潛艇垂直發(fā)射導(dǎo)彈過程中的不確定因素對操縱控制的影響

呂幫俊，黃 斌，彭利坤

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

潛艇垂直發(fā)射導(dǎo)彈過程中的不確定因素對操縱控制的影響

呂幫俊，黃 斌，彭利坤

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

潛艇在導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程中所受的激變力十分復(fù)雜，包括導(dǎo)彈彈射出筒的發(fā)射反力、高壓燃?xì)庖绯鲈斐傻呢?fù)壓區(qū)、導(dǎo)彈出筒與海水灌沖發(fā)射筒造成的失重與超重等。在實際發(fā)射過程中，這些激變力的大小及其時間特性都具有一定的隨機(jī)性，因而成為在一定范圍內(nèi)變化的不確定因素。結(jié)合潛艇空間運(yùn)動方程，建立潛艇垂直發(fā)射導(dǎo)彈過程的仿真模型，根據(jù)數(shù)值仿真計算結(jié)果，分析不確定因素對導(dǎo)彈發(fā)射及潛艇狀態(tài)挽回控制過程的影響。

潛艇；導(dǎo)彈；機(jī)動；控制；仿真

0 引 言

潛艇的運(yùn)動狀態(tài)是影響導(dǎo)彈水下正常發(fā)射的重要因素，根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，導(dǎo)彈發(fā)射對潛艇的姿態(tài)、深度等各種運(yùn)動要素的要求非常嚴(yán)格，在整個發(fā)射過程中，要求潛艇的運(yùn)動狀態(tài)變化盡量微小、平緩，即艇的深度偏離、搖蕩幅度（包括縱傾角、橫傾角、偏航角等）及其隨時間的變化率要小，并且都要控制在一定范圍內(nèi)。齊射時，應(yīng)在盡可能短的時間內(nèi)滿足上述操艇條件，以確保每枚導(dǎo)彈發(fā)射瞬間艇的運(yùn)動參數(shù)滿足發(fā)射條件要求。這對低速航行于近水面的潛艇操縱來說是嚴(yán)峻的。因為艇在這種復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境中，除了要受到巨大的導(dǎo)彈發(fā)射反力外，還要承受海水瞬時灌沖發(fā)射筒所引起的不平衡力，以及波浪力干擾等綜合作用，所以艇的深度、縱橫傾等運(yùn)動狀態(tài)，不可避免地要發(fā)生變化，而潛艇抵御和控制其自身運(yùn)動變化的手段包括操縱方向舵和升降舵、吹除瞬時補(bǔ)重水艙、浮力調(diào)整水艙的注排水、縱傾平衡水艙的首尾調(diào)水等。但是，低速下舵力很有限，它的作用效力是以較小的流體動力通過長時間的作用來逐步抵消外界強(qiáng)大的干擾力所造成的運(yùn)動變化，彈筒進(jìn)水所引起的靜載不平衡力則必須主要依靠瞬時補(bǔ)重和均衡措施來消除[1-2]。

可以看出，在導(dǎo)彈發(fā)射過程中潛艇的受力變化十分劇烈，且導(dǎo)彈彈射出筒、發(fā)射筒灌水等過程產(chǎn)生的激變力受諸多因素的影響，存在一定的不確定性，研究和分析垂直發(fā)射導(dǎo)彈過程中的不確定因素對操艇的影響，對全面認(rèn)識和掌握潛艇導(dǎo)彈發(fā)射及挽回控制具有重要意義。

