電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置動力方案研究?

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

低噪聲發(fā)射裝置的研發(fā)一直以來都是水下魚雷發(fā)射裝置研究的主要方向之一，各國均在尋求一種最理想的水下魚雷發(fā)射裝置。當(dāng)前常規(guī)魚雷發(fā)射裝置主要包括自航式、氣動不平衡式、水壓平衡式、氣動沖壓式、空氣渦輪泵式以及正在研制中的電磁式魚雷發(fā)射裝置。由于現(xiàn)有的潛艇魚雷發(fā)射裝置（除自航式以外），均采用高壓空氣或強(qiáng)力水流作為發(fā)射能源［1］，所產(chǎn)生的瞬態(tài)發(fā)射噪聲極大，這對潛艇的隱蔽性和作戰(zhàn)性能［2～3］影響非常大。為此探究低發(fā)射噪聲的魚雷發(fā)射裝置十分必要。

電動力拖曳式發(fā)射裝置是在自航式發(fā)射裝置工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合未來潛艇全電力工作趨勢提出的。由于電動力拖曳式發(fā)射裝置是以直線電機(jī)作為發(fā)射動力［4］，因此能有效避免發(fā)射瞬間流體沖擊噪聲和武器出管后的海水噴流噪聲。為此針對電動力拖曳式發(fā)射裝置總體方案開展直線電機(jī)作為動力的需求分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)射動力系統(tǒng)方案論證。

2 電動力拖曳式發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)及發(fā)射原理

電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置主要由大口徑發(fā)射管、發(fā)射動力系統(tǒng)（包含直線電機(jī)、儲能裝置、電力控制裝置等）、拖拽系統(tǒng)（包含拉索、承載部件及滑輪機(jī)構(gòu)等）組成［5～6］。該方案布置在潛艇耐壓殼內(nèi)部時，其直線電機(jī)可布置在發(fā)射管后部備雷架附近，與備雷架平行。該方案布置于潛艇耐壓殼外部［7］時，除直線電機(jī)布置于耐壓殼體內(nèi)部，其余部件均緊貼殼體布置。

該發(fā)射系統(tǒng)在耐壓殼體內(nèi)部安裝時的工作原理為：當(dāng)武器裝入發(fā)射管后，其尾部安裝上承載部件，再將拉索一端與承載部件接好，另一端穿過后蓋上的導(dǎo)向密封部件后與拖塊連接，并關(guān)閉后蓋。發(fā)射預(yù)備時，注水均壓打開前蓋。發(fā)射時，直線電機(jī)通電驅(qū)動拖塊工作，拖塊帶動拉索拖動承載部件推動武器在管內(nèi)運(yùn)動，當(dāng)魚雷向前運(yùn)動時，海水從發(fā)射管管口進(jìn)入武器后部進(jìn)行補(bǔ)水。當(dāng)武器管內(nèi)運(yùn)動到彈道結(jié)束點時，承載部件減速制動，武器與承載部件分離從而離開發(fā)射管。

這種發(fā)射方案可以有效避免現(xiàn)役潛艇發(fā)射過程中產(chǎn)生的水壓力脈沖形成的流體沖擊噪聲、武器出管后的海水噴流噪聲以及發(fā)射后艇內(nèi)排氣噪聲等，可極大的降低發(fā)射噪聲。而且由于發(fā)射裝置關(guān)鍵部件直線電機(jī)安裝在艇內(nèi)，不僅避免了海水浸泡腐蝕以及短路等問題，還有利于對直線電機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)。

3 電動力拖曳式發(fā)射裝置的總體方案

電動力拖曳式發(fā)射系統(tǒng)是采用直線電機(jī)中動子的動能作為發(fā)射能源的魚雷發(fā)射裝置［8］。發(fā)射管直徑略大于魚雷口徑，由于需要在魚雷尾鰭處施加電磁推力，因此有兩種開槽方式，一種是在發(fā)射管內(nèi)部開一導(dǎo)槽，以使拖塊能夠在導(dǎo)槽內(nèi)平滑運(yùn)動（見圖1）。另一種是將拖塊置于發(fā)射管內(nèi)部（見圖2），也就是將發(fā)射管底部的導(dǎo)槽加以修改，使拖塊能在導(dǎo)槽內(nèi)平滑運(yùn)動。

