水下可移動多彈氣動發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

康會峰， 宣佳林,， 代浩然， 王會程， 王景田， 馬秋生

(1.北華航天工業(yè)學(xué)院航空宇航學(xué)院， 河北廊坊 065000；2.河北省跨氣水介質(zhì)飛行器重點實驗室， 河北廊坊 065000)

引言

水下發(fā)射一般分為水下固定發(fā)射和水下機動發(fā)射兩種發(fā)射方式[1]。水下固定發(fā)射是利用水作為屏障在江、河、湖、海的水下安裝發(fā)射裝置以發(fā)射導(dǎo)彈的發(fā)射方式，需要密封的發(fā)射筒。水下固定發(fā)射方式因生存能力不強，尚未見正式應(yīng)用。水下機動發(fā)射的主要運載工具是潛艇，這種發(fā)射方式生存能力強、隱蔽性好[2]。由于軍用水下航行體等裝備都運行于水下，研究水下多彈發(fā)射過程中的彈丸出水速度、彈丸運行過程中的流場顯示等較為復(fù)雜，在實驗室中研究多彈發(fā)射過程中的多因素干擾、多相介質(zhì)參與的復(fù)雜物理過程就顯得尤為重要。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外的水下發(fā)射技術(shù)已取得一定的成果[3-5]，國內(nèi)也開展了相關(guān)研究：王亞東等[6]采用Fluent軟件對導(dǎo)彈離筒過程筒口氣泡的發(fā)展及其對發(fā)射平臺的影響進行了數(shù)值模擬，并通過試驗對仿真結(jié)果進行驗證，總結(jié)了發(fā)射筒口氣泡的發(fā)展規(guī)律，分析了筒口氣泡對發(fā)射平臺表面壓力的影響。楊曉光等[7]對潛射導(dǎo)彈的水下運動及出水過程進行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)潛艇速度會改變導(dǎo)彈水下及出水后的姿態(tài)角，水深在影響導(dǎo)彈的彈體應(yīng)力的同時可對姿態(tài)角起到放大的作用。裴譞等[8]運用橫向載荷計算模型和耦合算法對潛艇帶速水下垂直發(fā)射導(dǎo)彈過程中導(dǎo)彈的運動特征、流體動力特性、彈體與彈性減震環(huán)的相互作用進行研究。趙世平等[9]通過建立導(dǎo)彈運動方程及求解運動方程，研究了不同艇速、不同適配器剛度和不同導(dǎo)彈垂向運動速度條件潛載垂直發(fā)射導(dǎo)彈在橫向流作用下的受力情況和對出筒運動參數(shù)的影響。李志華等[10-11]研究了潛艇氣動發(fā)射裝置無泡系統(tǒng)定時調(diào)節(jié)器，研究了魚雷不同發(fā)射深度所需的氣動發(fā)射能量儲備。由此可見，當(dāng)前關(guān)于水下發(fā)射技術(shù)的研究多采用數(shù)值仿真的方法，研究多為單一彈丸的發(fā)射現(xiàn)象[12-13]、流場顯示[14]和水下彈道[15]等，而對水下可移動多彈氣動發(fā)射和多彈擾動等方面的研究極為少見。本研究參考陳英龍等[16]的低速域水下遙控機器人水動力試驗系統(tǒng)設(shè)計方案，研制了一種水下多彈可移動發(fā)射試驗平臺，通過伺服電機帶動發(fā)射平臺的方式使發(fā)射系統(tǒng)具有一定的發(fā)射速度，在恒速狀態(tài)下完成多彈的等時間間隔的發(fā)射，可通過流場顯示和高速攝像獲得發(fā)射初速度和水平移動速度。對水下發(fā)射的空化現(xiàn)象、多彈擾動規(guī)律、發(fā)射過程中彈道和流場顯示的研究具有重要現(xiàn)實意義。

1 水下可移動多彈氣動發(fā)射試驗系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計目標(biāo)

考慮到實驗室的長度和高度有限，建設(shè)了室內(nèi)水下可移動多彈氣動發(fā)射平臺，實現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)恒速條件下連續(xù)多彈水下垂直發(fā)射，發(fā)射系統(tǒng)速度曲線如圖1所示。彈丸發(fā)射為恒速移動狀態(tài)下發(fā)射，發(fā)射過程分為啟動段、恒速運行段、停止段，為研究多彈發(fā)射之間的擾動，發(fā)射系統(tǒng)需設(shè)置有多個發(fā)射筒，并通過并聯(lián)控制，發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射動力為高壓氣動力。為研究彈丸發(fā)射后發(fā)射筒口處的擾流流場，需要應(yīng)用流動顯示技術(shù)進行測量。因此，水下可移動多彈氣動發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)主要是水平移動發(fā)射系統(tǒng)的驅(qū)動方式、水平移動發(fā)射系統(tǒng)速度控制的時間精度和發(fā)射速度的精度。

