某型不平衡式發(fā)射裝置泄放提前對出管速度的影響

王學(xué)美，周農(nóng)旭

(1．武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084;2．海軍駐武漢461廠軍事代表室，湖北 武漢 430084)

某型不平衡式發(fā)射裝置泄放提前對出管速度的影響

王學(xué)美1，周農(nóng)旭2

(1．武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084;2．海軍駐武漢461廠軍事代表室，湖北 武漢 430084)

通過簡化氣動不平衡發(fā)射原理，建立數(shù)學(xué)模型通過仿真計(jì)算得出不同發(fā)射深度及不同提前泄放距離對武器出管速度的影響程度，為空氣發(fā)射系統(tǒng)閥件的陸上或艇上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)的安全對水深狀態(tài)調(diào)整儀的調(diào)整提供判斷依據(jù)。

泄放點(diǎn);出管速度;安全出管

0 引言

氣動不平衡發(fā)射原理是指在發(fā)射過程中直接利用發(fā)射氣瓶內(nèi)貯存的壓縮空氣將武器推出發(fā)射管，因此發(fā)射氣瓶內(nèi)貯存的空氣除了滿足推動魚雷和發(fā)射管內(nèi)環(huán)形間隙的海水及克服魚雷運(yùn)動過程的摩擦阻力和迎面阻力所需的能量外，還要保證克服潛艇航行深度變化對管內(nèi)武器產(chǎn)生的背壓所需的能量及回收管內(nèi)廢氣的能量，即發(fā)射氣瓶內(nèi)貯存的能量取決于發(fā)射時(shí)魚雷的運(yùn)動速度和發(fā)射深度。氣動不平衡式發(fā)射裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，布局方便，適合中小型潛艇布局，但由于發(fā)射氣瓶內(nèi)貯存的能量隨深度的增加而增大，艙室增壓也隨深度的增加而增大，武器出管速度不穩(wěn)定即保證武器安全出管所需的能量控制難度大。最具代表性的氣動不平衡式發(fā)射裝置應(yīng)屬俄羅斯研制設(shè)計(jì)某型氣動不平衡式魚雷發(fā)射裝置，其最大發(fā)射深度可達(dá)240 m，工作原理見圖 1［1］。

無泡系統(tǒng)作為氣動不平衡式發(fā)射裝置的重要組成部分，其作用主要有2點(diǎn)：一是無傾差性，即為了保證艇體的平衡，減小發(fā)射武器對艇體的擾動，在武器出管的同時(shí)，回收一定量的海水;二是無泡性，即為了保證發(fā)射時(shí)不暴露目標(biāo)，在發(fā)射后回收發(fā)射所用的空氣，以達(dá)到無泡發(fā)射的目的［1］。

圖1 氣動不平衡式發(fā)射裝置工作原理圖Fig.1 Pneumatic imbalance launcher working schematic

由于發(fā)射深度的不同，要求有不同的泄放閥打開時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。如果泄放閥打開時(shí)刻過早，不能保證魚雷能以足夠的速度出管，甚至?xí)斐伞白住爆F(xiàn)象，即魚雷由于管內(nèi)速度不夠被海水推回管內(nèi)，威脅到潛艇的安全;如果泄放閥打開時(shí)刻過晚或打開持續(xù)時(shí)間過短，不能保證發(fā)射空氣能全部收回，無法滿足無泡性要求，影響潛艇的隱蔽性。本文通過仿真計(jì)算研究泄放點(diǎn)提前對武器出管速度的影響程度。

圖2 泄放閥開啟時(shí)魚雷行程與深度的關(guān)系Fig.2 Relation between the depth and torpedo stroke as the relief valve open

1 建模理論

氣動不平衡式發(fā)射裝置以壓縮空氣作為發(fā)射初始動力，而高壓壓縮空氣變質(zhì)量狀態(tài)變化是非常復(fù)雜的非線性熱力變化過程，為了便于建立某型發(fā)射裝置的數(shù)學(xué)模型，作如下假設(shè)：

1)氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程;

2)氣體流動是絕熱等熵流動，滿足氣體絕熱狀態(tài)變化方程;

圖3 泄放閥開啟時(shí)間與深度的關(guān)系［2］Fig．3 Relation between the depth and time for the opening of the relief vavle

