氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置氣水回收過程仿真與分析

練永慶, 周厚成, 吳開鋒, 田 兵

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氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置氣水回收過程仿真與分析

練永慶1, 周厚成2, 吳開鋒3, 田 兵1

(1．海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國人民解放軍國防大學(xué), 北京, 100091;3. 中國人民解放軍91341部隊(duì), 山東 威海, 264200)

當(dāng)潛艇使用氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置發(fā)射魚雷時(shí), 無泡系統(tǒng)的氣水回收過程對(duì)潛艇的隱蔽性與艇體均衡均有直接影響。為了對(duì)無泡系統(tǒng)氣水回收過程進(jìn)行研究, 建立了無泡系統(tǒng)的定時(shí)調(diào)節(jié)器、無泡氣瓶、泄放閥等各組成部件的數(shù)學(xué)模型, 并結(jié)合已有的氣動(dòng)不平衡發(fā)射系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 進(jìn)行了無泡系統(tǒng)氣水回收過程的仿真。仿真結(jié)果與實(shí)際回收海水量的結(jié)果對(duì)比表明, 所建立的模型基本正確, 可用于氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置無泡系統(tǒng)的分析與論證。

魚雷; 潛艇; 氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置; 無泡系統(tǒng); 仿真

0 引言

氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置是潛艇主要的魚雷發(fā)射裝置之一[1]。該裝置主要由發(fā)射管及其管上機(jī)械、空氣發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射閥、發(fā)射氣瓶等)、無泡系統(tǒng)等組成(見圖1)。由于該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕和造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn), 在許多中、小型潛艇平臺(tái)中仍具有較大的應(yīng)用前景。以往對(duì)該裝置的研究多集中在其空氣發(fā)射系統(tǒng)與魚雷內(nèi)彈道方面[2-3], 而與潛艇發(fā)射過程中的隱蔽性與艇體均衡密切相關(guān)的無泡系統(tǒng)氣水回收過程研究甚少, 為此本文以俄羅斯ГС-45型潛艇魚雷發(fā)射裝置為例, 通過對(duì)其無泡系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真, 對(duì)該系統(tǒng)的氣水回收過程進(jìn)行分析。

1 氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置無泡系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 無泡系統(tǒng)基本組成

氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置的氣水回收過程與其無泡系統(tǒng)密切相關(guān)。無泡系統(tǒng)主要由無泡氣瓶、定時(shí)調(diào)節(jié)器和泄放閥等組成(見圖1)。其中, 無泡氣瓶為泄放閥的打開提供動(dòng)力, 而定時(shí)調(diào)節(jié)器則可根據(jù)不同發(fā)射深度控制泄放閥打開的時(shí)間, 是無泡系統(tǒng)的核心。定時(shí)調(diào)節(jié)器分兩部分(見圖2), 分別為送氣部分和放氣部分, 其中送氣部分控制泄放閥開啟的時(shí)機(jī)、放氣部分控制泄放閥打開的持續(xù)時(shí)間。

圖1 氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置原理圖

圖2 定時(shí)調(diào)節(jié)器原理圖

1.2 無泡系統(tǒng)工作原理

氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置發(fā)射時(shí), 發(fā)射氣瓶中的高壓空氣經(jīng)過發(fā)射閥, 單向閥進(jìn)入發(fā)射管推動(dòng)魚雷運(yùn)動(dòng), 當(dāng)發(fā)射氣瓶壓力降到一定程度時(shí)(魚雷約有四分之三離開發(fā)射管), 定時(shí)調(diào)節(jié)器的送氣部分動(dòng)作, 無泡氣瓶的氣體進(jìn)入泄放閥, 當(dāng)無泡氣瓶的高壓空氣推壓泄放閥活塞向下的力, 大于其彈簧力及發(fā)射管內(nèi)作用于泄放閥閥盤上之空氣壓力的合力時(shí), 打開泄放閥, 將發(fā)射管中的廢氣和海水回收到艇上的無泡水柜中。在定時(shí)調(diào)節(jié)器送氣部開啟時(shí), 無泡氣瓶的空氣通過定量氣孔排到大氣中, 無泡氣瓶壓力逐漸下降, 當(dāng)無泡氣瓶壓力降到一定程度, 其作用在活塞2的力小于放氣部彈簧彈力以及所用在活塞3上的海水壓力之和, 活塞2處的密封面打開, 無泡氣瓶及泄放閥處的高壓空氣迅速從放氣孔放出, 泄放閥關(guān)閉, 氣水回收過程結(jié)束。

