機(jī)械式發(fā)射開關(guān)發(fā)射能量調(diào)節(jié)過程仿真分析

周 杰，馬 亮，王明明

(1.海軍潛艇學(xué)院 戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系，山東 青島 266071;2.91206部隊，山東 青島 266108)

液壓平衡式發(fā)射裝置利用平衡發(fā)射原理實(shí)現(xiàn)大深度發(fā)射，世界各國許多潛艇裝備此類雷彈發(fā)射裝置[1]。液壓平衡式發(fā)射裝置主要借助活塞運(yùn)動完成能量從壓縮空氣到海水的轉(zhuǎn)化過程，并最終借助海水推動發(fā)射管中的武器出管[2]，壓縮空氣是此類發(fā)射裝置的發(fā)射能源，調(diào)節(jié)發(fā)射能量主要通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的供給量來實(shí)現(xiàn)[3]?？刂茐嚎s空氣的關(guān)鍵閥件稱為發(fā)射開關(guān)，機(jī)械式發(fā)射開關(guān)可靠性高，工作穩(wěn)定，但對發(fā)射能量的調(diào)節(jié)不夠靈活，機(jī)械式發(fā)射開關(guān)主要依靠調(diào)整緩沖器調(diào)節(jié)桿墊片厚度調(diào)節(jié)發(fā)射能量的供給規(guī)律，但必須借助專業(yè)設(shè)備測量調(diào)節(jié)的結(jié)果，在緊急情況下無法實(shí)現(xiàn)對發(fā)射能量的靈活調(diào)節(jié)。發(fā)射能量的供給數(shù)量和規(guī)律直接關(guān)系到武器的出管速度，而武器出管速度是保證發(fā)射安全的重要指標(biāo)，出管速度過低極易造成武器在初始彈道階段失去控制。能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)射能量的靈活調(diào)節(jié)，對保證發(fā)射安全，確保攻擊效果具有重要意義。為解決機(jī)械式發(fā)射開關(guān)調(diào)節(jié)發(fā)射能量缺少定量操作指引的問題，筆者對增加墊片的調(diào)節(jié)效果進(jìn)行仿真分析，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急條件下機(jī)械式發(fā)射開關(guān)對發(fā)射能量的靈活調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

1 液壓平衡式發(fā)射裝置基本原理

液壓平衡式發(fā)射裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)射氣瓶中存儲的壓縮空氣作為發(fā)射能源，壓縮空氣在發(fā)射時不直接進(jìn)入發(fā)射管推動武器運(yùn)動，而是在發(fā)射開關(guān)的控制下進(jìn)入氣缸，推動氣缸和水缸內(nèi)的同軸活塞運(yùn)動，先將壓縮空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換為活塞運(yùn)動機(jī)械能，進(jìn)而通過水缸內(nèi)活塞推動海水，轉(zhuǎn)換為海水動能，最終借助海水推動武器，轉(zhuǎn)化為發(fā)射管內(nèi)武器運(yùn)動的動能[4]。液壓平衡式發(fā)射裝置的實(shí)質(zhì)是利用同軸的雙頭活塞，將作為發(fā)射源動力的氣缸和用于將舷外海水泵入發(fā)射管內(nèi)的水缸同軸連接，形成一個往復(fù)運(yùn)動的泵。通過將海水靜壓引入水缸作為推動水缸活塞運(yùn)動的動力，從而平衡阻礙管內(nèi)武器運(yùn)動的海水靜壓力，實(shí)現(xiàn)了平衡發(fā)射，極大地提高了發(fā)射深度[5]。

