魚雷高空投送載體結構設計特性研究

帥智浩, 曹小娟, 王志杰

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魚雷高空投送載體結構設計特性研究

帥智浩1,2, 曹小娟1, 王志杰1

(1. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

由于現代戰爭的空中化進程加劇, 制空權的爭奪日趨激烈, 因此高空投送魚雷(HADT)的出現符合現代化武器的發展趨勢。分析了高空投送載體在制導滑翔炸彈(GGB)及高空反潛武器概念上的應用和研制現狀, 在此基礎上, 比較了HADT與GGB之間的異同點, 并從剛強度、環境適應性、導航控制、“可展開”、“可分離”等5個方面探討了魚雷高空投送載體的結構設計特性, 提出了相應的設計策略, 為HADT的設計研發提供思路。

高空投送魚雷; 投送載體; 結構設計特性

0 引言

高空投送魚雷(high altitude delivery of tor- pedo, HADT)是針對“高空反潛作戰”概念開發的一種新型魚雷武器, 也叫高空反潛魚雷。它在現有輕型魚雷的基礎上加裝飛行引導裝置, 通過海上多用途飛機(固定翼)或岸基反潛機在高空發射, 高度在6000 m以上, 魚雷與載機安全分離后, 依靠自動彈開的滑翔翼裝置(投送載體)在空中無動力滑翔幾十千米, 到達預定攻擊區域后, 魚雷與滑翔翼裝置脫離, 魚雷在降落傘的作用下穩定減速飛行, 直至魚雷入水, 雷傘分離。

HADT的研制符合現代武器的發展趨勢, 它以實現精確打擊為目標, 旨在通過投送載體的運送實現遠程、防區外的高速度攻擊。HADT可由飛機進行高空遠程投射, 從而提高飛機的生存能力, 降低飛機投雷時的姿態控制要求, 并且減少燃料消耗。

本文以魚雷高空投送載體結構設計特性為著眼點, 分析了投送載體結構設計中可能會遇到的問題, 從典型工況和關鍵技術的角度探討了相應問題的解決思路。

1 研究現狀

高空投送載體的應用和發展主要體現在高空反潛武器概念以及制導滑翔炸彈(guided glide bomb, GGB)的研制和開發上。

高空反潛武器概念來自于美國希望為P-3海上巡邏機開發從高空投放MK54魚雷能力的項目, 目的是使P-3反潛機能從6096m的高度投放魚雷。洛克希德·馬丁公司為P-3配備了“遠程開火”彈翼適配器裝置, 其研究表明, 投放高度若達到6 km, 反潛機可以從距離潛艇33~37km處發起攻擊, 這樣可以免受潛艇防空火力的威脅[1]。

雷聲公司研究的“魚鷹”系統是一套附加在MK54魚雷上的武器系統, 可令執行獵潛任務的P-8多用途海上飛機或P-3“奧利安”岸基反潛機在高空精確部署魚雷, 同時還能保持飛機處于安全的攻擊范圍之內。

無論是“遠程開火”彈翼適配器裝置, 還是“魚鷹”武器系統, 都是一種高空投送載體, 正是基于這種技術, 才使得高空反潛武器概念成為可能。

就GGB而言, 中國的“雷石-6”、美國的“JSOW”(AGM-154)、臺灣的“萬劍彈”都是典型的例子。“雷石-6”是由500 kg級的航空炸彈改良而來, 它加裝了一組可自動彈開的滑翔翼套件, 使發射后的炸彈產生極佳的空氣動力, 從1枚普通的航空炸彈變成速度超過0.7倍音速的滑翔炸彈, 射程也因此大幅增加到65 km。在原炸彈彈體上部, 加裝了1對可向后收攏的彈翼, 彈翼全部展開約寬2.5 m。在炸彈投放離機后, 彈翼套件將會自動展開, 炸彈會由于升力面積的增加而獲得較好的氣動性能, 進而大幅度增加投射距離。

不同于GGB的對地攻擊, HADT主要用來對抗潛艇。GGB在離機后自動滑翔, 依靠彈載設備尋找目標, 在到達目標區域后即引爆, 只要發射時炸彈處于預定的發射區內, 其命中精度就可以得到保證。而HADT投放時必須實現投送載體和魚雷的分離, 并為雷傘彈道提供良好的初始條件, 以便魚雷能以較好的姿態入水。由于投送載體作用對象不同, HADT在進行雷翼分離時要避免空投附件同滑翔翼干涉, GGB則不存在這樣的問題。除此之外, 不同的攻擊對象將使得二者的使用工況有較大差別。HADT與GGB的異同點如表1所示。