為了便于對(duì)氣水回收過程進(jìn)行建模與仿真, 對(duì)該過程進(jìn)行了簡化, 即無泡系統(tǒng)回收氣水的過程中, 泄放閥打開時(shí)首先回收發(fā)射管內(nèi)的空氣, 發(fā)射管內(nèi)空氣壓力小于外部海水壓力時(shí), 海水經(jīng)過發(fā)射管與魚雷之間的間隙進(jìn)入發(fā)射管。當(dāng)海水填滿發(fā)射管時(shí), 才開始回收海水, 直至泄放閥關(guān)閉。

2 無泡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 定時(shí)調(diào)節(jié)器模型

1) 定時(shí)調(diào)節(jié)器送氣部分動(dòng)作時(shí)發(fā)射氣瓶壓力計(jì)算

當(dāng)發(fā)射氣瓶壓力降到一定程度時(shí), 送氣部分的無泡氣瓶壓力、彈簧力以及發(fā)射氣瓶壓力之間形成的力平衡被打破, 定時(shí)調(diào)節(jié)器活塞1向下運(yùn)動(dòng), 無泡氣瓶的高壓氣可經(jīng)過活塞1的密封面達(dá)到泄放閥活塞。

定時(shí)調(diào)節(jié)器送氣部分動(dòng)作的條件為

由上式可求出送氣部分動(dòng)作時(shí), 發(fā)射氣瓶的壓力

2) 定時(shí)調(diào)節(jié)器放氣部分定量氣孔放氣模型

當(dāng)泄放閥打開時(shí), 無泡氣瓶中的空氣經(jīng)定量氣孔放到艙室中。假設(shè)氣體的流動(dòng)過程是等熵的, 根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)理論[4], 無泡氣瓶空氣經(jīng)定量氣孔流到艙室的流量為

3) 定時(shí)調(diào)節(jié)器放氣部分動(dòng)作模型

定時(shí)調(diào)節(jié)器的送氣部分動(dòng)作取決于無泡氣瓶的壓力降。送氣部分動(dòng)作時(shí)無泡氣瓶壓力可通過下式計(jì)算

2.2 無泡氣瓶模型

該模型用于描述無泡系統(tǒng)工作過程中無泡氣瓶中氣體的壓力、溫度以及質(zhì)量的變化。

假設(shè)無泡氣瓶的放氣過程為絕熱過程, 則由氣體熱力學(xué)定律經(jīng)推導(dǎo), 有

若忽略氣體的泄漏, 根據(jù)質(zhì)量守恒定律, 有

2.3 泄放閥數(shù)學(xué)模型

1) 泄放閥打開時(shí)的壓強(qiáng)

式中: 為泄放閥工作面積; 為閥桿的面積; 為泄放閥活塞面積; 為導(dǎo)向桿的面積; 為泄放閥彈簧的壓緊力。

2) 泄放閥的開啟面積

泄放閥的理論打開面積為閥門的平衡開度與閥門周長的乘積, 平衡開度可由其彈簧受力后的平衡位置來確定, 即

因此, 泄放閥理論打開面積

水工隧洞混凝土質(zhì)量通病主要表現(xiàn)為以下幾項(xiàng)：蜂窩麻面、水泡、氣泡、錯(cuò)臺(tái)、裂縫、顏色不均、結(jié)合部位爛根、冷縫等質(zhì)量通病。

3) 通過泄放閥的回收空氣量計(jì)算

泄放閥首先回收發(fā)射管內(nèi)空氣, 空氣經(jīng)泄放閥流進(jìn)無泡水柜的空氣流量的計(jì)算模型同式(3)

4) 通過泄放閥的回收海水量計(jì)算

為了在仿真中計(jì)算海水回收量, 須在數(shù)學(xué)模型中做以下工作。

2.4 無泡水柜內(nèi)氣體狀態(tài)方程

該無泡水柜控制體的方程如下

3 氣水回收過程的仿真與分析

根據(jù)以上建立的無泡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 結(jié)合已有的氣動(dòng)不平衡發(fā)射系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[2], 以4階龍格–庫塔算法作為求解微分方程的基本算法, 編制仿真程序。在給定初始條件下, 運(yùn)用仿真程序即可對(duì)發(fā)射過程進(jìn)行仿真。

3.1 仿真結(jié)果

通過仿真可獲得不同發(fā)射深度條件下回收氣水的結(jié)果。這里給出發(fā)射深度分別為45 m, 35 m, 25 m, 15 m時(shí)的結(jié)果, 如表1所示。發(fā)射后期泄放閥回收空氣與海水過程曲線分別見圖4和圖5。