2 機(jī)械式發(fā)射開關(guān)發(fā)射能量調(diào)節(jié)原理

液壓平衡式發(fā)射裝置機(jī)械式發(fā)射開關(guān)原理如圖2所示，發(fā)射開關(guān)下部為發(fā)射閥閥體，用于控制由發(fā)射氣瓶至氣缸的氣路。發(fā)射開關(guān)上部為緩沖器。平時，發(fā)射活塞被彈簧推向下，關(guān)閉發(fā)射氣瓶到氣缸之間的通路，截止氣瓶壓縮空氣流入發(fā)射閥上腔，推動活塞向下，發(fā)射活塞緊閉，發(fā)射開關(guān)動作如圖2(a)所示。發(fā)射時，發(fā)射閥上腔的壓縮空氣經(jīng)由排氣閥釋放到艙室中時，上腔氣壓降低，發(fā)射氣瓶壓縮空氣作用在發(fā)射活塞肩部的壓力推發(fā)射活塞向上，使特形孔逐漸露出，發(fā)射氣瓶中的壓縮空氣通過特形孔進(jìn)入氣缸，如圖2(b)所示。

在發(fā)射活塞上升的過程中緩沖活塞隨之一起上升并起到調(diào)節(jié)上升速度的作用。在緩沖活塞上升過程中調(diào)節(jié)桿逐漸進(jìn)入緩沖活塞的中央通孔，緩沖器中的水通過調(diào)節(jié)桿和緩沖活塞中心通孔之間的環(huán)形間隙由上至下流動，同時由于調(diào)節(jié)桿的直徑自下而上由細(xì)到粗變化，從而使得環(huán)形間隙由大到小變化，由于水很難被壓縮，所以環(huán)形間隙越小，水的流量越小，而水的流量越小，緩沖活塞上升速度就越低，即發(fā)射活塞上升速度越低，通氣面積緩慢增加；反之，發(fā)射活塞上升速度加快，通氣面積快速增加。由于調(diào)節(jié)桿的作用，發(fā)射活塞先快后慢變速上升，從而控制發(fā)射開關(guān)的打開速度。緩沖器活塞和調(diào)節(jié)桿之間的間隙面積Sxh是隨著閥芯運(yùn)動而變化的，如圖3所示，其面積Sxh的表達(dá)式為：

(1)

式中：x為發(fā)射活塞的運(yùn)動距離；dhx為調(diào)節(jié)桿上端圓柱部分的直徑；dhd為調(diào)節(jié)桿下端圓柱部分的直徑；dxk為緩沖器活塞中間孔直徑；e1為發(fā)射開關(guān)開始工作前，緩沖活塞凹槽至調(diào)節(jié)桿圓柱端面之間的長度；e2為調(diào)節(jié)桿圓錐段的長度，是固定值。

特形孔的打開面積與發(fā)射活塞向上運(yùn)動的位移密切相關(guān)。發(fā)射活塞的上升速度取決于緩沖器中的水由活塞的上腔流至下腔的體積流量。發(fā)射活塞上升的速度可表示為

(2)

式中：xm為發(fā)射活塞的極限行程；Shs為緩沖器活塞面積；Sxk為緩沖器活塞中間孔面積;φw為緩沖器活塞和滑閥之間的間隙流量系數(shù)；ρd為緩沖器內(nèi)淡水的密度；ps為緩沖活塞上腔中的壓力，具體取值方式見參考文獻(xiàn)[6]。

根據(jù)式(2)可知發(fā)射開關(guān)的打開速度與緩沖器中水的流量有直接關(guān)系，而緩沖器中水的流量則由調(diào)節(jié)桿決定，通過增減墊片，可以改變調(diào)節(jié)桿的位置，如圖4所示。墊片一般取1～4片，厚度最大為50 mm，增減墊片厚度主要改變式(1)中e1的值，增加墊片厚度，e1增大；反之減小。改變調(diào)節(jié)桿位置最終實(shí)現(xiàn)發(fā)射開關(guān)對發(fā)射能量的調(diào)節(jié)，但具體的調(diào)節(jié)規(guī)律必須通過建立液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。

3 液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射模型

要確定發(fā)射開關(guān)對發(fā)射能量的調(diào)節(jié)規(guī)律，必須建立液壓平衡式發(fā)射裝置內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型。對發(fā)射過程進(jìn)行仿真分析[7]。假設(shè):氣體為理想氣體；熱力學(xué)過程為絕熱過程；壓力和溫度均勻分布[6]。

3.1 發(fā)射氣瓶氣體狀態(tài)模型

(3)

(4)

(5)

