液壓蓄能式魚雷發射裝置內彈道建模與仿真

田 兵, 王樹宗, 練永慶

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液壓蓄能式魚雷發射裝置內彈道建模與仿真

田 兵, 王樹宗, 練永慶

(海軍工程大學 兵器新技術應用研究所, 湖北 武漢, 430033)

液壓蓄能式魚雷發射裝置以其低發射噪聲、無艙室增壓等優點備受各國海軍青睞。為研究該型魚雷發射裝置的內彈道特性, 該文在其結構及發射原理基礎上, 通過合理簡化及假設建立了該裝置發射過程的內彈道模型,并在MATLAB/Simulink環境下進行了仿真計算。仿真結果表明, 建立的內彈道模型能基本反映該裝置的內彈道特性, 為裝置的工程設計提供了依據。要使其內彈道性能滿足要求, 應結合該裝置的具體戰技指標來確定裝置的結構參數及初始能量儲備。

魚雷發射裝置; 液壓蓄能式; 內彈道; 建模與仿真

0 引言

潛艇魚雷發射噪聲主要來自于壓縮空氣排氣噪聲、武器出管時的流體噪聲和發射瞬間引起的機械振動等。在以壓縮空氣作為發射工質的魚雷發射裝置中, 普遍存在的問題就是發射時強烈的排氣噪聲和艙室瞬時壓力的增高。

當前, 廣泛使用的氣水缸往復活塞液壓平衡式魚雷發射裝置和空氣渦輪泵式魚雷發射裝置都使用壓縮空氣作能源, 發射時不可避免地會產生排氣噪聲, 這不僅破壞潛艇的隱蔽性, 而且影響艇員的身心健康。雖然各國在有源發射方式的魚雷發射裝置中, 增加了消聲裝置, 對發射后的廢氣采取快速回收和慢速釋放等措施, 但并未從根本上解決存在的問題[1]。

為此, 探索新的發射能源和發射技術, 是各國共同面對的現實問題。為了消除和降低艙內排氣噪聲, 許多國家都致力于研制不使用壓縮空氣作能源的發射裝置, 德國等國在20世紀80年代開始研制的液壓蓄能式魚雷發射裝置，美國研制的彈性發射裝置以及電磁式發射裝置是其中的典型代表[1]。

1 基本結構及工作原理

液壓蓄能式魚雷發射裝置(見圖1)主要是在往復活塞水壓平衡式發射裝置的基礎上, 對高壓空氣系統進行改進, 采用液壓蓄壓器代替高壓空氣瓶, 用油缸代替氣缸。該裝置主要由油缸、蓄壓器、程控發射閥、氮氣瓶、油泵、油箱和截止閥等組成[3]。

圖1 液壓蓄能式魚雷發射裝置結構示意圖

該裝置的發射原理是: 發射前通過油泵向蓄壓器內皮囊的外腔注入油液, 油液壓縮皮囊內的氮氣, 通過蓄壓的方式存儲發射能量。發射時, 首先關閉油缸前、后腔之間的截止閥, 使程控發射閥按一定規律打開, 控制油缸回油通道面積, 油缸后腔與油箱相通, 蓄壓器內的壓力推動活塞移動至油缸尾部極限位置, 海水經發射水艙、滑套閥進入相應的發射管, 推動武器出管, 在武器出管運動后, 關閉程控發射閥, 活塞停止運動。發射完成后, 打開油缸前、后腔之間的截止閥, 由于活塞兩端受壓面積不同, 蓄壓器內剩余壓力可將活塞推向其初始待發位置。

從液壓蓄能式魚雷發射裝置的結構及工作原理可以看出, 該裝置屬于液壓平衡式發射裝置, 其發射所需能量不受發射深度的影響, 而且由于采用活塞拉壓式, 發射深度越大, 海水靜壓提供的動力越大。在發射過程中, 由于沒有高壓空氣的泄放, 因此不會造成艙室增壓, 也沒有排氣噪聲, 而且該裝置可以通過程控發射閥對內彈道進行控制, 以便于在不同環境下發射不同種類武器, 這些都是液壓蓄能式魚雷發射裝置倍受歡迎之所在。

