艦載蒸汽彈射內(nèi)彈道設(shè)計(jì)計(jì)算

陳慶貴，齊強(qiáng)，林琨山，周紅梅

（1．海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264001;2．中國(guó)人民解放軍91604部隊(duì)，山東龍口 265700）

0 引言

彈射起飛作為一種能在較短距離內(nèi)使艦載機(jī)達(dá)到起飛速度的起飛方式，已成為航母艦載機(jī)的主要起飛方式之一［1］，而蒸汽彈射又是艦載機(jī)彈射起飛方式之一。蒸汽彈射技術(shù)目前已較為成熟，蒸汽彈射動(dòng)力裝置已廣泛應(yīng)用于彈射飛機(jī)［2］。蒸汽彈射系統(tǒng)主要由儲(chǔ)汽罐、發(fā)射閥、排氣閥、汽缸、活塞驅(qū)動(dòng)組件、往復(fù)車及其連接機(jī)構(gòu)以及水平制動(dòng)裝置等部分組成。本文將導(dǎo)彈發(fā)射內(nèi)彈道原理［3］應(yīng)用于艦載機(jī)的彈射過(guò)程，建立了艦載蒸汽彈射內(nèi)彈道設(shè)計(jì)和計(jì)算模型［3］，并進(jìn)行了仿真計(jì)算。

1 蒸汽彈射內(nèi)彈道設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)彈道設(shè)計(jì)基本要求

1）彈射系統(tǒng)必須保證所要求的飛機(jī)離艦速度。

2）飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的水平加速度小于或等于某一允許值，并盡量使飛機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

3）汽缸內(nèi)工質(zhì)氣體壓力小于或等于某一允許值。

1.2 內(nèi)彈道設(shè)計(jì)基本關(guān)系式［3］

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在進(jìn)行內(nèi)彈道設(shè)計(jì)時(shí)作如下假設(shè)和工程處理: 1）假設(shè)飛機(jī)作勻加速運(yùn)動(dòng)，忽略牽制力的影響。2）忽略狀態(tài)方程中高次項(xiàng)和反映分子體積參數(shù)的影響。

3）以濕式儲(chǔ)汽罐為研究的動(dòng)力源，儲(chǔ)汽罐內(nèi)壓力取彈射開(kāi)始和彈射終了的平均值。

4）蒸汽在管道內(nèi)的流動(dòng)視為一維流動(dòng)。

1.2.1 有效彈射工作時(shí)間

從閥門打開(kāi)到動(dòng)力沖程完了所需時(shí)間為有效彈射工作時(shí)間，可由下式求得:

式中:tM為從閥門打開(kāi)到飛機(jī)剛要運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間; te″=2le/ve為從飛機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到關(guān)閉進(jìn)氣閥所需時(shí)間;ε為考慮彈道性能所取的修正量，一般取ε≤0。1.2.2飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的平均加速度與最大加速度

最大加速度為

式中:ve為艦載機(jī)的離艦速度;le為動(dòng)力沖程;k= amax/a—為最大加速度與平均加速度的比值。

1.2.3 汽缸內(nèi)平均壓力與最大壓力

式中:M為艦載機(jī)與活塞的總質(zhì)量;xk為動(dòng)能系數(shù); St為汽缸缸徑;z為阻力系數(shù)。

1.2.4 進(jìn)入汽缸的有效蒸汽量

由于采用濕式儲(chǔ)汽罐，工質(zhì)氣體在汽缸內(nèi)膨脹做功后處于濕蒸汽狀態(tài)。又假設(shè)飛機(jī)在艦上作勻加速運(yùn)動(dòng)，利用v2=2al=2ngl，可得如下方程:

將式（7）帶入式（6），得

當(dāng)l=le時(shí)，則可得動(dòng)力沖程完了時(shí)進(jìn)入汽缸內(nèi)的有效蒸汽量為

式中:l0為初始容積當(dāng)量長(zhǎng)度;ΔH為水的汽化潛熱; v″為過(guò)熱蒸汽的比容;xe為能量系數(shù);cl為水的比熱;xp為壓力系數(shù)。