表1 高空投送魚雷與制導滑翔炸彈的異同點

2 設計特性

綜上所述, 魚雷高空投送載體是一套具有空中滑翔和制導功能的彈翼組件, 加裝后將顯著增加空投雷的投放高度、攻擊作用距離及攻擊覆蓋范圍。作為一種新型魚雷武器, HADT的設計跨越航空、航海兩大行業, 實際工況很難準確地進行地面模擬, 動態驗證則需要平臺實際投放, 涉及面廣, 動用兵力多, 且易受天氣影響, 進而帶來組織實施的困難, 設計復雜度較高。這也對投送載體的設計提出了更多要求。魚雷高空投送載體的設計除了應滿足剛強度要求、環境適應性要求和控制導航的要求之外, 還應具有“可展開”和“可分離”的設計特性。

2.1 剛強度

剛強度是結構組件應具備的最基本的設計特性, 足夠的剛度才能使產品抵抗整個生產和使用過程中可能遇到的變形, 足夠的強度才能保證產品在承載時不發生斷裂等意外狀況。高空投送載體作為空投魚雷的搭載平臺, 必須要具有一定的剛強度, 以保證從掛起魚雷至雷翼分離的整個過程都是安全而穩定的。其剛強度設計特性在典型工況中尤為重要, 主要包括下述幾個方面。

1) 投送載體掛載魚雷在機艙靜止及飛機平飛時。這2種情況下, 投送載體的負載相近, 均為空投魚雷及空投附件的質量之和, 考慮到從飛機起飛至發出投送指令可能需要較長的時間, 所以此工況也為投送載體工作時間最長的工況。

2) 飛機起飛、機動飛行及攜雷降落時。此時, 由于慣性力作用, 投送載體要承載和靜止時不同的載荷, 如果飛機的過載較大, 此工況下投送載體承載的載荷可能達到最大值。

3) 飛機投放投送載體時。由于滑翔翼的展開將對投送載體本身及空投魚雷系統造成沖擊, 所以此工況也為典型工況之一。

4) 投送載體載著空投魚雷滑翔時。由于沒有了飛機的牽引, 投送載體在從飛機投放后將依靠滑翔翼產生的氣動力滑翔, 此時投送載體所承受的外載荷是氣動力和空投魚雷系統的重力共同作用的結果。

針對投送載體的剛強度設計特性, 其設計策略應遵循一般的工程設計方法, 找出投送載體在使用過程中的典型工況, 并對每種工況可能出現的極限應力應變加以分析, 校核其剛強度, 必要時可以通過靜力學分析得出實際工況下的載荷分布規律, 確保沒有遺漏剛強度可能達到極限的情形。

2.2 環境適應性

環境適應性是指產品在其全壽命周期內的貯存、運輸和使用等狀態中會遇到的各種極端應力的作用下實現其設計時應具備的全部功能的能力, 是產品的重要質量特性之一。高空投送載體作為高空反潛武器的重要組成部分, 其環境適應性不強可能直接導致投送系統無法工作、控制導航失去作用等極其嚴重的后果。

目前空投魚雷主要用于150 m左右的低空反潛范圍內, 高空環境適應性是制約魚雷發展和使用的一個重要因素。由于低空反潛技術的發展和應用已日趨完善, 投送載體環境適應性的設計策略以高空環境適應性為主, 綜合考量其使用過程中可能會經歷的環境, 進行必要的冗余設計, 盡可能采用優良的表面處理工藝, 以減緩環境的影響。

進行高空環境適應性設計時主要考慮的因素有以下幾個方面。

1) 振動因素。考慮到高空中復雜的工況, 投送載體在滑翔時會不可避免地遇到顫振、沖擊、噪聲等多種因素的激勵, 如果對振動環境適應性不強, 就可能出現零部件損壞、電子設備失靈、連接件工藝性能破壞等意外狀況, 從而帶來災難性的后果。在進行結構設計時, 可以利用隨機振動試驗考核其結構的完整性, 采用正弦振動試驗來暴露產品的薄弱環節, 進而改進和優化投送載體的結構設計。

2) 沖擊與碰撞因素。投送載體滑翔翼打開時, 會在推力的作用下與鎖緊銷發生碰撞, 如果采用燃氣作動筒提供主動力矩, 碰撞會更迅速、更強烈, 沖擊和碰撞可以直接使產品失去應有的工作能力, 使零部件損傷或斷裂。在進行結構設計時, 應設計相應的試驗裝置, 重點考核折疊翼的展開對投送載體的沖擊影響。