3)變質(zhì)量系統(tǒng)溫度場為均勻場。

基于上述假設(shè)，在建立發(fā)射閥的數(shù)學(xué)模型過程中，主要采用的熱力學(xué)和流體動力學(xué)理論為：

1)熱力學(xué)第一定律

式中：Q為熱力系統(tǒng)與外界交換的熱量;W為熱力系統(tǒng)對外所做的功;ΔE為熱力系統(tǒng)總能量的增加。

2)可逆過程熵增定律

式中：dS為熱力系統(tǒng)熵的變化;dQ為熱力系統(tǒng)熱量的變換;T為熱力學(xué)溫度。

3)理想氣體狀態(tài)方程

式中：p為絕對壓力;V為氣體體積;T為熱力學(xué)溫度。

4)氣體連續(xù)性方程

式中：ρ為氣體密度;v為氣體流動速度;A為氣體流道截面積。

5)伯努利方程

式中：v為氣體流速;g為氣體比重;z為位置高度;h為摩擦阻力引起能量損失。

2 數(shù)學(xué)模型

3 仿真結(jié)果

根據(jù)方程組(6)～(28)編制計(jì)算程序，具體程序略，仿真結(jié)果如下。

3.1 泄放閥在理論泄放時(shí)機(jī)開啟時(shí)的出管速度

圖4～圖9為發(fā)射深度為10～240 m時(shí)，隨發(fā)射深度的變化，泄放閥在理論泄放時(shí)機(jī)開啟時(shí)的出管速度。從100 m開始，發(fā)射深度越大時(shí)，出管點(diǎn)速度有下降傾向。

3.2 泄放閥提前開啟時(shí)的出管速度分析

當(dāng)在泄放點(diǎn)提前時(shí)，發(fā)射氣瓶中的高壓空氣經(jīng)發(fā)射閥特形孔繼續(xù)進(jìn)入發(fā)射管，進(jìn)入發(fā)射管的高壓空氣繼續(xù)膨脹作功推動武器前進(jìn)，同時(shí)一部分能量通過泄放閥排到艙室，此時(shí)輸入的能量(高壓空氣膨脹作功)大于泄放閥排出的能量與克服武器前進(jìn)的各種阻力之和，故武器速度會繼續(xù)增加。但隨著時(shí)間推移(在發(fā)射閥關(guān)閉前)，輸入的能量(高壓空氣膨脹作功)等于泄放閥排出的能量與克服武器前進(jìn)的各種阻力之和時(shí)武器速度達(dá)到最大值。隨著時(shí)間繼續(xù)推移(在發(fā)射閥關(guān)閉后到泄放閥關(guān)閉前)，輸入的能量(高壓空氣膨脹作功)小于泄放閥排出的能量與克服武器前進(jìn)的各種阻力之和時(shí)武器開始減速。從圖10～圖15曲線可以看出，在100 m深度以上，泄放點(diǎn)提前1～2 m以內(nèi)時(shí)，出管速度降低明顯，而2 m以后其下降漸趨平緩;在100 m深度以下，泄放點(diǎn)提前1～2 m以內(nèi)時(shí)，出管速度降低不是特別明顯，而2 m以后其下降加劇;如果泄放點(diǎn)提前到3 m左右時(shí)，其出管速度隨深度的增加而急劇降低。

4 結(jié)語

仿真計(jì)算結(jié)果表明，如果發(fā)射閥開啟正常時(shí)，當(dāng)泄放點(diǎn)提前1～2 m以內(nèi)時(shí)，武器出管速度基本能滿足安全出管的要求。如果繼續(xù)提前(3 m甚至更多時(shí))，武器出管速度急劇降低甚至?xí)聪蜻\(yùn)動(即出現(xiàn)“座雷”現(xiàn)象)。

在進(jìn)行氣動不平衡式發(fā)射裝置空氣發(fā)射系統(tǒng)閥件的陸上或艇上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí)，為保證安全，首先應(yīng)進(jìn)行水深狀態(tài)調(diào)整儀的調(diào)試，使其滿足規(guī)范要求;其次，對發(fā)射閥進(jìn)行調(diào)試(空放、水放)，使其滿足規(guī)范要求;最后進(jìn)行發(fā)射武器的試驗(yàn)。

［1］許彪．某裝置水深狀態(tài)調(diào)整儀研究［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2009．

［2］穆連運(yùn)，馬亮，高洪林．877、636型潛艇魚雷發(fā)射裝置和裝填裝置原理與維修［M］．海裝艦技部．

Research on muzzle speed influenced by pre-discharging based on imbalance torpedo launcher

WANG Xue-mei1，ZHOU Nong-xu2
(1．Wuhan Marine Machinery Co．Ltd，Wuhan 430084，China;2．The Naval Representative Department in No．461 Plant，Wuhan 430084，China)

In this paper，a mathematical model is established．Through the simulation of the model，results of the muzzle speed of weapons influenced by different launching depth and different discharging point based on imbalance launching principle are obtained．The result provides judgment basis for valves of air launching system on land or submarine is carrying out．

discharging point;muzzle speed;safely tube

TJ430．3+6

A

1672－7649(2012)07－0079－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.017

2011－10－24;

2011－12－14

王學(xué)美(1970－)，男，研究員，主要從事發(fā)射裝置研究。