鋼絲繩氣缸式彈射裝置陸上及水下發(fā)射內(nèi)彈道對比分析

閆晴霄，李鵬永，常書麗

(1. 鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

在目前的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)射技術(shù)中，與其他發(fā)射技術(shù)相比，彈射技術(shù)具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而從20世紀(jì)50年代末期開始，彈射技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。分別有以壓縮空氣、燃?xì)?、燃?xì)?蒸汽等為工質(zhì)的彈射裝置，從發(fā)射裝置的形式來分類，主要有筒式彈射和氣缸式彈射2種，本文所述的鋼絲繩氣缸式彈射裝置是在氣缸式彈射裝置的一種形式。

1 彈射器結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)方案

1.1 鋼絲繩氣缸式彈射裝置簡介

鋼絲繩氣缸式彈射裝置主要由鋼絲繩、氣缸、活塞機(jī)構(gòu)、滑輪機(jī)構(gòu)、產(chǎn)氣裝置（燃?xì)獍l(fā)生器）、集氣裝置等部分組成，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其主要工作過程如下：當(dāng)接收到發(fā)射指令后，燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火器起爆，引燃點(diǎn)火藥，點(diǎn)火藥產(chǎn)生的高溫燃?xì)恻c(diǎn)燃主裝藥，之后主裝藥按設(shè)計規(guī)律燃燒產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)?，燃?xì)饬鹘?jīng)過燃?xì)獍l(fā)生器下部出口噴出，通過導(dǎo)流管從氣缸上部進(jìn)入氣缸內(nèi)部，隨后推動活塞按預(yù)定規(guī)律向下運(yùn)動，并通過提拉彈底板使導(dǎo)彈隨之運(yùn)動，當(dāng)活塞運(yùn)動到底部的時候，彈底板與提拉裝置分離，隨后導(dǎo)彈隨彈底板繼續(xù)在筒內(nèi)運(yùn)動直至出筒。

1.2 鋼絲繩氣缸式彈射裝置特點(diǎn)

鋼絲繩氣缸式彈射裝置與筒式彈射裝置相比，具有以下特點(diǎn)：

1）筒式彈射裝置燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)射筒后直接作用于導(dǎo)彈底部，推動導(dǎo)彈運(yùn)動；鋼絲繩氣缸式彈射裝置燃?xì)獠贿M(jìn)入發(fā)射筒筒底，直接進(jìn)入氣缸內(nèi)，使燃?xì)馀c導(dǎo)彈完全分離，發(fā)射筒只用于儲運(yùn)導(dǎo)彈，不再承受高壓力，有助于減少發(fā)射筒重量、提高發(fā)射筒的安全性等。

圖1 鋼絲繩氣缸結(jié)構(gòu)示意簡圖Fig. 1 The structural representation of the wire rope cylinder

2）筒式彈射裝置與導(dǎo)彈為串聯(lián)連接時，需要軸向空間，當(dāng)為并聯(lián)連接（平行布置）時，需要徑向空間；鋼絲繩氣缸式彈射裝置與導(dǎo)彈為并聯(lián)連接。但相對于筒式彈射裝置的徑向空間需求少，同時有助于減少發(fā)射筒的長度，改善武器系統(tǒng)的機(jī)動性。

3）筒式彈射裝置彈射導(dǎo)彈時，需克服發(fā)射深度下的海水背壓，即阻力相對較大，不容易實現(xiàn)大深度發(fā)射；而鋼絲繩氣缸式彈射裝置發(fā)射導(dǎo)彈時不會產(chǎn)生這部分阻力，有助于實現(xiàn)導(dǎo)彈大深度發(fā)射。

4）筒式彈射裝置彈射導(dǎo)彈時，導(dǎo)彈出筒時會有大量氣體進(jìn)入水中，產(chǎn)生大分貝噪音；而氣缸為一個密閉空間，發(fā)射導(dǎo)彈時，筒內(nèi)不會產(chǎn)生氣體，同時燃?xì)膺M(jìn)入氣缸后也不會產(chǎn)生過大的聲音，能大大減小發(fā)射時產(chǎn)生的噪音，實現(xiàn)寂靜發(fā)射。