2 內彈道數學模型

2.1 基本假設

1) 發射過程為絕熱過程, 蓄壓器與外界無熱交換; 2) 發射管、水缸、發射水艙及油缸前后腔內壓力均勻[4]; 3) 為便于分析, 在建模與仿真分析中用1個蓄壓器等效2~3個蓄壓器; 4) 在計算蓄壓器內氣體膨脹時, 假設高壓油不可壓縮, 即氣體膨脹的體積等于液壓油從蓄壓器流入油缸前腔的體積; 5) 發射過程中忽略蓄壓器與油缸前腔的壓力差, 即假設蓄壓器內壓力與油缸前腔壓力相等。

2.2 蓄壓器

由假設1)和3), 根據絕熱過程氣體狀態方程得蓄壓器內氣體壓力變化為

式中:P為蓄壓器中氣體的壓力;P0為蓄壓器中氣體的初始壓力;V為蓄壓器中氣體的體積;V0則為蓄壓器中氣體的初始體積;為空氣比熱比(或稱絕熱指數)。

再由假設4)，知

式中:S為油缸的橫截面積;S為活塞桿的橫截面積;x為活塞的行程。

2.3 油缸后腔壓力模型

發射過程中, 油缸后腔的壓力為

式中:P為油缸后腔壓力；為液壓油的體積彈性模量;V0為油缸后腔初始容積;q為流經發射閥的液壓油流量。

按下式計算

式中:為油缸后腔的初始壓力；P為外部海水靜壓。

根據流量公式,q的表達式為

式中:C為液壓油流量系數;S為發射閥開啟面積;為液壓油的密度;P為潛艇艙室壓力。

2.4 發射閥開啟面積

發射閥開啟規律是發射裝置設計的重點和難點, 不僅要求有良好的啟閉特性, 而且要對內彈道起控制作用。在此采用理想的快開快閉閥來代替發射閥, 其開啟規律如圖2所示。

圖2 發射閥開啟面積

2.5 活塞組件運動模型

活塞組件在發射過程中受到油缸前后腔、水缸前后腔的壓力以及摩擦力的作用, 根據牛頓第二定律, 活塞組件的運動模型

式中:S為水缸活塞橫截面積;F為活塞組件受到的摩擦力;P為水缸壓力。

2.6 水缸壓力模型

發射過程中, 油缸活塞通過活塞桿帶動水缸活塞向后運動, 水缸活塞把水壓入發射水艙, 水缸中的壓力變化為

由水缸流入發射水艙的水的流量

2.7 發射水艙壓力模型

發射水艙壓力變化為

式中:q為水缸流入發射水艙的水的流量,q=q0;V為發射水艙水的體積;q0為發射水艙流入發射管的水的流量,且

式中:S為滑套閥開啟面積;P為發射管內壓力。

2.8 發射管內壓力模型

發射過程中, 水缸中的水通過滑套閥的特形孔被壓入發射管內, 使得發射管內壓力升高, 其壓力變化模型為

式中:q為發射水艙流入發射管的水的流量,q=q0;v為魚雷管內速度;x為魚雷管內位移;S為魚雷橫截面積;V0為發射管內水初始體積;q0為魚雷與發射管之間的水的泄流量，且

2.9 魚雷管內運動模型

魚雷所受的力有重力、浮力、迎面阻力、管壁摩擦力、尾部海水推壓以及外部海水靜壓力, 把運動的海水與魚雷視為一個整體, 其運動方程為

3 內彈道仿真與分析

根據內彈道數學模型, 在MATLAB/Simulink環境下建立內彈道仿真模型, 采用文獻[4]中相關結構參數進行仿真計算, 得到的仿真結果如圖3~圖10所示。其中發射條件: 發射深度為50 m, 潛艇航速為3 kn。