表1 無泡系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4 泄放閥回收空氣量隨時(shí)間變化圖

圖5 泄放閥回收海水量時(shí)間變化圖

3.2 仿真結(jié)果分析

通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析, 可以得出:

1) 泄放閥開啟時(shí)刻與發(fā)射深度相關(guān), 發(fā)射深度越大, 開啟時(shí)刻推遲(見表1)。這是因?yàn)殡m然定時(shí)調(diào)節(jié)器送氣部分動(dòng)作不受外部海水壓力影響, 但泄放閥的開啟還與發(fā)射管內(nèi)壓力有關(guān), 即與外部海水壓力有關(guān), 發(fā)射深度大, 外部海水壓力大, 泄放閥開啟推遲。

2) 泄放閥開啟延時(shí)時(shí)間受發(fā)射深度影響較大, 發(fā)射深度越大, 泄放閥開啟延時(shí)時(shí)間越短(見表1)。這是因?yàn)槎〞r(shí)調(diào)節(jié)器放氣部分動(dòng)作受海水壓力控制, 發(fā)射深度大, 海水壓力大, 放氣部分動(dòng)作早, 因此泄放閥關(guān)閉早。

3) 泄放閥回收空氣量與發(fā)射過程中注入發(fā)射管的氣量是相同的, 發(fā)射深度大, 所需氣量大, 回收氣量相應(yīng)增大(見圖4)。

4) 在不同發(fā)射深度泄放閥回收海水量基本相同, 約為300 L左右。這與ГС-45發(fā)射裝置要求回收水量為150~400 L的技術(shù)指標(biāo)相符。在泄放閥開啟面積固定的條件下, 海水的回收取決于外部海水壓力與泄放閥開啟延時(shí)時(shí)間。發(fā)射深度大時(shí), 海水回收速度快(見圖5), 為保證不同深度具有相同的回收海水量, 只能通過減小泄放閥開啟時(shí)間(見表1)來實(shí)現(xiàn)。從仿真結(jié)果來看, ГС-45定時(shí)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)射裝置對(duì)回收水量的要求。

4 結(jié)束語

通過建立無泡系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 并結(jié)合已有的氣動(dòng)不平衡發(fā)射系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 對(duì)無泡系統(tǒng)氣水回收過程進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明, 所建立的模型基本能反映發(fā)射后期氣水回收過程的基本規(guī)律。所建立數(shù)學(xué)模型可用于該類發(fā)射裝置無泡系統(tǒng)論證與設(shè)計(jì)過程的理論分析與研究。

[1] 王樹宗, 王一中. 海軍艦艇武器裝備概論[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1995: 182-233.

[2] 王樹宗, 練永慶, 陳一雕. 氣動(dòng)式水下武器發(fā)射裝置內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2003, 15(1): 21-26. Wang Shu-zong, Lian Yong-qing, Chen Yi-diao. The Mathemaitc Model of the Underwater Compressed-air Launcher [J]. Journal of Ballistics, 2003, 15(1): 21-26.

[3] 練永慶, 王樹宗. 氣動(dòng)式水下武器發(fā)射裝置節(jié)流閥流通面積研究[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2006, 18(2): 53-57. Lian Yong-qing, Wang Shu-zong. Research on Flow Area of Throttle in Compressed-air Launcher [J]. Journal of Ballistics, 2006, 18(2): 53-56.

[4] 王保國, 劉淑艷, 黃偉光.氣體動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005.

Simulation of Gas-water Recovery Process in Pneumatic Imbalanced Torpedo Launcher

LIAN Yong-qing1, Zhou Hou-cheng2, Wu Kai-feng3, TIAN Bing1

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. University of National Defence, The People′s Liberation Army of China, Beijing 100091, China; 3. 91341thUnit, The People's Liberation Army of China, Weihai 264200, China)

The gas-water recovery process of non-bubble system has direct influence on the stealth and proportionality of the submarine as it launches a torpedo with pneumatic imbalanced torpedo launcher. To investigate the recovery process, mathematical models of this system are built about timing regulator, bubble-free air flask, relief valve, and so on, and the gas-water recovery process of the non-bubble system is simulated by combining with existing pneumatic imbalanced torpedo launcher models. Comparison of the simulation result with the practical recovery amount shows that the mathematical models are correct, and can be applied to design and analysis of the non-bubble system of pneumatic imbalanced torpedo launcher.

torpedo; submarine; pneumatic imbalance torpedo launcher; non-bubble system; simulation

TJ635

A

1673-1948(2012)03-0220-05

2011-06-09;

2011-08-04.

練永慶(1973-), 男, 博士, 講師, 主要研究方向?yàn)轸~雷動(dòng)力與發(fā)射技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)