式中：mB為發(fā)射氣瓶內(nèi)壓縮空氣質(zhì)量；pB為發(fā)射氣瓶壓力；TB發(fā)射氣瓶溫度；mi為進(jìn)入氣缸的氣體質(zhì)量。

3.2 發(fā)射閥數(shù)學(xué)模型

發(fā)射閥通過控制開啟面積控制發(fā)射過程中的壓縮空氣供給量，以使氣體流量保持在所需的數(shù)值。發(fā)射閥的面積變化規(guī)律為先慢后快，逐漸增大，直至達(dá)到最大開啟面積。發(fā)射閥特形孔形狀如圖5所示，特形孔面積的大小由發(fā)射閥特形孔形狀與閥芯移動位移決定。

在閥孔特形孔形狀固定的情況下，特形孔面積是閥芯移動位移x的函數(shù)，可表示為

(6)

式中，pBj為自動截止器動作關(guān)閉發(fā)射開關(guān)時發(fā)射氣瓶的壓力。

(7)

式中：x0為發(fā)射閥閥芯開始運(yùn)動到特形孔開啟時閥芯所運(yùn)動的距離；a、b、h0為特形孔形狀參數(shù)。

3.3 氣缸運(yùn)動模型

氣缸內(nèi)氣體狀態(tài)方程與質(zhì)量守恒方程為

(8)

(9)

選擇氣缸活塞始端為坐標(biāo)原點(diǎn)，則有：

Vqg=Vqg0+(Spq-Sps)xp，

(10)

3.4 活塞運(yùn)動方程

氣、水缸活塞為同軸活塞，在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析時視為一體。經(jīng)受力分析得活塞組件力平衡方程為

pw(Spw-Sps)-Fp.

(11)

3.5 水缸內(nèi)海水壓力模型

根據(jù)流體力學(xué)理論經(jīng)推導(dǎo)得到水缸壓力方程：

(12)

當(dāng)活塞運(yùn)動位移為xp時，水缸體積為：

Vw=Vw0-(Spw-Sps)xp-Vdw，

(13)

式中，Vw0為水缸控制體初始體積。

由以上兩式可得：

(14)

3.6 發(fā)射管內(nèi)海水壓力模型

發(fā)射管內(nèi)海水壓力模型為

(15)

式中：pg為發(fā)射管內(nèi)海水壓強(qiáng)；vT為武器在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動速度；Vg0為發(fā)射管內(nèi)武器后部海水初始體積；S為發(fā)射管橫截面積；qgi為發(fā)射水艙進(jìn)入發(fā)射管海水流量；qg0為發(fā)射管間隙流量。

3.7 武器在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動模型

發(fā)射武器過程中，武器運(yùn)動離管空出的容積由發(fā)射水缸的海水不斷補(bǔ)充。武器后部的海水，以與武器相同的速度向管外運(yùn)動，且運(yùn)動海水質(zhì)量不斷增加。把運(yùn)動的海水與武器視為整體，其運(yùn)動方程為

(16)

式中：m=mw+mT=mw0+ρhSgl+mT，其中mT為武器質(zhì)量，mw為隨武器一起運(yùn)動的海水的質(zhì)量，mw0為隨武器運(yùn)動的海水質(zhì)量的初始值；Sg為武器橫截面積；Rx為武器流體運(yùn)動阻力；Fm為武器與管壁之間的摩擦力；pHST為發(fā)射管口外部海水壓力。

4 仿真過程及結(jié)果分析

建立發(fā)射過程Simulink仿真模型，程序主要由6個子模塊組成，如圖6所示。仿真選定魚雷作為發(fā)射武器。在仿真求解器的選取上，考慮到方程的剛性并通過試算，最后確定選取變步長ode23tb解算器。

