 增至魚雷速度v,由動量定理可得

式中,Δm=ρg·v·Δt,ρg為金屬軟管密度,由此可得

式中:M為金屬軟管的總質(zhì)量;Lg為金屬軟管的總長度。

同時還有一部分拖曳力用來克服海水摩擦阻力,設(shè)為D,則有

式中:ρ為海水密度;Ωt為金屬軟管沾濕面積,Ωt=πdLt,d為金屬軟管的直徑,Lt為拉出的金屬軟管長度;Cx為摩擦阻力系數(shù),且

其中,Re為雷諾數(shù)。則魚雷放線金屬軟管所受拖曳力為

當(dāng)金屬軟管全部拉出后,便解脫同魚雷的連接,此時金屬軟管所受拖曳力很小,可忽略。

1.3 線導(dǎo)魚雷管外激活出管縱向運動模型

假設(shè)線導(dǎo)魚雷放線金屬軟管對魚雷的拉力為TL,其與金屬軟管所受拖曳力TR互為作用力與反作用力。將TL沿半速度坐標(biāo)系分解為TLx和TLy,假設(shè)TLx與TL的夾角為η,魚雷彈道傾角為 Θ,金屬軟管與水平面的夾角為 ?,如圖1 所示。

圖1 線導(dǎo)魚雷出管受力分析示意圖Fig.1 Schematic diagram of forces analysis for wireguided torpedo out of tube

設(shè)魚雷沿坐標(biāo)軸的位移分別為x、y,由于金屬軟管隨魚雷出管,因此可認為其位移同魚雷一致,則有

令η=Θ+?,可得

線導(dǎo)魚雷縱向運動簡化方程組可寫為

式中,Lw為魚雷浮心與雷尾的距離,其他參量含義見文獻[11]。

2 仿真與分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)定

以國外某型電動力魚雷為研究對象,在魚雷發(fā)射出管后,動力電池激活前,進行橫舵管制,此段彈道為非控彈道。根據(jù)目前魚雷電池技術(shù)的發(fā)展情況,假設(shè)魚雷動力電池激活時間tA為10 s;金屬軟管的總長度Lg=50 m;魚雷橫舵管制舵角 δe不易過大或過小,否則極易導(dǎo)致魚雷沉底或跳水[11],故取δe=0、1°、3°;魚雷出管速度v0一般為8～22 m/s[1],故取v0=12、15、18 m/s;魚雷流體動力參數(shù)取自參考文獻[11];設(shè)魚雷以水平姿態(tài)發(fā)射出管,橫滾忽略不計,討論以上各參數(shù)取不同值時,對魚雷非控段垂直面初始彈道以及航行姿態(tài)的影響。

2.2 橫舵管制舵角對垂直彈道的影響

設(shè)魚雷出管速度v0=15 m/s,分別取魚雷橫舵管制舵角 δe=0、1°、3°,對線導(dǎo)魚雷管外激活垂直面初始彈道進行仿真,結(jié)果如圖2～圖5 以及表1 所示。

表1 δe 不同時的仿真結(jié)果(t=10 s)Table 1 Simulation results when δe changes (t=10 s)

圖2 δe 不同時魚雷與發(fā)射艇的水平距離變化曲線Fig.2 Horizontal distances between torpedo and launch boat when δe changes

圖3 δe不同時魚雷與發(fā)射艇的深度差變化曲線Fig.3 Depth differences between torpedo and launch boat when δe changes

圖4 δe不同時魚雷俯仰角變化曲線Fig.4 Torpedo pitch angels when δe changes

圖5 δe不同時魚雷航速變化曲線Fig.5 Topedo velocities when δe changes

由仿真結(jié)果分析可知,當(dāng)魚雷出管速度v0不變時,δe對魚雷與發(fā)射艇的水平距離影響不大,水平距離變化曲線基本保持一致。魚雷與發(fā)射艇的深度差隨 δe的增大呈減小趨勢,當(dāng) δe=0 時,深度差始終保持在0 附近;當(dāng) δe=3°時,深度差隨時間下降最為明顯,其中“-”號表示魚雷位于發(fā)射艇下方。從魚雷使用安全性的角度考慮,深度差不宜接近于0,以免出現(xiàn)雷艇相撞的事故;同時,深度差也不宜過小,以免出現(xiàn)魚雷沉底現(xiàn)象。魚雷俯仰角隨 δe的增大同樣呈減小趨勢,當(dāng) δe=1°時,魚雷俯仰角穩(wěn)定在0 附近。從魚雷航行姿態(tài)的控制角度考慮,魚雷初始彈道俯仰角不宜過大或過小。魚雷航速隨時間的減小幅度隨 δe增大而減小。當(dāng) δe=0 時,魚雷航速的最大減小幅度為57.3%;當(dāng) δe=3°時,魚雷航速的最大減小幅度為50.7%。

綜合考慮魚雷初始彈道安全性以及魚雷姿態(tài)控制等因素,在此仿真條件下,取 δe=1°是比較理想的。

2.3 魚雷出管速度對垂直彈道的影響

令 δe=1°,分別取v0=12、15 和18 m/s 進行仿真,其他仿真參數(shù)同前,仿真結(jié)果如圖6～圖9 及表2所示。

圖6 v0取不同值時魚雷與發(fā)射艇的水平距離變化曲線Fig.6 Horizontal distances between torpedo and launch boat when v0 changes

圖7 v0不同時魚雷與發(fā)射艇的深度差變化曲線Fig.7 Depth differences between torpedo and launch boat when v0 changes

圖8 v0不同時魚雷俯仰角變化曲線Fig.8 Torpedo pitch angels when v0 changes

圖9 v0不同時魚雷航速變化曲線Fig.9 Topedo velocities when v0 changes

表2 v0不同時的仿真結(jié)果(t=10 s)Table 2 Simulation results when v0 changes (t=10 s)

由仿真結(jié)果分析可知,當(dāng) δe不變時,魚雷與發(fā)射艇的水平距離隨v0的增大而增大,且增大幅度較大。魚雷與發(fā)射艇的深度差隨v0的增大而減小,且減小幅度較小。魚雷俯仰角隨時間呈先減小后增大的趨勢,拐點出現(xiàn)在金屬軟管全部拉出解脫同魚雷的連接后,且俯仰角隨v0的增大而減小。魚雷航速隨時間的減小幅度隨v0的增大而增大,當(dāng)v0=12 m/s 時,魚雷航速的最大減小幅度為49.2%;當(dāng)v0=18 m/s 時,魚雷航速的最大減小幅度為59.4%。

可見,從魚雷初始彈道安全性以及魚雷出管的姿態(tài)控制考慮,增大魚雷的出管速度是有利的。

3 結(jié)束語

在對線導(dǎo)魚雷管外激活出管過程動力學(xué)進行分析的基礎(chǔ)上,建立線導(dǎo)魚雷出管縱向初始運動模型,并進行計算機仿真,分別針對不同橫舵管制舵角和不同出管速度對魚雷初始彈道以及航行姿態(tài)的影響進行了定量分析,結(jié)果表明:通過選取適當(dāng)?shù)?δe(δe=1°)以及增大v0,可使線導(dǎo)魚雷獲得安全的管外激活初始彈道以及良好的姿態(tài)控制,線導(dǎo)魚雷管外激活發(fā)射方式是可行的。文中結(jié)論是在對魚雷動力學(xué)方程進行簡化的基礎(chǔ)上研究得到的,在實際中還存在若干干擾因素,如由發(fā)射艇體引起的魚雷流體動力干擾等,對此還需開展進一步研究工作。