國內(nèi)在研究潛艇垂直發(fā)射導(dǎo)彈方面，胡坤等[3]在分析潛艇發(fā)射導(dǎo)彈各階段受力的基礎(chǔ)上，建立了用于仿真的潛艇水下發(fā)射導(dǎo)彈操縱運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，分別對潛艇水下導(dǎo)彈單獨(dú)發(fā)射和齊射時的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真，對潛艇水下發(fā)射導(dǎo)彈階段特別是導(dǎo)彈齊射時可能采用的操縱方式作了定性探索。劉可峰等[4]分析了低速運(yùn)動時潛艇在發(fā)射導(dǎo)彈過程中受到的沖擊載荷及其運(yùn)動響應(yīng)，利用Simulink軟件建立潛艇水下運(yùn)動仿真模型，并進(jìn)行了潛艇低速運(yùn)動時的操縱控制仿真研究。袁寶吉等[5]基于Visual C++軟件，利用簡化的六自由度微分方程，對發(fā)射導(dǎo)彈時運(yùn)載器的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行仿真。在此基礎(chǔ)上對運(yùn)載器的運(yùn)動過程進(jìn)行預(yù)報，并給出了優(yōu)選的運(yùn)載器操縱方案。

1 導(dǎo)彈發(fā)射過程及各階段受力分析

目前，導(dǎo)彈垂直發(fā)射大都采用平衡式發(fā)射方式，每發(fā)導(dǎo)彈的發(fā)射流程如圖1所示。

在上述發(fā)射過程中，潛艇的受力可分為6個階段，如圖2所示。

1.1 導(dǎo)彈筒均壓

由于是平衡式發(fā)射，發(fā)射筒蓋打開前，需對平衡膜內(nèi)外的壓力進(jìn)行平衡，一方面向膜外注入海水，一方面向膜內(nèi)充氣，使內(nèi)外壓力平衡。從0時刻開始均壓，?t1為均壓時間，進(jìn)水產(chǎn)生的負(fù)浮力為F1。由于海水引入使?jié)撏ё冎?，從而產(chǎn)生負(fù)浮力和力矩。齊射時，進(jìn)水量為每個發(fā)射筒F1升，應(yīng)從浮力調(diào)整水艙排水F1×組選筒數(shù)，此外還應(yīng)根據(jù)筒號進(jìn)行調(diào)水，消除力矩差。

1.2 開發(fā)射筒蓋

?t2為等待點火時間，打開筒蓋時，筒蓋如同穩(wěn)定翼，改變了潛艇的流體動力特性，干擾航行潛艇的航向和姿態(tài)。在進(jìn)行實際分析時，認(rèn)為發(fā)射筒蓋從打開到關(guān)閉的時間較短，且產(chǎn)生的擾動力有限，從而忽略這部分因素的影響。

1.3 點火和導(dǎo)彈出筒

點燃導(dǎo)彈的燃?xì)獍l(fā)生器后，燃燒氣體產(chǎn)生高壓，將導(dǎo)彈推出發(fā)射筒的同時，對艇體造成向下的反作用力，約為彈重的10倍，導(dǎo)彈出筒后，潛艇載重減輕，有較大的正浮力作用于艇體。t2為點火和開始吹除瞬時補(bǔ)重水的時刻，F(xiàn)2為燃?xì)馔茖?dǎo)彈出筒的反作用力，F(xiàn)3為出筒后最大浮力。

1.4 導(dǎo)彈筒進(jìn)水及吹除瞬時補(bǔ)重水艙的水

導(dǎo)彈出筒的同時，燃?xì)庖蚺蛎浂鴾p壓，同時海水開始進(jìn)入發(fā)射筒，逐步抵消正浮力，但由于發(fā)射筒進(jìn)水總量將比導(dǎo)彈重，因此，在導(dǎo)彈出筒和發(fā)射筒進(jìn)水的同時，應(yīng)立即排除瞬時補(bǔ)重水艙的水，以防止造成過大的負(fù)浮力。t3為發(fā)射筒大量進(jìn)水時刻，?t4為吹除補(bǔ)重水的時間，t4為補(bǔ)重水艙吹除完畢時刻，F(xiàn)4為吹除補(bǔ)重水的總重量，?t5為發(fā)射筒進(jìn)水時間。

