魚雷航行終了漂浮姿態(tài)分析及工程計算方法

曾小凡, 蔡衛(wèi)軍, 徐新棟, 王改娣, 邊 翔

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魚雷航行終了漂浮姿態(tài)分析及工程計算方法

曾小凡1, 蔡衛(wèi)軍1, 徐新棟1, 王改娣1, 邊 翔2

(1. 中國船舶重工集團公司 第 705 研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 山西平陽重工機械有限責任公司, 山西 侯馬, 043002)

魚雷實航試驗中的安全回收與其航行終了的漂浮姿態(tài)密切相關(guān), 直接關(guān)系到試驗的成敗。分析了影響魚雷航行終了漂浮過程和漂浮姿態(tài)的主要因素, 給出了一種直觀、簡潔、實用的漂浮姿態(tài)工程計算方法, 并通過了試驗驗證。驗證結(jié)果表明, 該方法正確、結(jié)果可信, 能夠方便有效地應(yīng)用在魚雷工程設(shè)計和實航試驗中, 并可為魚雷總體結(jié)構(gòu)布局、衡重參數(shù)匹配、試驗回收方案設(shè)計等提供參考。該方法可推廣應(yīng)用于其他水下航行體的漂浮姿態(tài)計算。

魚雷; 實航試驗; 漂浮姿態(tài); 工程計算方法

0 引言

一般情況下, 魚雷實航試驗使用的雷型配置有標準操雷和正浮力操雷2種, 無論哪種操雷(以下均稱魚雷), 魚雷航行終了的安全回收一直是試驗人員要解決和關(guān)注的重點問題, 如果回收延遲或無法回收, 就可能造成魚雷丟失, 嚴重影響整個試驗的順利進行, 其損失不可估量。影響魚雷安全回收的因素有很多, 對于采用捆綁式雷位指示裝置的魚雷, 航行終了的漂浮姿態(tài)直接關(guān)系到信號彈能否正常發(fā)射, 是影響魚雷回收的主要因素之一[1]。

目前, 限于對魚雷復(fù)雜外形進行非線性體積分的難度, 還難以用純數(shù)學理論的方法對魚雷的漂浮姿態(tài)進行計算。但是, 隨著科學技術(shù)的進步和計算機技術(shù)的快速發(fā)展, 各種建模工具和計算軟件在魚雷工程設(shè)計上的應(yīng)用越來越廣泛, 其中, 利用UG工具憑借其直觀、快捷、簡單、方便等特點[2], 不但能夠真實準確地描述魚雷的3D實體模型, 而且可對魚雷進行外形布局分析、質(zhì)量特性分析和結(jié)構(gòu)特性分析, 這為魚雷漂浮姿態(tài)分析和計算提供了有力幫助。

本文針對與魚雷安全回收密切相關(guān)的航行終了漂浮姿態(tài)問題進行分析, 借助UG工具, 給出一種魚雷航行終了漂浮姿態(tài)的工程計算方法, 并通過實例進行了驗證。

1 魚雷航行終了漂浮過程及影響因素分析

通常, 魚雷航行終了指動力系統(tǒng)停車, 且控制系統(tǒng)斷電, 此時魚雷處于無動力無控狀態(tài)并開始進行自由漂浮運動。假設(shè)魚雷航行終了的初始姿態(tài)呈水平狀態(tài), 其受力情況如圖1所示。

圖1 魚雷航行終了初始姿態(tài)

圖中:為重力;為浮力;X為重浮心間距。

對于圖1 (a)重心在后的魚雷, 在重力矩作用下, 雷頭朝上開始上浮; 對于圖1 (b)重心在前的魚雷, 在重力矩作用下, 雷尾朝上開始上浮。一般情況下, 魚雷航行終了時, 重心在浮心之后, 所以下面主要針對圖1(a)的情況進行分析。

當圖1 (a)中魚雷頭朝上上浮到浸沒水中部分的排水量等于自身質(zhì)量時停止上浮。為了便于分析, 假設(shè)魚雷垂直上浮, 則上浮后的狀態(tài)見圖2。圖中2為新的浮心。

