液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置內(nèi)彈道建模與仿真

田 兵, 王樹宗, 練永慶

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液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置內(nèi)彈道建模與仿真

田 兵, 王樹宗, 練永慶

(海軍工程大學(xué) 兵器新技術(shù)應(yīng)用研究所, 湖北 武漢, 430033)

液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置以其低發(fā)射噪聲、無艙室增壓等優(yōu)點備受各國海軍青睞。為研究該型魚雷發(fā)射裝置的內(nèi)彈道特性, 該文在其結(jié)構(gòu)及發(fā)射原理基礎(chǔ)上, 通過合理簡化及假設(shè)建立了該裝置發(fā)射過程的內(nèi)彈道模型,并在MATLAB/Simulink環(huán)境下進行了仿真計算。仿真結(jié)果表明, 建立的內(nèi)彈道模型能基本反映該裝置的內(nèi)彈道特性, 為裝置的工程設(shè)計提供了依據(jù)。要使其內(nèi)彈道性能滿足要求, 應(yīng)結(jié)合該裝置的具體戰(zhàn)技指標(biāo)來確定裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)及初始能量儲備。

魚雷發(fā)射裝置; 液壓蓄能式; 內(nèi)彈道; 建模與仿真

0 引言

潛艇魚雷發(fā)射噪聲主要來自于壓縮空氣排氣噪聲、武器出管時的流體噪聲和發(fā)射瞬間引起的機械振動等。在以壓縮空氣作為發(fā)射工質(zhì)的魚雷發(fā)射裝置中, 普遍存在的問題就是發(fā)射時強烈的排氣噪聲和艙室瞬時壓力的增高。

當(dāng)前, 廣泛使用的氣水缸往復(fù)活塞液壓平衡式魚雷發(fā)射裝置和空氣渦輪泵式魚雷發(fā)射裝置都使用壓縮空氣作能源, 發(fā)射時不可避免地會產(chǎn)生排氣噪聲, 這不僅破壞潛艇的隱蔽性, 而且影響艇員的身心健康。雖然各國在有源發(fā)射方式的魚雷發(fā)射裝置中, 增加了消聲裝置, 對發(fā)射后的廢氣采取快速回收和慢速釋放等措施, 但并未從根本上解決存在的問題[1]。

為此, 探索新的發(fā)射能源和發(fā)射技術(shù), 是各國共同面對的現(xiàn)實問題。為了消除和降低艙內(nèi)排氣噪聲, 許多國家都致力于研制不使用壓縮空氣作能源的發(fā)射裝置, 德國等國在20世紀(jì)80年代開始研制的液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置，美國研制的彈性發(fā)射裝置以及電磁式發(fā)射裝置是其中的典型代表[1]。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置(見圖1)主要是在往復(fù)活塞水壓平衡式發(fā)射裝置的基礎(chǔ)上, 對高壓空氣系統(tǒng)進行改進, 采用液壓蓄壓器代替高壓空氣瓶, 用油缸代替氣缸。該裝置主要由油缸、蓄壓器、程控發(fā)射閥、氮氣瓶、油泵、油箱和截止閥等組成[3]。

圖1 液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置的發(fā)射原理是: 發(fā)射前通過油泵向蓄壓器內(nèi)皮囊的外腔注入油液, 油液壓縮皮囊內(nèi)的氮氣, 通過蓄壓的方式存儲發(fā)射能量。發(fā)射時, 首先關(guān)閉油缸前、后腔之間的截止閥, 使程控發(fā)射閥按一定規(guī)律打開, 控制油缸回油通道面積, 油缸后腔與油箱相通, 蓄壓器內(nèi)的壓力推動活塞移動至油缸尾部極限位置, 海水經(jīng)發(fā)射水艙、滑套閥進入相應(yīng)的發(fā)射管, 推動武器出管, 在武器出管運動后, 關(guān)閉程控發(fā)射閥, 活塞停止運動。發(fā)射完成后, 打開油缸前、后腔之間的截止閥, 由于活塞兩端受壓面積不同, 蓄壓器內(nèi)剩余壓力可將活塞推向其初始待發(fā)位置。

從液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理可以看出, 該裝置屬于液壓平衡式發(fā)射裝置, 其發(fā)射所需能量不受發(fā)射深度的影響, 而且由于采用活塞拉壓式, 發(fā)射深度越大, 海水靜壓提供的動力越大。在發(fā)射過程中, 由于沒有高壓空氣的泄放, 因此不會造成艙室增壓, 也沒有排氣噪聲, 而且該裝置可以通過程控發(fā)射閥對內(nèi)彈道進行控制, 以便于在不同環(huán)境下發(fā)射不同種類武器, 這些都是液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置倍受歡迎之所在。

