線導(dǎo)魚(yú)雷動(dòng)力電池管外激活發(fā)射初始彈道研究

丁 浩 ,孫乃葳 ,黃 波

(1.海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系,山東 青島,266199;2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077)

0 引言

對(duì)于電動(dòng)力魚(yú)雷而言,采用管內(nèi)激活發(fā)射方式時(shí),動(dòng)力電池注液激活后,一旦發(fā)生故障魚(yú)雷未能及時(shí)出管,就會(huì)對(duì)發(fā)射艇產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患[1]。而采用管外激活發(fā)射方式時(shí),魚(yú)雷出管后動(dòng)力電池才激活啟動(dòng),能夠有效提高魚(yú)雷的使用安全性,這種方式已被外軍所采用[2]。管外激活發(fā)射方式下,魚(yú)雷出管的初始階段,其動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都未正常工作,彈道控制難度大,而魚(yú)雷初始彈道對(duì)其后續(xù)彈道的穩(wěn)定性有直接的影響。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者都對(duì)魚(yú)雷初始彈道展開(kāi)了相關(guān)研究。劉凱等[3-4]研究了管制舵角和魚(yú)雷衡重特性對(duì)魚(yú)雷初始彈道的影響;李宗吉等[5]對(duì)發(fā)射參數(shù)不同時(shí)魚(yú)雷初始彈道進(jìn)行了建模和仿真分析,周杰等[6]對(duì)UUV 發(fā)射魚(yú)雷初始彈道進(jìn)行了研究;文鋼[7]和張?jiān)狼郲8]等分別對(duì)水雷、魚(yú)雷的入水彈道進(jìn)行了仿真分析。在管外激活彈道方面,主要開(kāi)展了無(wú)線導(dǎo)方式下的彈道研究[1-2]?，F(xiàn)代魚(yú)雷為提高其目標(biāo)搜索能力和水聲對(duì)抗能力,大都裝備了線導(dǎo)系統(tǒng)[9]。而管外激活發(fā)射方式下線導(dǎo)魚(yú)雷初始彈道還未見(jiàn)有成熟的研究成果。因此,文中以管外激活發(fā)射線導(dǎo)電動(dòng)力魚(yú)雷為研究對(duì)象,建立線導(dǎo)魚(yú)雷初始彈道模型并進(jìn)行仿真,從而對(duì)不同發(fā)射條件對(duì)初始彈道的影響進(jìn)行分析。

1 動(dòng)力學(xué)模型

1.1 線導(dǎo)魚(yú)雷管外激活初始彈道分析

線導(dǎo)魚(yú)雷離艇后的初始彈道是指魚(yú)雷發(fā)射離艇后,直至魚(yú)雷彈道穩(wěn)定(速度穩(wěn)定、姿態(tài)可控)的初始非穩(wěn)定段。該階段的魚(yú)雷彈道除了受到自身流體動(dòng)力特性的影響外,還受到其尾部線導(dǎo)導(dǎo)線布放軟管的拖拽。魚(yú)雷離艇后的初始階段由于航速波動(dòng)較大,彈道控制難度較大(尤其是俯仰角),是水下彈道中最關(guān)鍵的階段[10]。相比管內(nèi)激活發(fā)射方式,管外激活發(fā)射方式主要在離艇后的初始彈道階段存在較大差異,特別是魚(yú)雷的縱向運(yùn)動(dòng)會(huì)受到較大影響,故重點(diǎn)研究魚(yú)雷在垂直平面的初始彈道。

1.2 線導(dǎo)魚(yú)雷管外激活出管過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

魚(yú)雷線導(dǎo)導(dǎo)線布放軟管為金屬軟管,發(fā)射時(shí)被魚(yú)雷快速拖拽出管并布放在水中。該金屬軟管屬于柔性剛體,釋放過(guò)程涵蓋外力拖拽、自身伸張和流體動(dòng)力等復(fù)雜因素,很難建立準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)金屬軟管釋放過(guò)程進(jìn)行分析可知:整個(gè)釋放過(guò)程很快,其自身的伸張性表現(xiàn)很弱;金屬軟管的剛度使其流體外形呈現(xiàn)徑向小幅度的不規(guī)則變化,其徑向的流體動(dòng)力可以忽略;而金屬軟管的拖拽力對(duì)魚(yú)雷初始彈道有直接影響,故對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)分析[10]。