圖1 移動速度與時間的關(guān)系Fig.1 Relationship between movement speed and time

對于驅(qū)動方式，主要有兩種：一是以氣炮原理為基礎(chǔ)的模型驅(qū)動方式，二是以電機拖動為基礎(chǔ)的模型驅(qū)動方式。前者具有啟動快的特點，但很難獲得恒定的移動速度；經(jīng)實驗后者通過采用伺服電機控制可提供較為穩(wěn)定的移動速度。

1.2 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下可移動多彈氣動發(fā)射試驗系統(tǒng)主要包括如下部分：密封水箱、加壓和真空系統(tǒng)、水平拖拉系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、流場顯示系統(tǒng)、軟回收系統(tǒng)和時間同步控制系統(tǒng)，具體如圖2所示。

圖2 水下可移動多彈氣動發(fā)射試驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of underwater mobile multi-projectile pneumatic launching test system

水密封水箱整體采用桁架式結(jié)構(gòu)，在相鄰側(cè)面處，設(shè)置有加強筋板，有效增強了結(jié)構(gòu)剛度和強度；水箱左右側(cè)面設(shè)置有電源、氣管和傳感器等進出水箱的連接法蘭和進出水箱的備用法蘭，也為傳感器信號、發(fā)射單元和燈光等提供密封的穿墻接口；水箱正面用有機玻璃替換鋼板，提供高速攝影和PIV測量的大視窗；在水箱后面設(shè)置有進出人孔，方便設(shè)備安裝和維護；在水箱頂部布設(shè)了泡沫鋁夾芯板，為模型彈發(fā)射出水后提供防護。彈丸和防護層撞擊時，可根據(jù)彈丸受損壞程度，改進防護層結(jié)構(gòu)。水平拖拉系統(tǒng)為發(fā)射裝置的水平在軌移動提供動力，采用伺服電機通過鋼絲繩拖動的方式實現(xiàn)水平移動控制，伺服電機拖動為基礎(chǔ)的模型驅(qū)動方式為主要驅(qū)動力，電機經(jīng)過減速器減速后，由卷揚機通過繩索驅(qū)動，借助定滑輪換向，對發(fā)射系統(tǒng)進行拖拽，實現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)水下在軌恒速移動。由于本試驗?zāi)Ｐ蜑榭s尺模型，對速度精度要求較高，因此，發(fā)射系統(tǒng)的移動速度為試驗系統(tǒng)設(shè)計的核心指標(biāo)之一。

發(fā)射系統(tǒng)采用氣動發(fā)射技術(shù)，內(nèi)部設(shè)置有3個分割氣室，對應(yīng)3個發(fā)射筒，3個發(fā)射管集成在底部基座上，發(fā)射基座安裝在滑塊上，滑塊安裝在光軸導(dǎo)軌上，依靠水平拖拉系統(tǒng)，推動集成后的發(fā)射系統(tǒng)往左側(cè)移動。每個彈丸由快速閥釋放高壓空氣并驅(qū)動彈丸，彈丸上安裝的底部O形密封圈經(jīng)過發(fā)射筒格柵位置時，分割的氣室分別將各自發(fā)射筒的彈丸推出，各發(fā)射筒的控制互相不關(guān)聯(lián)，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個發(fā)射筒的啟動和時間同步控制系統(tǒng)連接、單獨進行控制，發(fā)射時間次序根據(jù)試驗設(shè)定值確定。發(fā)射管分別在管口和管底部裝有2個壓力傳感器，目的是得到桶口水擊效應(yīng)和底部驅(qū)動氣體壓力隨時間變化。為了能夠觀察到彈丸發(fā)射的全過程，發(fā)射筒的材料為有機玻璃，彈丸發(fā)射過程容易對發(fā)射筒內(nèi)壁面造成損壞，如表面拉毛，

圖3 發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of launching system structure