電動力拖拽式發(fā)射系統(tǒng)主要由發(fā)射管體、魚雷、拖塊、滑索、直線電機(jī)等構(gòu)件組成，該發(fā)射裝置的工作原理：發(fā)射魚雷時，直線電機(jī)的動子在定子上沿-x方向運(yùn)動，而滑索另一端的拖塊則沿x方向運(yùn)動，拖塊經(jīng)魚雷尾鰭下部的導(dǎo)子推動魚雷以一定的速度出管。魚雷出管之后，直線電機(jī)的動子沿x方向運(yùn)動，通過滑索將拖塊拉回初始位置，準(zhǔn)備發(fā)射下一發(fā)魚雷（見圖3）。因此，電動力拖拽式發(fā)射裝置主要依靠直線電機(jī)提供推動魚雷出管的動力，發(fā)射過程簡單，且不同于以往發(fā)射系統(tǒng)工作時會產(chǎn)生排氣噪聲、發(fā)射水缸脈動噪聲，故該發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射噪聲較低。

圖1 拖塊位于發(fā)射管外的發(fā)射裝置總體方案

圖2 拖塊位于發(fā)射管內(nèi)的發(fā)射裝置總體方案

圖3 發(fā)射裝置工作原理示意圖

4 發(fā)射動力系統(tǒng)方案

水下發(fā)射主要是重型魚雷，故選取美國MK-48重型魚雷的具體參數(shù)為參考。美國MK-48魚雷直徑為D=533mm，長度為L=5850mm，魚雷質(zhì)量為M=1582kg，質(zhì)心位置x=3025mm。

4.1 直線電機(jī)推力要求

1）發(fā)射功率估算

魚雷發(fā)射系統(tǒng)要求能在有限的距離內(nèi)將魚雷加速到發(fā)射的速度，要求直線電機(jī)將質(zhì)量為M的某型魚雷從靜止加速到指定發(fā)射速度v0，加速時間為t，其中完全由直線電機(jī)來提供推力F，a是加速度，E為動能，P為功率，W是直線電機(jī)所做的功。所有阻力不計，該裝置發(fā)射魚雷的的運(yùn)動過程可以描述為

由于發(fā)射過程中存在摩擦做功、附加海水質(zhì)量做功［9］，因此需要將P擴(kuò)大一定系數(shù)，這里選取系數(shù)μ1，即得到發(fā)射功率約為268kW。

2）魚雷加速過程

由于魚雷的質(zhì)心位置為x，也就是說要在這段距離以及時間t內(nèi)將魚雷速度由0加速到v0，根據(jù)直線電機(jī)的特點，將魚雷的加速運(yùn)動描述為梯形模式（見圖4）。

圖4 魚雷在發(fā)射管內(nèi)加速過程

魚雷的運(yùn)動過程可粗略的描述為：0～t1內(nèi)為變加速運(yùn)動，加速度由0增大到a0；在t1～t2內(nèi)為勻加速運(yùn)動，加速度恒為a0；在t2～t內(nèi)為變減速運(yùn)動，加速度從a0降為0。由此，魚雷的發(fā)射過程可描述為

因此為了使魚雷出管速度不小于v0，魚雷在發(fā)射管內(nèi)位移不大于x，即滿足v≥v0，s≤x。由此，可得直線電機(jī)提供給魚雷加速的最大推力F。同理，對獲得的魚雷推力乘以系數(shù)μ2即可得到發(fā)射過程中直線電機(jī)需要提供的最大推力約為47.1kN。

4.2 永磁直線同步電動機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案

應(yīng)用于電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置的永磁直線電機(jī)［10～12］要求推力大，瞬間速度高，故同步電機(jī)采用動磁式［13～15］的結(jié)構(gòu)。由于雙邊直線電機(jī)是兩個單邊直線電機(jī)的組合［16～17］，因此能提供大推力，并且能有效規(guī)避單邊磁拉力所帶來的影響，因此考慮將雙邊直線電機(jī)作為電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置的動力來源。由于電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置發(fā)射魚雷過程中，需要非常大的動力來源，對直線電機(jī)的供電要求也很高，因此采用單個雙邊直線電機(jī)作為魚雷發(fā)射動力的方案有局限性。根據(jù)電機(jī)學(xué)基本原理，大功率的直線電機(jī)可由多個小功率的直線電機(jī)組合而成，這樣就可以降低對直線電機(jī)的供電要求，也能提供所需動力，并且同時也降低了安裝和維修的難度。因此，小功率直線電機(jī)的組合方式也是一個關(guān)鍵的問題。在總體結(jié)構(gòu)上小功率直線電機(jī)的組合有三種實現(xiàn)方式，具體可分為單列多層、單層多列、多層多列組合。通過多個小功率直線電機(jī)用以上三種方式組合而成的大功率直線電機(jī)可以輸出的動力更大［15］，其中小功率電機(jī)可以視為一個電機(jī)單元。

