水面橡膠彈性發(fā)射器發(fā)射魚雷內(nèi)彈道仿真

李宗吉, 任 蕾, 孫玉松, 梁能桂

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水面橡膠彈性發(fā)射器發(fā)射魚雷內(nèi)彈道仿真

李宗吉1, 任 蕾2, 孫玉松1, 梁能桂3

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 海軍工程大學(xué) 裝備經(jīng)濟(jì)管理系, 湖北 武漢, 430033; 3. 中國人民解放軍第 91860 部隊, 上海, 200940)

為了提高高速輔助艦船反潛能力, 針對該類艦船的特點(diǎn), 提出了結(jié)構(gòu)簡單且適用于輔助艦船橡膠彈性發(fā)射器的基本結(jié)構(gòu)方案。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用彈性體彈性本構(gòu)模型等理論建立了該發(fā)射器水面發(fā)射魚雷的內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型, 進(jìn)行了發(fā)射過程仿真, 仿真結(jié)果表明, 使用橡膠彈性發(fā)射器水面發(fā)射輕型魚雷在原理上具備可行性。

魚雷; 內(nèi)彈道; 彈性發(fā)射器; 橡膠

0 引言

輔助艦艇在海軍艦艇中一直擔(dān)負(fù)后勤保障等作戰(zhàn)支援任務(wù), 在海戰(zhàn)中是敵潛艇主要的攻擊目標(biāo)之一, 其自身不具備反潛作戰(zhàn)能力。為了改變這種現(xiàn)狀, 瑞典等國在其輔助艦船上裝備了重力式魚雷發(fā)射器[1], 從而使輔助艦船對潛艇具備了一定的反擊能力。重力式發(fā)射器(見圖1)主要利用魚雷自身的重力脫離發(fā)射器, 其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單, 可把魚雷發(fā)射箱與儲運(yùn)箱做成一體, 以模塊化的方式在輔助艦船上安裝與使用。重力式發(fā)射的缺點(diǎn)是魚雷獲得的出管(離箱)速度較低, 魚雷離開艦船后很可能落入艦艇周圍的水流中, 對魚雷入水姿態(tài)以及后續(xù)的初始航行狀態(tài)產(chǎn)生影響, 因此, 這種發(fā)射方式目前僅適用于低速航行的輔助艦船。

圖1 重力發(fā)射裝置示意圖(單位: mm)

高速輔助艦船發(fā)射反潛魚雷的方法也可借鑒戰(zhàn)斗艦艇傳統(tǒng)的發(fā)射方式, 如火藥發(fā)射和壓縮空氣發(fā)射[2]。壓縮空氣發(fā)射裝置被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗艦艇上, 該裝置以高壓空氣為能量發(fā)射魚雷。該裝置缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜, 對艦艇配套設(shè)備如空氣系統(tǒng)等要求較高。當(dāng)配套設(shè)備故障時則可能導(dǎo)致魚雷不能正常發(fā)射?；鹚幇l(fā)射是利用火藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庾鳛榘l(fā)射魚雷的動力。該裝置較壓縮空氣發(fā)射器簡單, 但火藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)鈱Πl(fā)射管體強(qiáng)度提出較高要求, 而且發(fā)射后在發(fā)射管內(nèi)部殘留的火藥渣滓給后續(xù)的操作及裝置的維護(hù)保養(yǎng)帶來很多不便。

為了給高速輔助艦船配備結(jié)構(gòu)簡單、戰(zhàn)時能快速安裝使用且能滿足魚雷發(fā)射要求的裝置, 經(jīng)過分析與研究, 橡膠彈性發(fā)射器成為可能方案之一。在此介紹該發(fā)射器的基本結(jié)構(gòu)組成與工作原理, 并建立發(fā)射過程的魚雷彈道數(shù)學(xué)建模與仿真, 對該裝置的原理可行性進(jìn)行初步分析與論證。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

橡膠彈性發(fā)射器主要由發(fā)射管、橡膠帶、制動器和承載板等組成(見圖2)。其中2條橡膠帶分別固定在發(fā)射管前端兩側(cè), 管體兩側(cè)開有導(dǎo)槽以供發(fā)射時承載板的運(yùn)動通過, 管體后段安裝有制動器用于固定橡膠帶拉伸后的狀態(tài)。

圖2 橡膠發(fā)射器示意圖

該發(fā)射器的工作原理為: 發(fā)射前先通過外力(人力或液壓等)分別將發(fā)射管左右兩側(cè)的拉伸并通過制動器固定其拉伸狀態(tài), 將魚雷從發(fā)射管后部裝入(如魚雷已在發(fā)射管內(nèi)則不需該步驟), 再將承載板與橡膠發(fā)射帶后部固聯(lián)好。發(fā)射時, 制動器松開對橡膠帶的制動, 橡膠帶帶動承載板在發(fā)射管兩側(cè)導(dǎo)槽內(nèi)運(yùn)動, 由承載板推動魚雷出管。