3) 過載。除了飛機正常起飛和降落等過程會給投送載體帶來過載外, 遇到緊急情況時飛機的應急動作同樣可能帶來較大過載。失重效應會破壞散熱的重要途徑, 導致直流電機碳刷磨損加劇; 增重效應會使密封的液體壓力增大, 零部件內部應力增加, 進而影響其工作性能。投送載體及其搭載的元器件必須具備一定的克服過載的能力, 才能保證HADT的正常工作。

4) 風力因素。由于HADT在飛行過程中要穿越高空風區域, 而高空風對彈道、導航等影響較大, 所以在進行投送載體的導航控制模塊設計時, 應把風力影響當作一個重要因素來考量。

5) 低氣壓因素。對于主要工作區間在5~ 6 km高空的投送載體來說, 其所處位置的壓強約為海平面標準大氣壓的一半。而低氣壓環境會使產品結構發生變形, 對密封件造成損壞, 增大潤滑脂的揮發, 還會降低控制導航模塊電子組件的電氣性能。為此, 在進行環境適應性設計時, 應進行低氣壓試驗或與其他環境因素相結合的綜合試驗, 以考核投送載體及其組件在低氣壓條件下儲存、運輸和使用的適應能力。

6) 低溫因素。不同于低空的空投魚雷, HADT使用時所處的空間位置更高, 投送載體搭載的儀器設備所處的溫度環境也更惡劣, 可低至－50℃~－60℃。在較低的溫度下, 想要保證各設備部件正常運轉, 一方面可以進行優良的密封設計, 另一方面可以采取一定的保溫措施, 例如用飛機彈艙進行加溫。

除了上述因素外, 濕度、電磁環境等都是影響投送載體正常工作的環境要素, 在進行具體設計時也必須予以考慮。

2.3 導航控制

投送載體在發射離機(反潛機)后, 需要實現空投魚雷和載體的分離, 并為雷傘彈道提供良好的初始條件, 所以導航控制也是投送載體重要的設計特性之一。

組合導航是近代導航理論和技術發展的產物, 它由GPS、無線電導航、天文導航、衛星導航等系統中的一個或幾個與慣導相結合而成, 利用載體上的慣性測量裝置敏感載體的運動, 輸出載體的姿態和位置信息, 慣導定位誤差隨時間積累的不足由其他導航系統彌補。相比于單一的導航方式, 組合導航具有無可比擬的優勢。它兼具單個導航的性能卻又突破了單一導航的局限性, 同時可以利用多種信息源, 互相補充, 構成一種多余度和導航準確度更高的多功能系統。

投送載體在高空面臨著復雜的環境, 而慣導系統可以免受外界干擾, 隱蔽性出色, 這就為導航控制提供了可能; 同時, 為了彌補慣導定位誤差的累積, 采用GPS或北斗導航系統。由于HADT飛行時間比較長, 距離較大, 此過程中目標潛艇的位置也會不斷變化, 為了提高命中精度, 需要在飛行過程中對目標參數進行修正, 為此可以考慮加裝無線指令修正系統。

為了給空投魚雷入水提供良好的初始條件, 還需要加裝按照閉環負反饋原理組成的自動控制系統。其工作原理為: 敏感元件測量投送載體的實際運動參數, 并輸出相應的信號同目標約束(虛目標點的位置信息、速度條件等)進行比較, 產生偏差信號, 經信息處理裝置放大后, 成為符合控制規律的信號, 操縱伺服機構, 使舵面產生相應偏轉[2]。

2.4 “可展開”

由于戰斗機機艙空間的限制和投送載體對氣動特性的追求, 投送載體必須使用展開機構來控制機翼的展開, 進而達到既節約運載空間又滿足氣動性能的目的。折疊翼技術可以通過展開機構改變機翼的位置來改變飛機的機動特性, 其在高空投送載體上的應用可以節省存儲空間, 便于投送載體箱式存儲和運輸, 增加飛機的運載能力, 進而提高飛機的戰斗力[3]。

按照不同的動力源劃分, 彈翼展開方式可分為高壓氣體式、拉簧式和燃氣作動筒式。高壓氣體式彈翼展開系統是以高壓氣瓶提供動力, 通過活塞桿和連桿機構驅動彈翼轉動, 現在已不常用。拉簧式彈翼展開系統以拉簧為初始展開驅動力, 使折疊翼在軸向過載及氣動力的共同作用下繞轉軸轉動, 展開到位后與鎖緊銷發生碰撞并被鎖緊。拉簧式展開系統的優點在于設計簡單、成本較低且易于實現。