造成高速攝影得不到清晰的筒內(nèi)彈丸運動圖像。因此，需要對發(fā)射筒表面進行定期維護。

2 水下可移動多彈氣動發(fā)射單元發(fā)射速度計算及力學(xué)仿真

在水下可移動多彈氣動發(fā)射試驗中，發(fā)射單元的應(yīng)力和變形較大，因此，對水下可移動多彈氣動發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射單元進行有限元分析。發(fā)射單元包含發(fā)射筒、3個分割氣室和彈丸。發(fā)射筒的材料為有機玻璃，發(fā)射前，發(fā)射筒上端面采用BOPP膜片和水隔離，防止水進入發(fā)射管，使得發(fā)射彈丸產(chǎn)生較大水阻力。彈丸質(zhì)量m=2.80 kg，筒內(nèi)加速距離L=1 m，發(fā)射筒內(nèi)徑為D=0.07 m。

2.1 發(fā)射速度計算

根據(jù)勻變速直線運動公式，可推導(dǎo)出速度與位移關(guān)系式：

v2=2aL

(1)

由式(1)可計算平均加速度a=50 m/s2。

根據(jù)牛頓第二定律：

F=ma

(2)

(3)

由此可獲得發(fā)射壓力計算公式：

(4)

式中， Δp—— 發(fā)射壓力，kPa

m—— 彈丸質(zhì)量，kg

g—— 重力加速度(取g=10 m/s2)

D—— 發(fā)射筒直徑，m

經(jīng)計算，發(fā)射壓力Δp=43.654 kPa。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(絕熱條件下)：

pV=nRT

(5)

式中，p—— 壓強

V—— 氣體體積

n—— 物質(zhì)的量

R —— 普適氣體常數(shù)，R=8.31 J/(mol·K)

T—— 絕對溫度

顯然，壓力與體積成反比，發(fā)射過程中壓力在不斷變小，同時考慮到發(fā)射過程中O形圈與發(fā)射筒之間存在著較大的摩擦力，實際發(fā)射壓力大于理論發(fā)射壓力。因此，根據(jù)發(fā)射初速度獲得的理論發(fā)射氣壓，需進一步修正獲得實際發(fā)射壓力，通過幾次的試驗，發(fā)現(xiàn)實際發(fā)射壓力約為理論發(fā)射壓力的2～4倍。

2.2 仿真計算

本次仿真使用的擊發(fā)壓力和分割氣室壓力均為122 kPa，為理論發(fā)射壓力的2.8倍，通過三維軟件進行建模，通過ANSYS軟件分析了該壓力下的位移和載荷情況，繪制網(wǎng)格如圖4所示,仿真分析結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing

圖5 全局應(yīng)變Fig.5 Global equivalent elastic strain

圖6 發(fā)射筒應(yīng)變Fig.6 Launch tube equivalent elastic strain

圖7 全局變形Fig.7 Total deformation

圖8 總變形俯視圖Fig.8 Top view of total deformation

根據(jù)仿真分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)的最大應(yīng)變?yōu)?.00027126 mm，最大應(yīng)變位置雖然在發(fā)射筒與分割氣室的下接觸處，但上接觸面的應(yīng)變與下界面應(yīng)力接近，其余部分應(yīng)力較小。最大變形量為0.016363 mm，發(fā)生在發(fā)射筒口，其原因是發(fā)射筒與分割氣室的上接觸面遠離中心的一側(cè)應(yīng)力應(yīng)變更大，導(dǎo)致發(fā)射筒往內(nèi)側(cè)偏斜，同時分割氣室外發(fā)射筒較長，起到了變形放大的作用。結(jié)合水箱高度和發(fā)射筒高度，根據(jù)相似三角形原理，可估算出發(fā)射彈丸在靜止發(fā)射狀態(tài)下撞擊到系統(tǒng)頂部時偏離豎直中心線0.045 mm左右，與水下移動發(fā)射過程中水阻對發(fā)射彈丸的影響相比，可以忽略?？傮w而言，發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和變形較小，不會對各分割氣室的密封性造成影響，受變形影響造成的方向偏移可以忽略，不會對發(fā)射試驗產(chǎn)生影響。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗環(huán)境搭建

設(shè)備水平拖拉系統(tǒng)選用最高轉(zhuǎn)速3000 r/min，功率7.5 kW的伺服電機提供動力，選用減速比為i=5的減速器，通過卷揚機和定滑輪實現(xiàn)傳動和換向。試驗時用水泵往實驗設(shè)備中注入深度為2.5 m的水，頂端空氣用真空泵抽真空到0.3×10-10MPa，高速攝像機為Photron FASTCAM SA-Z高速攝像機，分辨率設(shè)定為1024×1024，高速攝像機的幀頻為6500 fps，高速相機與水箱間隔距離為3.5 m，現(xiàn)場布置如圖9所示。發(fā)射車勻速設(shè)定為0.5 m/s，小車加速度時間設(shè)定為0.3 s，彈丸發(fā)射車充氣壓力為0.11， 0.22 MPa，試驗彈的外形為錐形，質(zhì)量為2.8 kg。