2 發(fā)射過程模型

2.1 橡膠帶原始彈力計算模型

橡膠發(fā)射魚雷過程建模的關(guān)鍵是求取橡膠帶的彈力。而彈力的確定則通過求取其應(yīng)力來實現(xiàn)。

假設(shè)橡膠是各向同性不可壓縮的超彈性體, 因此有橡膠的柯西應(yīng)力張量[3]

的不變量和主伸長率之間的關(guān)系為

由式(1)和式(3)推導(dǎo)有

由式(4)可導(dǎo)出單軸拉伸的應(yīng)力表達(dá)式為

1) 高斯鏈網(wǎng)絡(luò)模型

高斯鏈網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)力能量密度函數(shù)為

在發(fā)射過程中, 橡膠帶屬于單軸拉伸, 經(jīng)推導(dǎo)有單軸拉伸的高斯鏈應(yīng)力模型為

2) Arruda Boyce模型

Arruda Boyce模型是目前普遍認(rèn)為描述橡膠材料超彈性本構(gòu)行為最成功的非高斯鏈鏈網(wǎng)絡(luò)模型。其應(yīng)變能量函數(shù)為

經(jīng)推導(dǎo)有單軸拉伸的Arruda Boyce應(yīng)力模型

2.2 考慮老化影響的橡膠彈力計算模型

橡膠材料作為種高分子材料, 其通病是易老化即在使用及存儲過程中, 其性能會隨著時間的增加而逐漸下降, 甚至喪失使用性能[6]。在考慮橡膠帶老化對發(fā)射彈力的影響時作如下假設(shè): 橡膠帶使用前處自然狀態(tài)(即無拉伸), 常溫(25℃)密封于發(fā)射箱兩側(cè), 在需要發(fā)射時才將橡膠帶解封并進(jìn)行拉伸, 為發(fā)射做準(zhǔn)備。這種情況下橡膠帶的老化可認(rèn)為是在常溫條件下的自然老化。此時橡膠帶拉伸應(yīng)力模型為

2.3 魚雷運(yùn)動模型

依據(jù)發(fā)射過程中魚雷受力拉伸情況, 建立魚雷管內(nèi)并建立數(shù)學(xué)模型

3 橡膠帶參數(shù)估算

橡膠發(fā)射器橡膠帶的參數(shù)估算是在給定魚雷出管速度等條件下, 估算所需橡膠彈性能量, 進(jìn)而求取橡膠帶的初始面積與長度, 為后續(xù)的仿真計算提供依據(jù)。

由能量守恒定律可知, 發(fā)射過程中橡膠推動魚雷所做的功應(yīng)等于發(fā)射前橡膠帶所蓄能量。故有

以高斯鏈模型計算發(fā)射前橡膠帶應(yīng)蓄能量, 則經(jīng)推導(dǎo)有

4 發(fā)射過程仿真分析

表1 橡膠帶結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.1 不考慮老化條件下兩種方案仿真結(jié)果

方案A仿真結(jié)果見圖3~圖5, 方案B仿真結(jié)果見圖6~圖8, 方案A和方案B對比結(jié)果(Arruda Boyce模型)見圖9~圖11。

圖3 方案A魚雷管內(nèi)位移曲線

圖4 方案A魚雷管內(nèi)運(yùn)動速度曲線

圖5 方案A魚雷管內(nèi)加速度曲線

圖6 方案B魚雷管內(nèi)位移曲線

圖7 方案B魚雷管內(nèi)運(yùn)動速度曲線

圖8 方案B魚雷管內(nèi)加速度曲線

圖9 對比方案A, B魚雷管內(nèi)位移曲線

圖10 對比方案A, B魚雷管內(nèi)運(yùn)動速度曲線

4.2 考慮橡膠帶老化情況的仿真結(jié)果

圖11 對比方案A,B魚雷管內(nèi)加速度曲線

圖12 橡膠帶老化系數(shù)隨時間變化曲線

橡膠帶保存3年后的仿真結(jié)果(采用方案B的橡膠帶, 使用Arruda Boyce計算模型)見圖13~圖15。

圖13 橡膠帶保存3 y后魚雷管內(nèi)位移曲線

圖14 橡膠帶保存3 y后魚雷管內(nèi)運(yùn)動速度曲線

圖15 橡膠帶保存3 y后魚雷管內(nèi)加速度曲線

4.3 仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出:

1) 方案A在發(fā)射過程中(見圖3~圖5), 對于高斯鏈模型, 魚雷的出管速度達(dá)到13.3 m/s, 出管時間0.31 s, 最大加速8.7 g。而對于Arruda Boyce模型, 魚雷的出管速度達(dá)到13.7 m/s, 出管時間0.29 s, 最大加速9.5 g, 滿足水面艦艇魚雷發(fā)射出管速度要求。

2) 方案B在發(fā)射過程中(見圖6~圖8), 對于高斯鏈模型, 魚雷的出管速度達(dá)到14.2 m/s, 出管時間0.32 s, 最大加速6.5 g。而對于Arruda Boyce模型, 魚雷的出管速度達(dá)到15.1 m/s, 出管時間0.3 s, 最大加速8.2 g。滿足水面艦艇魚雷發(fā)射出管速度要求。