圖3 魚雷管內位移曲線

圖4 魚雷速度曲線

圖5 魚雷加速度曲線

圖6 膛壓曲線

圖7 發射氣瓶壓力曲線

圖8 油缸后腔壓力曲線

圖9 活塞組件速度曲線

圖10 活塞組件加速度曲線

從仿真結果可以看出, 魚雷出管時間約為0.55 s, 膛壓與魚雷的加速度變化規律一致; 魚雷在管內的速度先增大后逐漸減小, 有一個很明顯的峰值, 最大加速度達到了110.8 m/s2, 出管速度為13.83 m/s; 活塞在發射閥打開一段時間后才開始運動, 并且其運動速度為先增大后減小, 這是由于發射閥的啟閉所造成的; 發射氣瓶壓力在活塞開始運動后從13 MPa逐漸降到5.2 MPa; 油缸后腔壓力先急劇減小, 然后變化比較平穩, 到發射末段又增大, 這是因為發射閥一打開, 其壓力由于液壓油的泄放而減小, 在活塞向后開始運動后又擠壓后腔的油液, 使得后腔油液壓力變化平穩, 到發射末端, 由于發射閥的關閉, 油液泄放量逐漸減小, 而活塞由于慣性進一步擠壓后腔油液, 因此造成后腔油液壓力在發射末段的增高。

總之, 仿真結果能反映出發射過程的基本變化規律, 但是仿真所用的結構參數并不能滿足發射要求, 例如魚雷發射時最大膛壓高達110.8 m/s2, 這對魚雷的結構是很不利的, 最大膛壓達到0.78 MPa, 超出了文獻[1]中提出的拋射壓力小于0.6 MPa的指標, 因此發射裝置的結構參數及發射能量需要按照發射裝置的戰技指標進行調整, 進行合理優化。

4 結束語

根據液壓蓄能式魚雷發射裝置結構及工作原理, 本文建立了該裝置內彈道模型。通過對內彈道模型的仿真計算, 顯示內彈道模型能反映出液壓蓄能式魚雷發射裝置的內彈道特性, 為該裝置的結構參數設計及優化打下了基礎。研究認為, 應結合該裝置的具體戰技指標, 進一步確定裝置的結構參數, 使該裝置的內彈道性能滿足要求。

[1] 王云. 潛艇低噪聲武器發射裝置之液壓發射系統概論[J]. 魚雷與發射技術, 2000, (4): 36-39.

[2] 郭關柱, 王云. 低噪聲魚雷發射技術之探討[J]. 魚雷與發射技術, 2002, (2): 23-30.

[3] 王云. 蓄能式潛艇魚雷發射裝置液壓平衡系統原理探討[J]. 水中兵器, 2001, (2): 42-46.

[4] 張孝芳, 王樹宗, 練永慶. 氣動水壓式水下武器發射系統建模與仿真[J]. 系統仿真學報, 2009, 21(10): 3092-3095. Zhang Xiao-fang, Wang Shu-zong, Lian Yong-qin. Modeling and Simulation of Pneumatic and Hydraulic Underwater Weapon Launching System[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(10): 3092-3095.

Inner Trajectory Modeling and Simulation of Hydraulic Energy Accumulated Torpedo Launcher

TIAN Bing, WANG Shu-zong, LIAN Yong-qing

(New Weaponry Technology & Application Research Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

For its low launching noise and absence of increasing pressure in chamber, the hydraulic energy accumulated torpedo launcher has held navies′ interest around the world. In this paper, to research the inner trajectory characteristic of the launcher, an inner trajectory model for the launching course is built on the basis of the structure and launching theory by proper simplification and hypothesis. Simulation is performed with MATLAB/Simulink, and the result shows the validity of the model. Tactical and technical indexes of the launcher should be considered in determination of its structure parameters and initial energy storage to meet the requirement for inner trajectory characteristic.

torpedo launcher; hydraulic energy accumulated; inner trajectory; modeling and simulation

TJ635

A

1673-1948(2011)01-0068-04

2010-07-15;

2010-09-03.

田 兵(1983-), 男, 在讀博士, 研究方向為水中兵器發射理論與技術.

(責任編輯: 楊力軍)