圖9 設(shè)備現(xiàn)場布置圖Fig.9 Site layout plan of equipment

3.2 試驗步驟

(1) 檢查水箱氣密性；

(2) 垂直裝模型彈，安裝傳感器并測試，安裝發(fā)射管口夾膜片；

(3) 將發(fā)射系統(tǒng)植入水箱并就位；

(4) 檢查氣路和傳感器連接法蘭防水及其連接是否正常；

(5) 垂直發(fā)射系統(tǒng)充氣，關(guān)閉充氣閥門；

(6) 調(diào)整PIV或高速測量系統(tǒng)光源和相機；

(7) 啟動發(fā)射進行相關(guān)試驗。

3.3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

整個發(fā)射系統(tǒng)調(diào)試完畢后進行了多次試驗。對獲得的拍攝圖片進行圖像處理，測量拍攝圖片中彈頭位置到標(biāo)尺零點的高度差，建立每張照片中發(fā)射彈丸彈尖位置數(shù)據(jù)表，標(biāo)尺位置如圖10所示。結(jié)合相機設(shè)定的固有采樣頻率，通過數(shù)據(jù)擬合獲得了不同時刻彈頭位移曲線和相應(yīng)的速度曲線，如圖11、圖12所示。

圖10 豎直標(biāo)尺位置Fig.10 Vertical ruler position

圖11 位移-時間曲線Fig.11 Displacement-time curve

根據(jù)高速攝影圖片，發(fā)現(xiàn)在0.28 s時試驗彈射出發(fā)射筒口，由圖11、圖12可以看出在0.11 MPa發(fā)射壓力下，0.28 s對應(yīng)的速度為6.45 m/s。而在 0.22 MPa的發(fā)射壓力下，試驗彈在0.12 s時試驗彈射出發(fā)射筒口，此時的速度最大為14 m/s。

圖12 速度-時間曲線Fig.12 Velocity-time curve

通過理論速度計算方法可計算兩種壓力下的試驗彈的出口速度，表1為兩種發(fā)射壓力的理論速度和實際速度。由表可知，計算的理論速度與實際速度接近，驗證了計算方法的可靠性。說明水下低壓氣動發(fā)射，可通過修正系數(shù)代替發(fā)射過程中的摩擦力、氣組、水阻力的方式大致估算發(fā)射筒出口速度，且發(fā)射壓力越高修正系數(shù)越小。

表1 兩種壓力的理論速度與實際速度對比表Tab.1 Comparison table of theoretical speed and actual speed for two types of pressure

從圖11～圖12中可以看出，試驗過程中試驗彈出筒后出水前的速度總體上在不斷減小，但速度變化并不規(guī)則，出現(xiàn)了短時間振蕩的現(xiàn)象，其原因可能是彈在水中受水阻力、重力、空泡流和浮力等因素的綜合作用，加速度不穩(wěn)定，待彈丸出水后速度做接近勻減速運動。

4 結(jié)論

本研究通過分析水下可移動多彈氣動發(fā)射的研究需求，完成了水下可移動多彈發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計，建立了水下可移動多彈氣動發(fā)射系統(tǒng)的模型。通過分析彈丸發(fā)射過程中發(fā)射系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)的受力情況，計算出指定發(fā)射初速度下的發(fā)射壓力范圍，運用ANSYS軟件對模型進行了結(jié)構(gòu)仿真，發(fā)現(xiàn)發(fā)射筒與分割氣室接觸面的應(yīng)變和變形量最大，最大應(yīng)變?yōu)?.00027126 mm，最大變形量為0.016363 mm，均在試驗允許的范圍內(nèi)。還發(fā)現(xiàn)發(fā)射筒與分割氣室的上接觸面遠離中心的一側(cè)應(yīng)力應(yīng)變更大，導(dǎo)致發(fā)射筒往內(nèi)側(cè)偏斜。最后進行了試驗，獲得了彈丸的位移-時間曲線和速度-時間曲線，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的可行性及可靠性。水下可移動多彈發(fā)射系統(tǒng)的研制解決了彈丸發(fā)射出口速度不容易控制的問題，對水下可移動多彈氣動發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)的研究的具有重要意義。