水下鋼纜拖拽發(fā)射魚雷內(nèi)彈道仿真

陳宗楊, 練永慶, 李 昂

水下鋼纜拖拽發(fā)射魚雷內(nèi)彈道仿真

陳宗楊1, 練永慶1, 李 昂2

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國人民解放軍92336部隊, 海南 三亞, 572000)

針對現(xiàn)有無人水下航行器(UUV)發(fā)射魚雷時出管速度低、發(fā)生啟動故障后無法順利出管以及作用在魚雷上的瞬間推力較大等不足, 提出了結(jié)構(gòu)簡單且能與自航發(fā)射方案配套的水下鋼纜拖拽發(fā)射魚雷基本結(jié)構(gòu)方案。在此基礎(chǔ)上, 建立了水下鋼纜拖拽發(fā)射魚雷的內(nèi)彈道模型, 其中包括發(fā)射氣瓶氣體狀態(tài)模型、發(fā)射閥數(shù)學(xué)模型、氣水缸數(shù)學(xué)模型、拖拽裝置數(shù)學(xué)模型以及魚雷運動數(shù)學(xué)模型。最后進行了發(fā)射過程仿真, 并對發(fā)射氣瓶初始充氣壓力大小、UUV航速以及鋼纜彈性等參數(shù)對魚雷發(fā)射內(nèi)彈道的影響進行了分析對比。仿真結(jié)果表明: 該方案滿足UUV發(fā)射魚雷的要求, 在原理上具備可行性, 且結(jié)構(gòu)本身能夠解決自航發(fā)射時魚雷因故障無法順利出管的應(yīng)急拋射問題, 并在一定程度上減小了對魚雷尾部結(jié)構(gòu)強度的要求。

無人水下航行器; 魚雷; 鋼纜拖拽; 內(nèi)彈道; 發(fā)射

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)作為水下自主作戰(zhàn)平臺可使用魚雷作為作戰(zhàn)武器。目前UUV水下魚雷發(fā)射方案主要有自航式發(fā)射方案和提拉缸式發(fā)射方案[1-4]。例如, 美國的“MANTA”UUV搭載2枚533 mm口徑魚雷[5], 采用自航式魚雷發(fā)射方式。孫玉松等[6]開展了在UUV上采用外掛式自航發(fā)射方案發(fā)射魚雷的研究。練永慶[7]和郭煜[8]等提出了在UUV上采用提拉缸式發(fā)射方案發(fā)射魚雷。綜上研究可發(fā)現(xiàn), 自航式發(fā)射方案具有結(jié)構(gòu)簡單、適裝性好的優(yōu)點, 但存在魚雷出管速度低、魚雷出現(xiàn)啟動故障后無法保證其順利出管等問題; 提拉缸式發(fā)射方案受限于自身結(jié)構(gòu), 在發(fā)射中推動魚雷的有效作用距離較短, 導(dǎo)致作用在魚雷上的瞬間推力及魚雷運動最大加速度較大, 對魚雷殼體強度及內(nèi)部儀器設(shè)備抗沖擊能力提出了較高的要求。

文中針對自航式和提拉缸式魚雷發(fā)射方案的不足, 在參考意大利B512型自航式魚雷發(fā)射裝置應(yīng)急拋射機構(gòu)[9-10]的基礎(chǔ)上, 提出了鋼纜拖拽式魚雷發(fā)射方案。該方案不僅可與自航式發(fā)射方案配套使用, 以解決自航發(fā)射時魚雷因故障無法順利出管的應(yīng)急拋射問題, 還可實現(xiàn)以一定出管速度指標(biāo)發(fā)射魚雷。同時, 方案中的長行程氣水缸也可在一定程度上減小對魚雷尾部的瞬間作用力。

文中針對鋼纜拖拽式魚雷發(fā)射方案建立發(fā)射過程的相關(guān)數(shù)學(xué)模型并進行仿真計算, 對影響魚雷內(nèi)彈道相關(guān)因素進行定量分析, 從而為鋼纜拖拽式魚雷發(fā)射裝置的總體方案設(shè)計和論證提供理論依據(jù)。

1 鋼纜拖拽式魚雷發(fā)射方案

鋼纜拖拽式發(fā)射裝置主要由發(fā)射氣瓶、發(fā)射閥、氣水缸、傳動活塞、鋼纜、滑輪、柵狀管以及滑塊組成, 如圖1所示。傳動活塞、鋼纜和滑塊組成拖拽裝置。發(fā)射氣瓶通過發(fā)射閥與氣水缸連接, 氣水缸內(nèi)裝有傳動活塞, 傳動活塞與鋼纜固連并通過滑塊與魚雷連接。該裝置安裝在自航發(fā)射管上, 可與自航發(fā)射方案配套使用。