根據(jù)發(fā)射筒灌水試驗數(shù)據(jù)，可將灌水過程分為2個階段：第1階段，在彈剛出筒的短時間內(nèi)，持續(xù)時間?T1，大量海水迅速涌入發(fā)射筒，此階段進(jìn)水量達(dá)到P1，約占彈筒總?cè)莘e的85%；隨后轉(zhuǎn)入第2階段，進(jìn)水速度迅速減小，持續(xù)時間約?T2，此過程進(jìn)水量為P2–P1，占彈筒總?cè)莘e的15%。在發(fā)射筒灌水過程中不斷有發(fā)射燃?xì)庀蛏弦绯觯斐砂l(fā)射筒最終不可能完全注滿，關(guān)蓋以后彈筒仍將剩余?P的欠進(jìn)水量。

根據(jù)發(fā)射筒進(jìn)水試驗統(tǒng)計結(jié)果，采用曲線擬合的方法，得到發(fā)射筒灌水?dāng)?shù)學(xué)模型：

1.5 關(guān)發(fā)射筒蓋

1.6 向瞬時補(bǔ)重水艙移注水

為了保證下一枚導(dǎo)彈發(fā)射時的瞬時補(bǔ)重，在潛艇上設(shè)置了瞬時補(bǔ)重水艙，當(dāng)瞬時補(bǔ)重水艙吹除完畢以后，要立即向此補(bǔ)重水艙移水。

2 導(dǎo)彈發(fā)射過程中不確定因素對導(dǎo)彈齊射的影響分析

導(dǎo)彈出筒依靠燃?xì)鈴椛洌細(xì)馍?、熱交換、混合、流動規(guī)律復(fù)雜，相同裝藥和發(fā)射深度下的發(fā)射反力不盡相同。導(dǎo)彈發(fā)射出筒后，由于燃?xì)鈮毫Φ挠绊?，發(fā)射筒灌水規(guī)律難以估計，無法保證瞬時補(bǔ)重與其一致，發(fā)射后潛艇有上浮或下潛趨勢完全取決于兩者的協(xié)調(diào)性。

由于這些隨機(jī)因素的存在，發(fā)射導(dǎo)彈以后要想嚴(yán)格保持潛艇的深度和縱傾比較困難，特別是在多發(fā)導(dǎo)彈連射時，上述力和力矩將重復(fù)出現(xiàn)，當(dāng)間隔時間要求較短時（例如20～40s），采用人工操縱，或只依靠操舵，都難以保證導(dǎo)彈發(fā)射時對潛艇姿態(tài)和運(yùn)動參數(shù)的要求。因此，基于潛艇空間運(yùn)動仿真方程[6-7]，設(shè)計了采用“車-舵-水”協(xié)調(diào)工作的綜合自動控制系統(tǒng)。為了驗證該系統(tǒng)的有效性，對發(fā)射過程中的不確定因素進(jìn)行估計，分析其對導(dǎo)彈發(fā)射及挽回控制的影響。

2.1 發(fā)射反力

當(dāng)采用燃?xì)獍l(fā)生器作為導(dǎo)彈彈射出筒的動力源，燃?xì)獍l(fā)生器點火后，裝藥即按設(shè)計燃燒規(guī)律燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓氣體。當(dāng)燃?xì)饬鹘?jīng)冷卻器時，由于冷卻器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣體流動特性，使冷卻器水室與噴水管內(nèi)部產(chǎn)生壓差，迫使冷卻水從水室經(jīng)噴水孔按預(yù)定規(guī)律噴入燃?xì)饬髦校c燃?xì)庖黄鸾?jīng)彎管流入發(fā)射筒內(nèi)。高溫燃?xì)馀c水和空氣發(fā)生熱交換，并使水汽化，發(fā)射筒內(nèi)形成由燃?xì)狻羝諝饨M成的混合氣體，依靠其在發(fā)射筒內(nèi)彈后空間建立起來的壓力，克服作用在彈上的各種阻力，把導(dǎo)彈彈射出去，獲得一定的出筒速度，即完成了一次導(dǎo)彈發(fā)射。