假設(shè)質(zhì)量為 Δm的金屬軟管所受拉力為F,其在 Δt時(shí)間內(nèi)速度由0 增至魚(yú)雷速度v,由動(dòng)量定理可得

式中,Δm=ρg·v·Δt,ρg為金屬軟管密度,由此可得

式中:M為金屬軟管的總質(zhì)量;Lg為金屬軟管的總長(zhǎng)度。

同時(shí)還有一部分拖曳力用來(lái)克服海水摩擦阻力,設(shè)為D,則有

式中:ρ為海水密度;Ωt為金屬軟管沾濕面積,Ωt=πdLt,d為金屬軟管的直徑,Lt為拉出的金屬軟管長(zhǎng)度;Cx為摩擦阻力系數(shù),且

其中,Re為雷諾數(shù)。則魚(yú)雷放線金屬軟管所受拖曳力為

當(dāng)金屬軟管全部拉出后,便解脫同魚(yú)雷的連接,此時(shí)金屬軟管所受拖曳力很小,可忽略。

1.3 線導(dǎo)魚(yú)雷管外激活出管縱向運(yùn)動(dòng)模型

假設(shè)線導(dǎo)魚(yú)雷放線金屬軟管對(duì)魚(yú)雷的拉力為T(mén)L,其與金屬軟管所受拖曳力TR互為作用力與反作用力。將TL沿半速度坐標(biāo)系分解為T(mén)Lx和TLy,假設(shè)TLx與TL的夾角為η,魚(yú)雷彈道傾角為 Θ,金屬軟管與水平面的夾角為 ?,如圖1 所示。

圖1 線導(dǎo)魚(yú)雷出管受力分析示意圖Fig.1 Schematic diagram of forces analysis for wireguided torpedo out of tube

設(shè)魚(yú)雷沿坐標(biāo)軸的位移分別為x、y,由于金屬軟管隨魚(yú)雷出管,因此可認(rèn)為其位移同魚(yú)雷一致,則有

令η=Θ+?,可得

線導(dǎo)魚(yú)雷縱向運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化方程組可寫(xiě)為

式中,Lw為魚(yú)雷浮心與雷尾的距離,其他參量含義見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

2 仿真與分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)定

以國(guó)外某型電動(dòng)力魚(yú)雷為研究對(duì)象,在魚(yú)雷發(fā)射出管后,動(dòng)力電池激活前,進(jìn)行橫舵管制,此段彈道為非控彈道。根據(jù)目前魚(yú)雷電池技術(shù)的發(fā)展情況,假設(shè)魚(yú)雷動(dòng)力電池激活時(shí)間tA為10 s;金屬軟管的總長(zhǎng)度Lg=50 m;魚(yú)雷橫舵管制舵角 δe不易過(guò)大或過(guò)小,否則極易導(dǎo)致魚(yú)雷沉底或跳水[11],故取δe=0、1°、3°;魚(yú)雷出管速度v0一般為8～22 m/s[1],故取v0=12、15、18 m/s;魚(yú)雷流體動(dòng)力參數(shù)取自參考文獻(xiàn)[11];設(shè)魚(yú)雷以水平姿態(tài)發(fā)射出管,橫滾忽略不計(jì),討論以上各參數(shù)取不同值時(shí),對(duì)魚(yú)雷非控段垂直面初始彈道以及航行姿態(tài)的影響。

2.2 橫舵管制舵角對(duì)垂直彈道的影響

設(shè)魚(yú)雷出管速度v0=15 m/s,分別取魚(yú)雷橫舵管制舵角 δe=0、1°、3°,對(duì)線導(dǎo)魚(yú)雷管外激活垂直面初始彈道進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖2～圖5 以及表1 所示。

表1 δe 不同時(shí)的仿真結(jié)果(t=10 s)Table 1 Simulation results when δe changes (t=10 s)

圖2 δe 不同時(shí)魚(yú)雷與發(fā)射艇的水平距離變化曲線Fig.2 Horizontal distances between torpedo and launch boat when δe changes

圖3 δe不同時(shí)魚(yú)雷與發(fā)射艇的深度差變化曲線Fig.3 Depth differences between torpedo and launch boat when δe changes