該方案的發(fā)射原理是: 發(fā)射前完成對發(fā)射氣瓶的充氣, 傳動活塞位置如圖1所示; 發(fā)射時, 發(fā)射閥開啟, 發(fā)射氣瓶的高壓空氣進入氣水缸中傳動活塞右側(cè), 由于傳動活塞左右壓力差的作用, 傳動活塞帶動鋼纜向左運動, 鋼纜通過滑輪帶動滑塊向右運動, 滑塊作用在魚雷上, 推動魚雷加速運動直至出管。

圖1 鋼纜拖拽式發(fā)射方案結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

2.1 發(fā)射氣瓶氣體狀態(tài)模型

由于發(fā)射過程非常短暫, 可認為發(fā)射過程中, 發(fā)射氣瓶內(nèi)部空氣的膨脹為絕熱過程, 由氣體熱力學(xué)定律推導(dǎo)有

忽略發(fā)射過程中氣體泄漏, 根據(jù)質(zhì)量守恒定律

2.2 發(fā)射閥數(shù)學(xué)模型

1) 發(fā)射閥氣體流量模型

發(fā)射氣瓶中經(jīng)發(fā)射閥流入氣水缸的氣體流量可按照準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)概念進行計算。假設(shè)氣體流動過程是等熵的, 根據(jù)空氣動力學(xué)理論[11], 發(fā)射氣瓶與發(fā)射閥之間的空氣流量為

2) 發(fā)射閥閥芯運動數(shù)學(xué)模型

發(fā)射閥閥芯的運動速度[12]

2.3 氣水缸數(shù)學(xué)模型

式中: 為氣水缸氣體瞬時壓力變化率; 為氣水缸控制體體積變化率。

選擇氣水缸運動始點為坐標(biāo)原點, 傳動活塞向左運動方向為正方向, 則有

2.4 拖拽裝置數(shù)學(xué)模型

對拖拽裝置進行運動學(xué)和動力學(xué)分析, 得到拖拽裝置運動模型

2.5 魚雷運動數(shù)學(xué)模型

滑塊質(zhì)量相對于魚雷質(zhì)量很小, 可以忽略其對魚雷運動產(chǎn)生的影響, 將滑塊和魚雷視為一體進行動力學(xué)分析, 得到魚雷的運動模型為

3 發(fā)射內(nèi)彈道仿真

根據(jù)建立的發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型編制仿真程序, 在給定仿真條件下, 對發(fā)射過程進行仿真。

3.1 仿真參數(shù)

將仿真參數(shù)代入模型得到魚雷位移曲線、魚雷速度曲線、魚雷加速度曲線、鋼纜拉力變化曲線及氣水缸控制體壓力曲線, 如圖3～7所示。

圖3 魚雷位移曲線

圖4 魚雷速度曲線

圖5 魚雷加速度曲線

圖6 鋼纜拉力變化曲線

圖7 氣水缸控制體壓力曲線

3.2 變參數(shù)仿真結(jié)果

為了進一步分析方案中相關(guān)參數(shù)對魚雷內(nèi)彈道的影響, 在仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上, 逐一改變參數(shù)中發(fā)射氣瓶初始充氣壓強、UUV航速、魚雷質(zhì)量以及鋼纜彈性模量, 并分別進行仿真以研究相關(guān)參數(shù)對魚雷內(nèi)彈道的影響規(guī)律。

1) 改變發(fā)射氣瓶初始壓強

將發(fā)射氣瓶初始充氣壓強分別設(shè)定為減少20%(9.6 MPa)、不變(12 MPa)、增加20%(14.4 MPa)進行仿真, 仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 不同初始充氣壓強下魚雷位移曲線

圖9 不同初始充氣壓強下魚雷速度曲線

圖10 不同初始充氣壓強下魚雷加速度曲線

2) 改變UUV航速

分別對UUV航速sub=0、1.5和3 m/s時進行仿真, 仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 不同UUV航速下魚雷位移曲線

圖12 不同UUV航速下魚雷速度曲線

圖13 不同UUV航速下魚雷加速度曲線

由仿真結(jié)果可知, UUV航速的變化對魚雷內(nèi)彈道影響很小。這是因為在方案中, UUV航速僅對魚雷流體阻力產(chǎn)生影響, 而該阻力與鋼纜拉力相比量值較小。