1.2.5 儲(chǔ)汽罐壓力的確定

儲(chǔ)汽罐內(nèi)的壓力應(yīng)根據(jù)缸內(nèi)壓力Pt的要求和氣動(dòng)力特性來(lái)確定。根據(jù)一維等熵管流假設(shè)，可按臨界截面的流量公式計(jì)算進(jìn)入汽缸內(nèi)的蒸汽流量，則

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)特性，使式（10）成立的壓力比必須是

將式（11）用于彈射系統(tǒng)，則

式中:Ma為馬赫數(shù);P∞為儲(chǔ)汽罐內(nèi)初始?jí)毫?k為水蒸氣絕熱指數(shù)。

2 蒸汽彈射內(nèi)彈道計(jì)算

2.1 內(nèi)彈道方程

蒸汽彈射內(nèi)彈道方程［3］如下:

2.2 數(shù)值積分關(guān)系式

根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式，飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的行程和速度為

2.3 蒸汽量方程

蒸汽從儲(chǔ)汽罐經(jīng)發(fā)射閥流入汽缸，其蒸汽量按下式計(jì)算:

式中:φ為流量系數(shù);a為與流動(dòng)有關(guān)的無(wú)因此系數(shù); σk為發(fā)射閥喉部截面積;T0為總溫;P∞為儲(chǔ)汽罐中初始?jí)毫Α?/p>

3 算例與分析

用MATLAB語(yǔ)言［4］對(duì)內(nèi)彈道方程，數(shù)值積分關(guān)系式和蒸汽量方程進(jìn)行編程，并以某型飛機(jī)為例，對(duì)其內(nèi)彈道方程進(jìn)行求解計(jì)算。仿真結(jié)果見(jiàn)圖（1）～圖（6）。

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

從表1可以看出，設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算參數(shù)二者的誤差最小為0.34%，最大為7.9%，且飛機(jī)末速度的誤差較小。設(shè)計(jì)與計(jì)算存在差別是不可避免的，這是因?yàn)樵谶M(jìn)行內(nèi)彈道設(shè)計(jì)時(shí)作了一些簡(jiǎn)化處理。

3.2 變化規(guī)律分析

1）蒸汽量和位移變化規(guī)律基本一致，呈二次曲線規(guī)律變化，說(shuō)明所假定的供汽方案基本滿足要求。

2）飛機(jī)運(yùn)動(dòng)速度近似呈直線規(guī)律變化，說(shuō)明飛機(jī)在艦上作準(zhǔn)勻加速運(yùn)動(dòng)。

3）加速度與壓力變化規(guī)律一致，在飛機(jī)運(yùn)動(dòng)初始階段飛機(jī)運(yùn)動(dòng)較慢，加速度增加較快，隨著飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的加快，缸內(nèi)空間的增加超過(guò)蒸汽供應(yīng)，使壓力降低，從而使加速度降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了艦載機(jī)蒸汽彈射內(nèi)彈道設(shè)計(jì)與計(jì)算模型并進(jìn)行了仿真計(jì)算，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。對(duì)于蒸汽彈射技術(shù)，國(guó)外已有較成熟的技術(shù)并在航母上得到廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于蒸汽彈射技術(shù)的研究與國(guó)外還有一定差距。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)蒸汽彈射技術(shù)的研究，尤其是蒸汽供應(yīng)規(guī)律的研究。

［1］王俊彥．艦載機(jī)彈射起飛技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］．科技信息，2009，23:430．

［2］白建成．蒸汽彈射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型［J］．中國(guó)造船，2001，42（3）:101－104．

BAI Jian-cheng．Mathematic model for interior trajectories of steam launchers［J］．Shipbuilding of China，2001，（3）:101－104．

［3］趙險(xiǎn)峰，王俊杰．潛地彈道導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)彈道學(xué)［M］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2000．

［4］劉衛(wèi)國(guó)．Matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:高等教育出版社，2006．