2 鋼絲繩氣缸式彈射裝置發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

2.1 發(fā)射內(nèi)彈道模型基本假設(shè)

發(fā)射內(nèi)彈道模型建立的基本假設(shè)如下：

1）不具體考慮工質(zhì)氣流各參數(shù)沿管路的變化情況，把工質(zhì)氣流沿管路的流動看作是工質(zhì)能量從發(fā)射動力系統(tǒng)向氣缸輸送過程；

2）不分別考慮火藥氣體各組成成份的作用，而是將火藥氣體看作一個整體來發(fā)揮其作用；

3）對于熱傳遞等能量損失，用能量系數(shù)考慮，并假定其值在整個過程中為一常數(shù)；

4）由于過程的不可逆性造成的能量貶值和漏氣造成的質(zhì)量損失用壓力系數(shù)來考慮；

5）由于氣缸內(nèi)工質(zhì)氣體存在著宏觀動能，引入動能系數(shù)來考慮，并假定其值在整個發(fā)射過程為一常數(shù)；

6）氣缸內(nèi)的燃?xì)?、空氣視為理想氣體。

2.2 發(fā)射內(nèi)彈道方程組

2.2.1 質(zhì)量守恒方程

進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃?xì)饬坑嬎愎饺缦拢?/p>

2.2.2 能量方程

進(jìn)入氣缸內(nèi)的總能量在不考慮傳熱損失的情況下等于各部分氣體的內(nèi)能、導(dǎo)彈動能、阻力功的和。

2.2.3 狀態(tài)方程

根據(jù)道爾頓分壓定律，氣體總壓等于各氣體分壓的和，氣缸底混合氣體壓力：

2.2.4 運(yùn)動方程

根據(jù)牛頓第二定律，得到運(yùn)動方程如下：

3 發(fā)射內(nèi)彈道計算分析及結(jié)論

根據(jù)上述分析建立的鋼絲繩氣缸式彈射裝置發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型，由于鋼絲繩氣缸式彈射裝置具有動平衡發(fā)射的特點(diǎn)，及導(dǎo)彈在水下發(fā)射時是泡在水中，前后壓差與發(fā)射深度無關(guān)，因此深度對導(dǎo)彈出筒速度基本無影響。因此，陸上與水下發(fā)射的主要區(qū)別為是否存在水阻力、附加慣性質(zhì)量力等阻力項。利用編寫仿真計算程序，完成了陸上發(fā)射及水下發(fā)射的仿真計算，發(fā)射內(nèi)彈道主要技術(shù)指標(biāo)計算結(jié)果如圖2～圖6所示。

從發(fā)射內(nèi)彈道仿真計算結(jié)果可以看出：鋼絲繩氣缸式彈射裝置發(fā)射導(dǎo)彈時，速度、加速度、壓力、溫度等發(fā)射內(nèi)彈道曲線平穩(wěn)，使導(dǎo)彈在大深度的發(fā)射條件下具有較高的出筒速度。由于水下發(fā)射相比于陸上發(fā)射存在水阻力、附加慣性質(zhì)量力等阻力，導(dǎo)彈運(yùn)動加速度相對較小，導(dǎo)彈出筒速度也相對較低，位移較慢。因此在相同的燃?xì)饬髁壳闆r下，氣缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力較大。

圖2 行程-時間曲線圖Fig. 2 The travel-time curves

圖3 速度-時間曲線圖Fig. 3 The velocity-time curves

圖4 加速度-時間曲線圖Fig. 4 The acceleration-time curves

圖5 壓力-時間曲線圖Fig. 5 The pressure-time curves

圖6 溫度-時間曲線圖Fig. 6 The temperature-time curves

4 結(jié) 語

本文是在一定假設(shè)條件下對鋼絲繩氣缸式彈射裝置發(fā)射內(nèi)彈道開展的仿真計算，計算結(jié)果基本反映了導(dǎo)彈發(fā)射過程中的發(fā)射內(nèi)彈道指標(biāo)，在導(dǎo)彈最新的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)（如大深度發(fā)射、大范圍變深度發(fā)射、寂靜發(fā)射、發(fā)射筒減重等）的條件下，為彈射裝置的設(shè)計提供一定的幫助。