在上述彈射過程中，工質(zhì)氣體要經(jīng)歷定容絕熱充氣、定壓絕熱充氣、絕熱放氣、氣液混合、熱交換等一系列復(fù)雜的熱力學(xué)過程，不確定和隨機(jī)因素眾多，相同的發(fā)射工況下發(fā)射反力也將呈現(xiàn)一定的波動。

為了分析導(dǎo)彈發(fā)射過程中，發(fā)射反力對導(dǎo)彈齊射挽回控制的影響，在保持其他參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)定發(fā)射反力為理想值的95%和105%，作為其最小和最大值進(jìn)行仿真，導(dǎo)彈的發(fā)射間隔為30s。導(dǎo)彈齊射及挽回控制過程中潛艇深度、縱傾角、橫傾角、航向角等運(yùn)動參數(shù)隨影響因素的變化情況如圖4所示，可以看出，發(fā)射反力變化對導(dǎo)彈齊射過程潛艇運(yùn)動狀態(tài)的挽回控制影響并不明顯，這主要是因為導(dǎo)彈點火出筒產(chǎn)生的發(fā)射反力盡管很大，但作用時間很短，對潛艇運(yùn)動的影響能夠通過操舵和均衡措施消除。

2.2 彈筒灌水

實際彈筒的灌水過程非常復(fù)雜，灌水速率受工質(zhì)氣體膨脹、上浮、氣液混合等諸多因素的影響，為了反映彈筒灌水速率對潛艇挽回控制的影響，在以上建立的彈筒灌水模型中加入隨機(jī)因素的影響，設(shè)欠注水量?P、第1階段的進(jìn)水量P1和第1階段進(jìn)水時間?T1分別為各自理想值的95%和105%，作為其最小和最大值進(jìn)行仿真，導(dǎo)彈的發(fā)射間隔為30s。導(dǎo)彈齊射及挽回控制過程中潛艇深度、縱傾角、橫傾角、航向角等運(yùn)動參數(shù)隨影響因素的變化情況如圖5～圖7所示。

1）欠注水量?P的影響分析

在計算分析欠注水量對導(dǎo)彈發(fā)射過程的影響時，固定第1階段進(jìn)水量和進(jìn)水時間，分別設(shè)定欠注水量為最大值和最小值時的情況進(jìn)行計算，結(jié)果如圖5所示。

由計算結(jié)果可見，不計波浪力時，由于欠注水量越多，艇輕的程度越大，導(dǎo)致最大欠注水量的情況下潛艇的深度逐漸變小，最終超出了允許的深度范圍使得無法完成導(dǎo)彈的齊射。而最小欠注水量的情況下，能夠完成導(dǎo)彈的齊射。

分析其原因可知，在最大欠注水量情況下，通過操舵無法控制住潛艇由于艇輕造成的上浮趨勢，而此時雖然同時采取了均衡措施，但是由于時間短，均衡措施效果不明顯。因此欠注水量的因素對潛艇的深度影響比較顯著。

對于縱傾、橫傾和航向3個量來說，由于欠注水量大小的變化只是影響了潛艇垂直方向受到的合外力的大小，而且導(dǎo)彈布置上采取的沿艇中剖面左右對稱，因此欠注水量的因素對航向和橫傾影響很小，可忽略；另一方面，沿著潛艇的縱向，彈筒是相對集中地布置在艇的中部，距重心的距離不遠(yuǎn)，且在重心的前后各布置有一定數(shù)量的彈筒，由于欠注水量引起的力矩大部分可以平衡，所以欠注水量因素對艇的縱傾影響不大。

2）第1階段進(jìn)水量P1的影響分析

在計算分析第1階段進(jìn)水量對導(dǎo)彈發(fā)射過程的影響時，固定欠注水量和第1階段時進(jìn)水時間，分別設(shè)定第1階段進(jìn)水量為最大值和最小值時的情況進(jìn)行計算，結(jié)果如圖6所示。