3) 從加速度仿真結(jié)果來看, 橡膠彈性發(fā)射的最大加速度均出現(xiàn)在發(fā)射開始點(diǎn)。此時橡膠帶拉伸最大, 因而魚雷的作用力也最大。

5) 從方案A與方案B的仿真結(jié)果對比來看, 方案B發(fā)射魚雷出管速度大于方案A約1.4 m/s, 而加速度比方案A小1.3 g, 且其橡膠帶的體積僅為方案A 的68%。因此適當(dāng)增大橡膠帶的最大伸長率, 可提高其蓄能密度, 在發(fā)射中橡膠帶彈力對魚雷做功距離加大, 對魚雷發(fā)射彈道指標(biāo)有利。

6) 橡膠帶老化對發(fā)射過程是有影響的。這主要是因為橡膠老化引起其彈力衰減。在自然老化條件下, 仿真中的橡膠帶3 y后的彈力可減少到其老化前的86%(見圖12)。橡膠彈力衰減導(dǎo)致魚雷在管內(nèi)運(yùn)動時間變長(見圖13), 魚雷出管速度由原15.1 m/s下降到14.1 m/s(見圖14), 魚雷最大加速度相應(yīng)減小(見圖15), 但仍滿足水面艦艇魚雷發(fā)射彈道要求。

5 結(jié)束語

在橡膠彈性發(fā)射器基本結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上, 運(yùn)用高斯鏈以及Arruda Boyce這兩種典型的橡膠彈力模型, 建立了橡膠彈性發(fā)射過程的數(shù)學(xué)模型, 并進(jìn)行了仿真計算。通過分析可知, 使用橡膠彈性水面發(fā)射魚雷, 在原理上是可行性的, 其魚雷出管彈道指標(biāo)滿足艦艇發(fā)射要求。

在仿真中還對橡膠帶常溫自然老化的情況下進(jìn)行了研究, 從仿真結(jié)果來看, 橡膠帶3 y常溫自然老化對發(fā)射有影響, 但影響不大, 仍可滿足魚雷發(fā)射的彈道要求。為了降低橡膠老化對發(fā)射的影響, 在將來實際使用中, 可考慮將橡膠帶單獨(dú)密封存放, 在需要進(jìn)行發(fā)射前, 再將橡膠帶安裝上發(fā)射器。此外還可根據(jù)橡膠帶實際老化情況定期更換新橡膠帶以保證發(fā)射的可靠性。

應(yīng)該認(rèn)識到橡膠彈性發(fā)射器在其投入實際使用前還有很多研究工作需要開展, 如裸露在海洋環(huán)境條件下橡膠材料老化、高溫或低溫條件對橡膠材料力學(xué)性能影響, 連續(xù)多次發(fā)射后的對橡膠材料應(yīng)力松弛以及疲勞損傷的影響等等, 這些都需要在今后加以深入的研究和探討。

[1] 練永慶, 王樹宗. 魚雷發(fā)射裝置設(shè)計原理[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012: 65~66.

[2] 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.

[3] 李曉芳, 楊曉翔. 橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型[J]. 彈性體, 2005, 15(1): 50-58.

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[5] 羅文波,譚江華．橡膠彈性材料的一種混合本構(gòu)模型[J]．固體力學(xué)學(xué)報, 2008, 29(3): 276-281.Luo Wen-bo, Tan Jiang-hua. A Hybrid Hyperelastic Constitutive Model of Rubber Materials[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2008, 29(3): 276-281.

[6] 張凱, 黃渝鴻. 橡膠材料加速老化試驗及其壽命預(yù)測方法[J]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2004, 2(6): 44-48.

[7] 李詠今. 利用時間外延法預(yù)測硫化膠常溫老化應(yīng)力松弛和永久變形性能的研究[J]. 橡膠工業(yè), 2002(10): 615-622.

(責(zé)任編輯: 許 妍)

Simulation of Interior Trajectory of Torpedo Launched from Elastic Rubber Launcher

LI Zong-ji,REN Lei,SUN Yu-song, LIANG Neng-gui

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Equipment Department of Economic Management, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 3. 91860thUnit, The People′s Liberation Army of China, Shanghai 200940, China)

To improve the antisubmarine ability of a high speed auxiliary ship, two basic structure schemes of elastic rubber launcher for a torpedo are put forward according to the characteristics of the auxiliary ship. Based on the schemes, a mathematic model of torpedo interior trajectory is built by using the theories such as constitutive model of elastic material, and simulation of launching process is conducted. Simulation result shows that it is theoretically applicable for the elastic rubber launcher to launch lightweight torpedoes on the water.

torpedo; interior trajectory; elastic launcher; rubber

TJ635

A

1673-1948(2014)05-0390-06

2014-01-16;

2014-02-24.

李宗吉(1974-), 男, 博士, 研究方向為魚雷動力與發(fā)射技術(shù).