從圖2看出, 上浮后魚雷浮心已經(jīng)改變, 可能在重心之前, 也可能在重心之后, 這取決于正浮力大小和初始重浮心位置。

對于圖2 (a)具有較小正浮力的情況, 浮心仍然在重心之前, 魚雷處于相對穩(wěn)定狀態(tài), 如果重心沒有下移或側(cè)移, 則魚雷不再進行姿態(tài)調(diào)整, 并基本呈90°直立狀態(tài); 如果有重心下移或側(cè)移, 則會傾斜一定角度, 角度大小與新的重浮心間距及下移量或側(cè)移量有關(guān)。

圖2 魚雷垂直上浮后狀態(tài)

對于圖2 (b)具有較大正浮力的情況, 浮心已移到重心之后, 屬于一種動不穩(wěn)定狀態(tài), 若存在重心下移量、側(cè)移量或小擾動, 都將導(dǎo)致魚雷傾斜, 并開始姿態(tài)調(diào)整, 以尋求新的平衡位置, 其姿態(tài)調(diào)整過程見圖3。

圖3 新浮心在后的魚雷姿態(tài)調(diào)整過程

根據(jù)上述分析可以看出, 影響魚雷最終漂浮姿態(tài)的因素主要有魚雷航行終了的質(zhì)量、排水量、重心位置和浮心位置等。下面將主要對圖3中描述的魚雷航行終了漂浮姿態(tài)給出工程計算方法。

2 魚雷漂浮姿態(tài)的工程計算方法

圖3中, 魚雷露出水面部分的體積與頭部線型有關(guān), 由于描述魚雷頭部線型曲線的復(fù)雜性, 對頭部露出部分體積進行理論計算, 工作量很大, 在工程上難以快速實現(xiàn), 不易推廣應(yīng)用。所以, 本文基于對魚雷實物特性的了解和對航行終了漂浮過程的理論分析, 采用UG工具, 在創(chuàng)建了魚雷實物3D模型基礎(chǔ)上, 從工程應(yīng)用的角度, 找出了一種計算魚雷漂浮姿態(tài)的方法。

已知魚雷航行終了的衡重參數(shù)如直徑、長度、質(zhì)量、排水量(全浮力)、浮心位置距前端面距離L、重心位置距前端面距離L、重心下移量y和水密度, 則其漂浮姿態(tài)計算步驟如下。

1) 計算正浮力

(1)

2) 計算露出水面部分體積

1=/(2)

3) 計算垂直狀態(tài)時露出水面部分長度L1。 利用UG工具, 在操雷3D模型上, 從雷頂端面開始截取與體積1相等的部分, 該部分的長度即為魚雷垂直浮起時露出水面部分的長度L1。

4) 計算水下部分浮心位置L2。截取水面部分1后, 剩下的水下部分排水量與重力相等, 所以, 水下部分的體積應(yīng)為

2=/(3)

利用UG工具, 可得出水下部分的形心位置L2。

此時, 雷體縱軸與水平面夾角為

若L2>L, 則浮心在重心之后, 需按下面第6)步進行姿態(tài)調(diào)整計算。

6) 姿態(tài)調(diào)整計算過程。利用UG工具, 將魚雷放置于水平狀態(tài), 采用截面法逐次對雷體截取與體積1相等的部分, 如圖4所示。圖中:為截取角;為截取高度。

實際操作中, 為了減小截取次數(shù), 第一次從雷頂端面正下方某點開始斜向上截取體積為1的雷體, 然后計算出剩余雷體(水下部分)浮心位置L2。若L2>L, 則截取點向上移動, 繼續(xù)沿截取方向截取體積等于1的雷體; 若L2<L, 則截取點向下移動, 繼續(xù)截取體積等于1的雷體。

圖4 魚雷截面示意圖

理論上,L2=L時停止截取, 但考慮到雷體重心下移或側(cè)移, 所得到的浮心L2一般應(yīng)在L左右偏差很小的位置上, 此時, 所對應(yīng)的截取角就是魚雷最終漂浮狀態(tài)下縱軸與水平面的夾角, 截面與雷體的交線即為水線, 水線與雷體表面交點距雷頂端面的距離即為截取長度L。