仿真結(jié)果顯示，第1階段進(jìn)水量對齊射過程中潛艇運(yùn)動狀態(tài)的控制影響顯著，盡管最終的欠注水量相同，但第2階段進(jìn)水持續(xù)的時間長（由關(guān)蓋時刻確定），而瞬時補(bǔ)重水艙吹除完畢所需時間較短，此后，有較長一段時間，潛艇一直處于艇輕狀態(tài)，且第1階段進(jìn)水量越少，艇輕越明顯。當(dāng)?shù)?階段進(jìn)水量為最小值時，盡管所有導(dǎo)彈都能夠齊射完畢，潛艇運(yùn)動狀態(tài)失去控制最終上浮至水面。

3）第1階段進(jìn)水時間?T1的影響分析

在計算分析第1階段進(jìn)水時間對導(dǎo)彈發(fā)射過程的影響時，固定欠注水量和第1階段進(jìn)水量，分別設(shè)定第1階段進(jìn)水量為最大值和最小值時的情況進(jìn)行計算，結(jié)果如圖7所示。

仿真結(jié)果顯示，第1階段進(jìn)水時間對齊射過程中潛艇運(yùn)動狀態(tài)的控制影響不明顯，這是由于大量海水涌入發(fā)射筒產(chǎn)生的瞬時沖擊力盡管很大，但作用時間短，一定程度上僅相當(dāng)于改變了潛艇的初始運(yùn)動狀態(tài)，而小量的欠注水量產(chǎn)生的作用力長時間作用在艇體將持續(xù)影響潛艇運(yùn)動狀態(tài)的挽回，多枚導(dǎo)彈齊射時，上述作用力效果將產(chǎn)生疊加。升降舵力的作用效果畢竟有限，均衡的控制效果也會由于潛艇慣性影響而產(chǎn)生延遲，稍有控制不當(dāng)潛艇最終會因為均衡來不及抵消剩余靜載力的影響而上浮至水面。

3 結(jié) 語

研究了導(dǎo)彈齊射工況進(jìn)行狀態(tài)挽回控制過程中潛艇運(yùn)動狀態(tài)的變化規(guī)律，結(jié)合分析了發(fā)射反力和灌水模型中的不確定因素對導(dǎo)彈齊射的影響，得到如下結(jié)論：

1）導(dǎo)彈點火出筒產(chǎn)生的發(fā)射反力盡管很大，但作用時間很短，對潛艇運(yùn)動狀態(tài)的影響能夠通過操舵和均衡很快消除。

2）灌水模型隨機(jī)因素中，欠注水量和第1階段進(jìn)水量對挽回控制的影響最為顯著，而第1階段進(jìn)水時間對齊射過程中潛艇運(yùn)動狀態(tài)的控制影響不明顯。

3）補(bǔ)重誤差造成的剩余靜載力?F將對潛艇運(yùn)動產(chǎn)生持續(xù)的影響，尤其是多枚導(dǎo)彈齊射或組射時，累積的剩余靜載力若不能得到及時均衡和消除，將使?jié)撏У倪\(yùn)動參數(shù)最終無法滿足發(fā)射條件。

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Research on the uncertain factors to the control of submarine during missile launching process

LV Bang-jun, HUANG Bin, PENG Li-kun
(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The forces on submarine are complicated and vary intensely when launching missile vertically, including the reaction force applied by the missile, the negative pressure area produced by the overflow of high pressure gas, the weightless and overweight brought by missile ejection and seawater flood into the launch tube. In actual launching process, the magnitude and characteristic of the intensive forces have randomness, and become uncertain factors varying within a certain range. The simulation model of submarine during missile launching process is established based on the standard equations of motion for submarine simulation, and the launching process and control of submarine motion affected by uncertain factors are analyzed through numerical simulation and computation results.

submarine；missile；maneuvering；control；simulation

U674

A

1672 – 7649(2017)09 – 0185 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.037

2016 – 10 – 08

呂幫俊(1981 – )，男，博士，講師，研究方向為潛艇操縱運(yùn)動仿真、六自由度運(yùn)動平臺控制。