圖4 δe不同時(shí)魚(yú)雷俯仰角變化曲線Fig.4 Torpedo pitch angels when δe changes

圖5 δe不同時(shí)魚(yú)雷航速變化曲線Fig.5 Topedo velocities when δe changes

由仿真結(jié)果分析可知,當(dāng)魚(yú)雷出管速度v0不變時(shí),δe對(duì)魚(yú)雷與發(fā)射艇的水平距離影響不大,水平距離變化曲線基本保持一致。魚(yú)雷與發(fā)射艇的深度差隨 δe的增大呈減小趨勢(shì),當(dāng) δe=0 時(shí),深度差始終保持在0 附近;當(dāng) δe=3°時(shí),深度差隨時(shí)間下降最為明顯,其中“-”號(hào)表示魚(yú)雷位于發(fā)射艇下方。從魚(yú)雷使用安全性的角度考慮,深度差不宜接近于0,以免出現(xiàn)雷艇相撞的事故;同時(shí),深度差也不宜過(guò)小,以免出現(xiàn)魚(yú)雷沉底現(xiàn)象。魚(yú)雷俯仰角隨 δe的增大同樣呈減小趨勢(shì),當(dāng) δe=1°時(shí),魚(yú)雷俯仰角穩(wěn)定在0 附近。從魚(yú)雷航行姿態(tài)的控制角度考慮,魚(yú)雷初始彈道俯仰角不宜過(guò)大或過(guò)小。魚(yú)雷航速隨時(shí)間的減小幅度隨 δe增大而減小。當(dāng) δe=0 時(shí),魚(yú)雷航速的最大減小幅度為57.3%;當(dāng) δe=3°時(shí),魚(yú)雷航速的最大減小幅度為50.7%。

綜合考慮魚(yú)雷初始彈道安全性以及魚(yú)雷姿態(tài)控制等因素,在此仿真條件下,取 δe=1°是比較理想的。

2.3 魚(yú)雷出管速度對(duì)垂直彈道的影響

令 δe=1°,分別取v0=12、15 和18 m/s 進(jìn)行仿真,其他仿真參數(shù)同前,仿真結(jié)果如圖6～圖9 及表2所示。

圖6 v0取不同值時(shí)魚(yú)雷與發(fā)射艇的水平距離變化曲線Fig.6 Horizontal distances between torpedo and launch boat when v0 changes

圖7 v0不同時(shí)魚(yú)雷與發(fā)射艇的深度差變化曲線Fig.7 Depth differences between torpedo and launch boat when v0 changes

圖8 v0不同時(shí)魚(yú)雷俯仰角變化曲線Fig.8 Torpedo pitch angels when v0 changes

圖9 v0不同時(shí)魚(yú)雷航速變化曲線Fig.9 Topedo velocities when v0 changes

表2 v0不同時(shí)的仿真結(jié)果(t=10 s)Table 2 Simulation results when v0 changes (t=10 s)

由仿真結(jié)果分析可知,當(dāng) δe不變時(shí),魚(yú)雷與發(fā)射艇的水平距離隨v0的增大而增大,且增大幅度較大。魚(yú)雷與發(fā)射艇的深度差隨v0的增大而減小,且減小幅度較小。魚(yú)雷俯仰角隨時(shí)間呈先減小后增大的趨勢(shì),拐點(diǎn)出現(xiàn)在金屬軟管全部拉出解脫同魚(yú)雷的連接后,且俯仰角隨v0的增大而減小。魚(yú)雷航速隨時(shí)間的減小幅度隨v0的增大而增大,當(dāng)v0=12 m/s 時(shí),魚(yú)雷航速的最大減小幅度為49.2%;當(dāng)v0=18 m/s 時(shí),魚(yú)雷航速的最大減小幅度為59.4%。

可見(jiàn),從魚(yú)雷初始彈道安全性以及魚(yú)雷出管的姿態(tài)控制考慮,增大魚(yú)雷的出管速度是有利的。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)線導(dǎo)魚(yú)雷管外激活出管過(guò)程動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,建立線導(dǎo)魚(yú)雷出管縱向初始運(yùn)動(dòng)模型,并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,分別針對(duì)不同橫舵管制舵角和不同出管速度對(duì)魚(yú)雷初始彈道以及航行姿態(tài)的影響進(jìn)行了定量分析,結(jié)果表明:通過(guò)選取適當(dāng)?shù)?δe(δe=1°)以及增大v0,可使線導(dǎo)魚(yú)雷獲得安全的管外激活初始彈道以及良好的姿態(tài)控制,線導(dǎo)魚(yú)雷管外激活發(fā)射方式是可行的。文中結(jié)論是在對(duì)魚(yú)雷動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上研究得到的,在實(shí)際中還存在若干干擾因素,如由發(fā)射艇體引起的魚(yú)雷流體動(dòng)力干擾等,對(duì)此還需開(kāi)展進(jìn)一步研究工作。