通過對上述三種組合方式的對比分析，綜合考慮用于魚雷發(fā)射場合的直線電機(jī)，可以采用多個小功率直線電機(jī)在三維空間上陣列組合而成的方式，即將大功率系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個個電機(jī)單元的組合，在最終設(shè)計方案中加入恰當(dāng)?shù)目刂品绞?，將達(dá)到電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置所要求的工作效果。因此，采用上述方式組合而成的大功率直線電機(jī)，在研究其直線電機(jī)結(jié)構(gòu)性能的時候，可以以單個電機(jī)單元為研究對象。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，增加動子的長度，或是增加定子的疊片厚度，均能提高直線電機(jī)所能產(chǎn)生的推力。

4.3 定子驅(qū)動繞組方案

為了便于直線電機(jī)的安裝和維修，直線電機(jī)在總體結(jié)構(gòu)上可采用三維空間上陣列組合而成的方式，除此之外，還可以將單個的電機(jī)單元模塊化，并且將其中的定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計，這樣的結(jié)構(gòu)有利于提高電機(jī)的工作性能，例如：定子上的任何一個線圈在出現(xiàn)故障的情況下都可以方便地進(jìn)行更換，而不影響其它定子齒和繞組的工作。因此，對電機(jī)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模塊化，能夠在電機(jī)某一部分出現(xiàn)故障的情況下，不會使整個動力系統(tǒng)完全癱瘓，問題如能得到及時的處理，系統(tǒng)仍然可以維持工作狀態(tài)，從而維持魚雷發(fā)射裝置的工作狀態(tài)穩(wěn)定。

將定子結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計，首先要研究定子的繞組方式，定子繞組有分布式和集中式兩種，為了降低電機(jī)加工和裝配的難度，提高功率密度，故采用集中繞組方式。其次，集中繞組有分?jǐn)?shù)槽和整數(shù)槽［18］之分。集中繞組整數(shù)槽的典型結(jié)構(gòu)有4極6槽，6極9槽，8極12槽；集中繞組的分?jǐn)?shù)槽的典型結(jié)構(gòu)有8極9槽，22極21槽，22極24槽。為了探究適合于電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置的直線電機(jī)的定子繞組類型，下面分別對8極12槽的整數(shù)槽結(jié)構(gòu)和8極9槽的分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這兩種典型的繞組結(jié)構(gòu)中極對數(shù)均為4，故有利于進(jìn)行計算和分析比較，從而得出可靠的結(jié)論。

1）8極9槽的分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)分析

以直線電機(jī)8極9槽的槽極配合方案為研究對象，對集中繞組分?jǐn)?shù)槽進(jìn)行分析。其中，極對數(shù)為p=4，定子槽數(shù)為Z=9。根據(jù)繞組因數(shù)的計算原理，于是8極9槽直線電機(jī)可根據(jù)以下方程計算繞組因數(shù)：

式中：y為繞組節(jié)距；α為相鄰兩槽電動勢的電角度；τ為極距；q為電機(jī)的每極每相槽數(shù)；Kp1為繞組的節(jié)距因數(shù)；Kd1為繞組的分布因數(shù)。由于定子的繞組因數(shù)由節(jié)距因數(shù)和分布因數(shù)共同決定。根據(jù)已知參數(shù)，定子繞組因數(shù)為

2）8極12槽的整數(shù)槽結(jié)構(gòu)分析

以直線電機(jī)8極12槽的槽極配合方案為研究對象，進(jìn)行集中繞組整數(shù)槽的分析。其中，極對數(shù)p=4，定子槽數(shù)Z=12。于是該繞組的每對極槽數(shù)，可以根據(jù)以下公式：