3) 改變魚雷質(zhì)量

圖14 不同魚雷質(zhì)量下魚雷位移曲線

圖15 不同魚雷質(zhì)量下魚雷速度曲線

圖16 不同魚雷質(zhì)量下魚雷加速度曲線

4) 改變鋼纜彈性模量

將鋼纜彈性模量分別設(shè)定為110 GPa、80 GPa和60 GPa 進行仿真, 仿真結(jié)果如圖17～20所示。

從仿真結(jié)果可知, 鋼纜彈性模量的變化對魚雷出管速度和出管時間影響較小; 當(dāng)鋼纜彈性模量為60 GPa時, 鋼纜拉力變化引起的形變較彈性模量為110 GPa時相對較大, 因此魚雷加速度會產(chǎn)生小幅度振蕩。當(dāng)前滿足本方案需求的幾種鋼纜類型[16], 其彈性模量大多在100～200 GPa, 因此鋼纜的彈性不會對魚雷內(nèi)彈道產(chǎn)生太大影響。

圖17 鋼纜彈性變化下魚雷位移曲線

圖18 鋼纜彈性變化下魚雷速度曲線

圖19 鋼纜彈性變化下魚雷加速度曲線

圖20 鋼纜彈性變化下鋼纜拉力線曲

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有水下魚雷發(fā)射方案的不足, 文中提出一種適用于UUV的水下鋼纜拖拽式魚雷發(fā)射方案, 在此基礎(chǔ)上建立了魚雷內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型, 并進行了數(shù)值仿真計算, 對仿真結(jié)果分析可知: 使用該方案發(fā)射魚雷在原理上是可行的, 魚雷內(nèi)彈道指標(biāo)滿足UUV發(fā)射要求, 且該方案的魚雷出管速度優(yōu)于自航式發(fā)射方案; 發(fā)射氣瓶初始充氣壓力對魚雷內(nèi)彈道有較大影響, UUV航速、魚雷質(zhì)量以及鋼纜彈性模量對魚雷內(nèi)彈道影響較小。

相較于提拉缸式發(fā)射, 文中方案的長行程氣水缸使滑塊對魚雷做功距離更長, 從而減小了魚雷尾部的瞬間作用力, 相對降低了對魚雷尾部的結(jié)構(gòu)強度要求。但與傳統(tǒng)發(fā)射裝置, 如氣動不平衡式魚雷發(fā)射裝置和往復(fù)泵水壓平衡式魚雷發(fā)射裝置相比, 文中方案中魚雷尾部會受到集中載荷作用, 不如傳統(tǒng)發(fā)射方案受力均勻, 因此這對魚雷尾部殼體強度提出了較高要求。此外, 方案中采用的柵狀管以及滑輪機構(gòu)使整個發(fā)射系統(tǒng)徑向尺寸增大, 對發(fā)射系統(tǒng)的布局需要進行重新考慮, 這也是該方案的另一不足之處。

以上所做工作還僅是鋼纜拖拽發(fā)射方案原理可行性的仿真驗證, 后續(xù)將展開對鋼纜拖拽式發(fā)射方案的進一步優(yōu)化設(shè)計以及完成方案虛擬樣機的建模與仿真, 以便更好地為鋼纜拖拽魚雷發(fā)射方案的總體設(shè)計提供理論支撐。

[1] 藍仁恩, 馬艷麗, 蔡菀. 水下無人發(fā)射平臺發(fā)展綜述[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2015, (5): 58-61.

[2] 杜方鍵, 張永峰, 張志正, 等. 水中無人作戰(zhàn)平臺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2019, (27): 6-10.

[3] 劉洋, 孫顯鵬, 徐超, 等. 無人水下航行器控制技術(shù)的發(fā)展[J]. 艦船電子工程, 2019, 39(10): 5-10.

Liu Yang, Sun Xian-peng, Xu Chao, et al. Development of Unmanned Underwater Vehicle Control Technology[J]. Ship Electronic Engineering, 2019, 39(10): 5-10.

[4] 王蓬. 軍用UUV的發(fā)展與應(yīng)用前景展望[J]. 魚雷技術(shù), 2009, 17(2): 5-9.

Wang Peng. Development of Military UUV and Application Prospect Forecast[J]. Torpedo Technology, 2009, 17 (2): 5-9.

[5] 錢東. 美國未來的大型UUV—MANTA[J]. 魚雷技術(shù), 2003, 11(1): 47-50, 55-57.

Qian Dong. The Large-scale Unmanned Undersea Vehicles by the US in the Future[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(1): 47-50, 55-57.

[6] 孫玉松, 李宗吉, 練永慶. UUV魚雷發(fā)射裝置的選型設(shè)計[J]. 四川兵工學(xué)報, 2014, 35(8): 36-38.

Sun Yu-song, Li Zong-ji, Lian Yong-qing. Selection and Design of UUV Torpedo Launcher[J]. Sichuan Armamentary Society, 2014, 35(8): 36-38.