作動筒式展開系統主要由燃氣作動筒、展開執行機構及折疊彈翼組成, 常用的展開執行機構包括直連式、聯動滑塊式與齒輪齒條式[4]。其動力系統主要由活塞推力桿、活塞筒和推進劑主裝藥組成, 工作原理為: 主裝藥燃燒產生高溫高壓燃氣推動活塞推力桿運動, 推力桿進一步推動彈翼展開執行機構, 進而完成彈翼展開功能。其特點是工作時間短, 活塞筒內室壓高、推力大, 且內彈道性能與彈翼展開執行機構的結構形式、展開過程中的各種負載等密切相關。

相較于另外2種展開方式, 燃氣作動筒式展開系統可以實現快速高效的彈翼展開, 并具有更高的可靠性。HADT是一種新型武器, 其投送載體的設計需要關注更多的參數, 而作動筒式展開機構的結構形式和負載與內彈道性能密切相關的特性更有助于設計的改進和優化。

2.5 “可分離”

鑒于HADT的作戰需要, 投送載體搭載魚雷到達預定攻擊區后, 必須實現雷體及空投附件與投送載體的分離。與精確制導炸彈與載體分離不同的是, 雷傘系統必須在空中有足夠的時間以便降落傘打開, 且降落傘開啟后要保證魚雷以一定的姿態入水。

要實現雷傘系統和投送載體的安全分離, 必須要有一套完整的分離裝置作保證。分離裝置主要具有2個功能, 一個是在飛機飛行過程中穩定地吊裝魚雷, 一個是到達分離點后實現雷翼安全分離。分離裝置可以借鑒國內外同類產品的相關技術和成熟經驗, 并根據投送載體自身的分離特點進行一定的創新設計。

分離條件關系到雷翼能否安全分離及降落傘能否安全工作, 在進行分離裝置設計時需要考慮下述因素:

1) 雷翼按要求安全分離, 同時不影響降落傘的正常打開;

2) 保證魚雷的入水姿態, 為雷傘彈道提供良好的初始條件;

3) 足夠的雷傘系統留空時間, 保證延時開傘機構的正常工作。

3 結束語

本文分析了魚雷高空投送載體的研制和發展現狀, 對比了高空投送魚雷與精確制導炸彈的異同, 并從剛強度、環境適應性、導航控制、“可展開”及“可分離”5個方面探討了魚雷高空投送載體應具備的結構設計特性, 根植于現有技術條件提出了相應的設計策略。

[1] 王志杰. 研制高空反潛魚雷的必要性及關鍵技術[J]. 魚雷技術, 2009, 17(3): 1-4. Wang Zhi-jie. Necessity and Key Technologies for Deve- loping High Altitude Anti-submarine Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(3): 1-4.

[2] 徐德民. 魚雷自動控制系統[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2001.

[3] 李莉, 任茶仙, 張鐸. 折疊翼機構展開動力學仿真及優化[J]. 強度與環境, 2007, 34(1): 17-21. Li li, Ren Cha-xian, Zhang Duo. Dynamic Simulation and Optimization Design of Deployment of Folding-wing[J]. Structure & Environment Engineering, 2007, 34(1): 17-21.

[4] 張石玉, 唐金蘭, 任華, 等. 燃氣作動筒折疊翼展開過程分析[J]. 固體火箭技術, 2010, 33(5): 481-485. Zhang Shi-yu, Tang Jin-lan, Ren Hua, et al. Analysis of Mechanical Deployment System for Combustion-gas- actuated Folded Wings[J]. Journal of Solid Rocket Tech- nology, 2010, 33(5): 481-485.

(責任編輯: 陳 曦)

Analysis on Structural Design Characteristics of High Altitude Delivery Carrier of Torpedo

SHUAI Zhi-hao,CAO Xiao-juan,WANG Zhi-jie

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

The applications of the high altitude delivery carrier to guided glide bomb(GGB) and high altitude antisubmarine weapon concept, as well as the current manufacture situation of high altitude delivery carrier, are analyzed. Subsequently, the similarities and differences between high altitude delivery of torpedo (HADT) and GGB are compared. The structural design characteristics of high altitude delivery carrier of torpedo are discussed with respect to five aspects, including rigidity and intensity, environmental suitability, navigation control, “developable”, and “detachable”, and corresponding design strategies are put forward.

high altitude delivery of torpedo(HADT); delivery carrier; structural design characteristics

2014-04-18;

2014-05-06.

帥智浩(1991-), 男, 在讀碩士, 研究方向為總體技術.

TJ631.7

A

1673-1948(2014)04-0241-05