式中：y1為節(jié)距系數(shù)，同理可得，8極12槽電機(jī)的定子繞組因數(shù)：

由于Kd1p1大于Kd2p2，集中繞組整數(shù)槽結(jié)構(gòu)的繞組因數(shù)更高，集中繞組分?jǐn)?shù)槽的繞組利用率更高。但是，為了達(dá)到直線電機(jī)在模塊化設(shè)計下的安裝和更換要求，集中繞組分?jǐn)?shù)槽直線電機(jī)顯然不滿足要求，集中繞組整數(shù)槽直線電機(jī)在動子長度上的改變更加便捷。此外，根據(jù)三相集中繞組連接圖可知，整數(shù)槽集中繞組繞線方式較簡單，也將有效提高發(fā)射系統(tǒng)的可靠性。綜上所述，針對魚雷發(fā)射的應(yīng)用場合，直線電機(jī)選用集中繞組整數(shù)槽結(jié)構(gòu)。

5 雙邊永磁直線同步電機(jī)推力計算

由于電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置應(yīng)用于高速場合，故線圈匝數(shù)選取為1匝?？紤]到電機(jī)在大功率的場合將受到側(cè)向力的作用，因此為了提高裝置工作的平穩(wěn)性的可靠性，永磁體采用嵌入式安裝。

表1 永磁直線電機(jī)的設(shè)計尺寸

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)建立雙邊永磁直線同步電機(jī)的仿真模型，并對雙邊永磁直線電機(jī)推力進(jìn)行計算［19］，其中極對數(shù)p=4，給電機(jī)的三相繞組加載三相正弦電流，得到電機(jī)在不同安匝數(shù)時的推力情況。

給電機(jī)加載不同的電流，得到電機(jī)在不同安匝數(shù)下的推力值，如圖5所示，顯然電機(jī)的推力隨著安匝數(shù)的增加而增大，但是最終將趨于平穩(wěn)。表2是在電流為1000A，不同極對數(shù)情況下推力情況。從表中看出，推力隨極對數(shù)的增加成倍數(shù)增長。

圖5 推力-安匝數(shù)曲線

表2 推力-極對數(shù)關(guān)系表

運(yùn)用最小二乘法對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到曲線的擬合方程為：

從式（24）可以看出，安匝數(shù)一定，推力正相關(guān)于極對數(shù)p，也就是說p對極動子產(chǎn)生的推力是一對極電機(jī)產(chǎn)生推力的p倍。

綜合上述分析，直線電機(jī)所產(chǎn)生的推力與電機(jī)極對數(shù)成正比，電機(jī)的輸出功率又與定子的疊片厚度成正比，因此，為了滿足電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置所需的推力要求，確定定子疊片厚度為800mm，動子長度為720mm，安匝數(shù)為2000，極對數(shù)為8，給電機(jī)加載三相正弦電流，所產(chǎn)生的推力可達(dá)到46.1kN。根據(jù)上述第4節(jié)的計算，電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置在發(fā)射魚雷時需要提供47.1kN的推力，為了滿足發(fā)射魚雷的要求，可以通過增加定子疊片厚度，或者采用多列排布的方式，達(dá)到推力要求，在上述方案的基礎(chǔ)上，可將小功率直線電機(jī)成3列排布，當(dāng)給電機(jī)通入2000NI的電流時，永磁直線電機(jī)可以產(chǎn)生64kN的推力，已經(jīng)遠(yuǎn)超出所需推力的大小。因此，在電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置中采用永磁直線電機(jī)能夠滿足魚雷發(fā)射要求。

6 結(jié)語

為了對電動力拖曳式發(fā)射裝置發(fā)射動力進(jìn)行研究與分析，提出了電動力拖拽式發(fā)射裝置總體方案，確定以永磁直線電機(jī)作為動力來源。根據(jù)魚雷出管速度要求，確定了發(fā)射功率為300kW，直線電機(jī)需提供的最大推力為47.1kN，直線電機(jī)定子長度至少為4900mm。通過對永磁直線同步電動機(jī)總體結(jié)構(gòu)的分析，以及對魚雷發(fā)射的應(yīng)用場合的綜合考慮，確定了直線電機(jī)在總體結(jié)構(gòu)上采用多層多列的組合方案，定子繞組選用集中繞組整數(shù)槽結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)之上，計算了雙邊永磁直線同步電機(jī)的推力，為滿足發(fā)射需求，直線電機(jī)可成3列排布，給電機(jī)通入2000NI的電流，直線電機(jī)可以產(chǎn)生64kN的推力。因此，直線電機(jī)作為電動力拖曳式魚雷發(fā)射裝置的動力來源，在理論上滿足魚雷發(fā)射要求。