[7] 練永慶, 李春來, 李宗吉. 水下橡膠彈性發(fā)射魚雷內(nèi)彈道仿真[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2016, 28(6): 100-106.

Lian Yong-ying, Li Chun-lai, Li Zong-ji. Interior Ballistic Simulation of Underwater Rubber Elastic Launching Tor- pedo[J]. Journal of Naval Engineering University, 2016, 28(6): 100-106.

[8] 郭煜, 李宗吉, 任蕾, 等. 提拉缸式魚雷發(fā)射裝置內(nèi)彈道仿真[J]. 魚雷技術(shù), 2015, 23(5): 394-400.

Guo Yu, Li Zong-ji, Ren Lei, et al. Interior Ballistic Si- mulation of Push-Pull Cylinder Torpedo Launcher[J]. Tor- pedo Technology, 2015, 23(5): 394-400.

[9] 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.

[10] 閏晴霄, 李鵬永, 常書麗. 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[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2018, 40(8): 141-143.

Ni Qing-xiao, Li Peng-yong, Chang Shu-li. Comparation Analysis of Internal Ballistics of Steel Wire-Cylinder Ejection Device on Land and Underwater[J]. Ship Science and Technology, 2018, 40(8): 141-143.

[11] 王保國, 劉淑艷. 氣體動力學(xué)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2012.

[12] 練永慶, 田兵, 陳宜輝. 一種氣動發(fā)動機進氣控制閥的仿真與實驗[J]. 魚雷技術(shù), 2011, 19(3): 236-240.

Lian Yong-qing, Tian Bing, Chen Yi-hui. Simulation and Experiment of a Pneumatic Engine Air Intake Control Valve[J]. Torpedo Technogy, 2011, 19(3): 236-240.

[13] 張維佳, 劉鶴年. 水力學(xué)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

[14] 金友兵, 邵大燮, 薛曉中. 魚雷的水下運動分析[J]. 彈道學(xué)報, 1999, 11(1): 37-41.

Jin You-bing, Shao Da-xie, Xue Xiao-zhong. Analysis of Underwater Movement of Torpedo[J]. Journal of Ballis- tics, 1999, 11(1): 37-41.

[15] 徐勤超, 練永慶, 王樹宗. 自航魚雷發(fā)射裝置管體結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)彈道的影響[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2011, 31(4): 128- 132.

Xu Qin-chao, Lian Yong-qing, Wang Shu-zong. The Effect of Structural Parameters of Swim-out Torpedo Laun- cher on Interior Trajectory[J]. Journal of ballistics and guidance, 2011, 31(4): 128-132.

[16] 盧尚禮, 徐洪亮. 鋼絲繩彈性模量測定引伸儀的研制[J]. 金屬制品, 2004, 30(6): 45-47.

Lu Shang-li, Xu Hong-liang. Development of Extensor for Measuring Elastic Modulus of Steel Wire Rope[J]. Metal Products, 2004, 30(6): 45-47.

Interior Ballistic Simulation of Underwater Steel Cable Towed Launch Torpedo

CHEN Zong-yang1, LIAN Yong-qing1, LI Ang2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Unit 92336th, The People’s Liberation Army of China, Sanya 572000, China)

In view of the limitations of the existing torpedo scheme launched by unmanned undersea vehicles(UUVs), namely the low tube-exit speed of the torpedo, inability to ensure the smooth exit of the torpedo after start-up failure, and large instantaneous thrust on the torpedo, a basic structural scheme is proposed for the underwater steel cable towed launch torpedo. The proposed scheme is simple and compatible with the self-launching scheme. Based on the launch scheme, the internal ballistic model of the underwater steel cable towed launch torpedo was established, including the gas state model of the launching air bottle, mathematical models of the launch valve, air-water cylinder, and towing device, and torpedo motion model. A launch process simulation was performed. In addition, the factors influencing the internal ballistic path of the torpedo launch, such as the initial filling pressure of the launch air bottle, UUV speed, and elastic modulus of the steel cable, were analyzed. The simulation results demonstrate that the scheme meets the requirements of the UUV launch torpedo, is feasible in principle, and possesses a structure that can solve the problem of emergency torpedo launch when the torpedo fails to exit the tube owing to the failure of self-launching, thereby reducing the structural strength requirement of the torpedo tail to a certain extent.

unmanned undersea vehicle; torpedo; steel cable tow; interior ballistic; launch

陳宗楊, 練永慶, 李昂. 水下鋼纜拖拽發(fā)射魚雷內(nèi)彈道仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2022, 30(2): 209-215.

TJ630.2

A

2096-3920(2022)02-0209-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.011

2021-05-10;

2021-06-09.

陳宗楊(1995-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水中兵器總體及發(fā)射技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)