選取發(fā)射開關(guān)墊片厚度0、5、15、30、50 mm進(jìn)行仿真計算，得到出管速度、膛壓峰值、水缸壓力峰值和氣缸壓力峰值，如表1所示。

表1 不同墊片厚度發(fā)射數(shù)據(jù)表

從分析數(shù)值發(fā)現(xiàn)：增加墊片，出管速度等參數(shù)逐漸增大，這是由于增加墊片，調(diào)節(jié)桿位置上移，在活塞上升過程中，調(diào)節(jié)桿開始發(fā)生作用的時間推遲，整體作用時間減少，發(fā)射活塞的打開速度變快，發(fā)射能量增加。但當(dāng)活塞從30 mm增加到50 mm時，參數(shù)變化不明顯，這主要是由于發(fā)射開關(guān)打開行程非常有限，調(diào)節(jié)桿上移幅度過大時，在活塞行程中發(fā)生作用的時間縮減，對發(fā)射能量的調(diào)節(jié)作用將減弱。

為便于觀察比對，繪制墊片厚度0、5、15、50 mm時發(fā)射開關(guān)打開速度曲線，如圖7所示。對比曲線可知：隨著墊片厚度的增加，發(fā)射開關(guān)打開速度整體增加，尤其是在開關(guān)打開初期階段快速運(yùn)動的時間增加，導(dǎo)致壓縮空氣流量增加，發(fā)射能量增加。

發(fā)射開關(guān)通氣面積曲線如圖8所示。從通氣面積曲線同樣可知：隨著墊片厚度增加，發(fā)射開關(guān)通氣面積整體提升，當(dāng)墊片厚度為50 mm時，通氣面積在較長時間內(nèi)處于最大通氣面積，主要由于墊片厚度增加導(dǎo)致調(diào)節(jié)桿對通氣面積的調(diào)節(jié)作用時間縮減。

為確定調(diào)整發(fā)射開關(guān)墊片厚度對發(fā)射過程的最終影響，繪制不同墊片厚度時魚雷出管速度時間曲線、膛壓時間曲線、氣缸壓力時間曲線、水缸壓力時間曲線，如圖9～12所示。

從圖9～12中可知：出管速度隨著墊片的增加逐漸增大，符合機(jī)械式發(fā)射開關(guān)的能量調(diào)節(jié)規(guī)律。仿真數(shù)據(jù)說明墊片調(diào)節(jié)與出管速度的變化關(guān)系，驗(yàn)證了機(jī)械式發(fā)射開關(guān)的調(diào)節(jié)發(fā)射能量的方法，在保證膛壓、氣缸壓力和水缸壓力峰值符合發(fā)射裝置強(qiáng)度安全要求，保證安全發(fā)射的前提下，對于墊片的具體增減幅度給出了定量指引，為潛艇實(shí)際操作提供了數(shù)據(jù)參考。數(shù)據(jù)表面墊片增加，峰值增大，但由于發(fā)射氣瓶用于發(fā)射的整體發(fā)射能量不變，造成后期衰減增快。

5 結(jié)束語

在對液壓平衡式發(fā)射裝置基本原理和機(jī)械式發(fā)射開關(guān)能量控制原理、調(diào)節(jié)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，為確定增減發(fā)射開關(guān)墊片對發(fā)射過程的影響，應(yīng)用控制體分析方法，建立液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射動力學(xué)模型，通過該模型對機(jī)械式發(fā)射開關(guān)發(fā)射能量調(diào)節(jié)過程進(jìn)行仿真分析。利用Simulink軟件模塊化設(shè)計方法，建立了武器發(fā)射過程仿真模型。利用模型對不同墊片厚度的發(fā)射過程進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，增加墊片可以增大出管速度，但墊片增加幅度達(dá)到30 mm時，調(diào)節(jié)作用顯著下降，其原因是機(jī)械式發(fā)射開關(guān)打開行程有限，增加墊片導(dǎo)致調(diào)節(jié)桿位置過分上移，會削弱其在發(fā)射過程中的控制作用。通過分析出管速度、膛壓、氣缸壓力和水缸壓力曲線，證明調(diào)節(jié)機(jī)械式發(fā)射開關(guān)墊片改變發(fā)射能量控制規(guī)律能夠滿足安全發(fā)射的要求。建立的仿真模型基本反映發(fā)射裝置發(fā)射過程內(nèi)在規(guī)律，運(yùn)行可靠，仿真結(jié)果為實(shí)現(xiàn)通過發(fā)射開關(guān)調(diào)節(jié)液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射能量提供了有力的理論依據(jù)。