3 計算方法驗證結(jié)果

為了驗證本文計算方法的正確性, 在此針對某型魚雷的實航試驗產(chǎn)品狀態(tài), 按照第3節(jié)計算步驟, 對魚雷航行終了的漂浮姿態(tài)進行計算。

已知魚雷航行終了重心位置L=1470mm, 浮心位置L=1385mm, 顯然, 重心在浮心之后, 則魚雷頭朝上方開始上浮, 其穩(wěn)定漂浮后的姿態(tài)計算過程和結(jié)果如下。

1) 正浮力=16 kg。

2) 露出水面部分體積1= 0.0158 m3。

3) 垂直狀態(tài)下露出水面部分長度L1= 218 mm。

4) 水下部分浮心位置L2=1483 mm。

5) 由于L2>L, 需要按第3節(jié)中的第6)步逐次計算魚雷漂浮姿態(tài), 計算結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果

從表1可以看出, 當截取點在雷頂端面中心(截取高度為0), 截面與中心線夾角為9.54°時, 剩余部分浮心為1469 mm, 與重心1470 mm基本重合, 此時, 可認為魚雷穩(wěn)定漂浮時縱軸與水面的夾角為9.54°左右, 頭部的浸水線基本位于雷頭的中心, 雷體表面露出水面的長度約964mm, 滿足信號彈正常發(fā)射要求。

6) 驗證結(jié)果。將魚雷放入水箱中, 當魚雷處于自由穩(wěn)定漂浮狀態(tài)時, 測試漂浮姿態(tài)角約為9°, 頭部浸水線基本位于雷頭的中心, 這一實測結(jié)果與表1中計算值接近。實航發(fā)射試驗中魚雷航行終了后, 信號彈正常發(fā)射, 魚雷正常回收。

5 結(jié)束語

本文針對魚雷實航試驗的安全回收, 開展了魚雷航行終了漂浮姿態(tài)的分析研究, 對漂浮過程進行了詳細分析, 找出了影響漂浮姿態(tài)的因素,給出了魚雷漂浮姿態(tài)的工程計算方法, 并在魚雷的實航試驗中得到了驗證。結(jié)果表明, 此方法可信、簡潔、實用, 能夠方便應(yīng)用于魚雷的工程設(shè)計和實航試驗中, 可為魚雷的總體結(jié)構(gòu)布局、衡重參數(shù)設(shè)計、性能匹配計算、試驗回收方案設(shè)計等提供參考依據(jù), 并可推廣應(yīng)用于其他水下航行體的漂浮姿態(tài)計算中。

[1] 黃震中. 魚雷總體設(shè)計[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 1987.

[2] Unigraphics Solutions Inc. Unigraphics應(yīng)用指導(dǎo)系列叢書[M]. 北京: 清華大學出版社, 2002.

(責任編輯: 陳 曦)

Analysis and Engineering Calculation of Torpedo Floating Attitude at Running End

ZENG Xiao-fan, CAI Wei-jun,XU Xin-dong,WANG Gai-di, BIAN Xiang

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Shanxi Pingyang Industry Machinery Co. Ltd., Houma 043002, China)

Successful recovery of a torpedo in sea trial is closely related to its floating attitude at running end. This paper proposes an intuitive and simple engineering calculation method of torpedo floating attitude at running end by analyzing the factors of influencing the floating attitude and the floating process. Sea trial verifies the correctness of the proposed engineering calculation method. This method can be simply applied to the torpedo design and sea trial, in terms of general structure layout, recovery plan, and match of balance weight parameters. This method can also be applied to the floating attitude calculation of other autonomous underwater vehicles.

torpedo; sea trial; floating attitude; engineering calculation method

TJ630.6

A

1673-1948(2014)05-0325-04

2014-03-06;

2014-05-22.

曾小凡(1980-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為魚雷總體結(jié)構(gòu).