2 內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)

1) 發(fā)射過程為絕熱過程, 蓄壓器與外界無熱交換; 2) 發(fā)射管、水缸、發(fā)射水艙及油缸前后腔內(nèi)壓力均勻[4]; 3) 為便于分析, 在建模與仿真分析中用1個蓄壓器等效2~3個蓄壓器; 4) 在計算蓄壓器內(nèi)氣體膨脹時, 假設(shè)高壓油不可壓縮, 即氣體膨脹的體積等于液壓油從蓄壓器流入油缸前腔的體積; 5) 發(fā)射過程中忽略蓄壓器與油缸前腔的壓力差, 即假設(shè)蓄壓器內(nèi)壓力與油缸前腔壓力相等。

2.2 蓄壓器

由假設(shè)1)和3), 根據(jù)絕熱過程氣體狀態(tài)方程得蓄壓器內(nèi)氣體壓力變化為

式中:P為蓄壓器中氣體的壓力;P0為蓄壓器中氣體的初始壓力;V為蓄壓器中氣體的體積;V0則為蓄壓器中氣體的初始體積;為空氣比熱比(或稱絕熱指數(shù))。

再由假設(shè)4)，知

式中:S為油缸的橫截面積;S為活塞桿的橫截面積;x為活塞的行程。

2.3 油缸后腔壓力模型

發(fā)射過程中, 油缸后腔的壓力為

式中:P為油缸后腔壓力；為液壓油的體積彈性模量;V0為油缸后腔初始容積;q為流經(jīng)發(fā)射閥的液壓油流量。

按下式計算

式中:為油缸后腔的初始壓力；P為外部海水靜壓。

根據(jù)流量公式,q的表達式為

式中:C為液壓油流量系數(shù);S為發(fā)射閥開啟面積;為液壓油的密度;P為潛艇艙室壓力。

2.4 發(fā)射閥開啟面積

發(fā)射閥開啟規(guī)律是發(fā)射裝置設(shè)計的重點和難點, 不僅要求有良好的啟閉特性, 而且要對內(nèi)彈道起控制作用。在此采用理想的快開快閉閥來代替發(fā)射閥, 其開啟規(guī)律如圖2所示。

圖2 發(fā)射閥開啟面積

2.5 活塞組件運動模型

活塞組件在發(fā)射過程中受到油缸前后腔、水缸前后腔的壓力以及摩擦力的作用, 根據(jù)牛頓第二定律, 活塞組件的運動模型

式中:S為水缸活塞橫截面積;F為活塞組件受到的摩擦力;P為水缸壓力。

2.6 水缸壓力模型

發(fā)射過程中, 油缸活塞通過活塞桿帶動水缸活塞向后運動, 水缸活塞把水壓入發(fā)射水艙, 水缸中的壓力變化為

由水缸流入發(fā)射水艙的水的流量

2.7 發(fā)射水艙壓力模型

發(fā)射水艙壓力變化為

式中:q為水缸流入發(fā)射水艙的水的流量,q=q0;V為發(fā)射水艙水的體積;q0為發(fā)射水艙流入發(fā)射管的水的流量,且

式中:S為滑套閥開啟面積;P為發(fā)射管內(nèi)壓力。

2.8 發(fā)射管內(nèi)壓力模型

發(fā)射過程中, 水缸中的水通過滑套閥的特形孔被壓入發(fā)射管內(nèi), 使得發(fā)射管內(nèi)壓力升高, 其壓力變化模型為

式中:q為發(fā)射水艙流入發(fā)射管的水的流量,q=q0;v為魚雷管內(nèi)速度;x為魚雷管內(nèi)位移;S為魚雷橫截面積;V0為發(fā)射管內(nèi)水初始體積;q0為魚雷與發(fā)射管之間的水的泄流量，且

2.9 魚雷管內(nèi)運動模型

魚雷所受的力有重力、浮力、迎面阻力、管壁摩擦力、尾部海水推壓以及外部海水靜壓力, 把運動的海水與魚雷視為一個整體, 其運動方程為

3 內(nèi)彈道仿真與分析

根據(jù)內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型, 在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立內(nèi)彈道仿真模型, 采用文獻[4]中相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真計算, 得到的仿真結(jié)果如圖3~圖10所示。其中發(fā)射條件: 發(fā)射深度為50 m, 潛艇航速為3 kn。

圖3 魚雷管內(nèi)位移曲線

圖4 魚雷速度曲線

圖5 魚雷加速度曲線

圖6 膛壓曲線

圖7 發(fā)射氣瓶壓力曲線

圖8 油缸后腔壓力曲線

圖9 活塞組件速度曲線

圖10 活塞組件加速度曲線

從仿真結(jié)果可以看出, 魚雷出管時間約為0.55 s, 膛壓與魚雷的加速度變化規(guī)律一致; 魚雷在管內(nèi)的速度先增大后逐漸減小, 有一個很明顯的峰值, 最大加速度達到了110.8 m/s2, 出管速度為13.83 m/s; 活塞在發(fā)射閥打開一段時間后才開始運動, 并且其運動速度為先增大后減小, 這是由于發(fā)射閥的啟閉所造成的; 發(fā)射氣瓶壓力在活塞開始運動后從13 MPa逐漸降到5.2 MPa; 油缸后腔壓力先急劇減小, 然后變化比較平穩(wěn), 到發(fā)射末段又增大, 這是因為發(fā)射閥一打開, 其壓力由于液壓油的泄放而減小, 在活塞向后開始運動后又?jǐn)D壓后腔的油液, 使得后腔油液壓力變化平穩(wěn), 到發(fā)射末端, 由于發(fā)射閥的關(guān)閉, 油液泄放量逐漸減小, 而活塞由于慣性進一步擠壓后腔油液, 因此造成后腔油液壓力在發(fā)射末段的增高。

總之, 仿真結(jié)果能反映出發(fā)射過程的基本變化規(guī)律, 但是仿真所用的結(jié)構(gòu)參數(shù)并不能滿足發(fā)射要求, 例如魚雷發(fā)射時最大膛壓高達110.8 m/s2, 這對魚雷的結(jié)構(gòu)是很不利的, 最大膛壓達到0.78 MPa, 超出了文獻[1]中提出的拋射壓力小于0.6 MPa的指標(biāo), 因此發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)及發(fā)射能量需要按照發(fā)射裝置的戰(zhàn)技指標(biāo)進行調(diào)整, 進行合理優(yōu)化。

4 結(jié)束語

根據(jù)液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)及工作原理, 本文建立了該裝置內(nèi)彈道模型。通過對內(nèi)彈道模型的仿真計算, 顯示內(nèi)彈道模型能反映出液壓蓄能式魚雷發(fā)射裝置的內(nèi)彈道特性, 為該裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。研究認為, 應(yīng)結(jié)合該裝置的具體戰(zhàn)技指標(biāo), 進一步確定裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù), 使該裝置的內(nèi)彈道性能滿足要求。

[1] 王云. 潛艇低噪聲武器發(fā)射裝置之液壓發(fā)射系統(tǒng)概論[J]. 魚雷與發(fā)射技術(shù), 2000, (4): 36-39.

[2] 郭關(guān)柱, 王云. 低噪聲魚雷發(fā)射技術(shù)之探討[J]. 魚雷與發(fā)射技術(shù), 2002, (2): 23-30.

[3] 王云. 蓄能式潛艇魚雷發(fā)射裝置液壓平衡系統(tǒng)原理探討[J]. 水中兵器, 2001, (2): 42-46.

[4] 張孝芳, 王樹宗, 練永慶. 氣動水壓式水下武器發(fā)射系統(tǒng)建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2009, 21(10): 3092-3095. Zhang Xiao-fang, Wang Shu-zong, Lian Yong-qin. Modeling and Simulation of Pneumatic and Hydraulic Underwater Weapon Launching System[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(10): 3092-3095.

Inner Trajectory Modeling and Simulation of Hydraulic Energy Accumulated Torpedo Launcher

TIAN Bing, WANG Shu-zong, LIAN Yong-qing

(New Weaponry Technology & Application Research Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

For its low launching noise and absence of increasing pressure in chamber, the hydraulic energy accumulated torpedo launcher has held navies′ interest around the world. In this paper, to research the inner trajectory characteristic of the launcher, an inner trajectory model for the launching course is built on the basis of the structure and launching theory by proper simplification and hypothesis. Simulation is performed with MATLAB/Simulink, and the result shows the validity of the model. Tactical and technical indexes of the launcher should be considered in determination of its structure parameters and initial energy storage to meet the requirement for inner trajectory characteristic.

torpedo launcher; hydraulic energy accumulated; inner trajectory; modeling and simulation

TJ635

A

1673-1948(2011)01-0068-04

2010-07-15;

2010-09-03.

田 兵(1983-), 男, 在讀博士, 研究方向為水中兵器發(fā)射理論與技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)