電磁式魚雷發射過程的建模與仿真

于靜遠，李衛超，郭燈華，許 金，鄭欣良

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電磁式魚雷發射過程的建模與仿真

于靜遠，李衛超，郭燈華，許 金，鄭欣良

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

以電磁式魚雷發射裝置為基礎，構建了魚雷發射的動力學模型，對水體壓強變化、活塞及魚雷的運動過程進行分析，根據數學模型應用Matlab進行初步的仿真計算，明確系統中各個物理量的變化規律，驗證了本模型的數學合理性和物理過程描述的準確性。從仿真結果來看，本模型基本符合文中闡述的原理。

電磁式魚雷發射裝置 壓力變化模型 動力模型

0 引言

潛艇使用的武器包括魚雷、導彈和水雷等，這些武器主要通過潛艇的魚雷發射裝置發射。為更好地保障攻擊使用效果，潛艇發射武器時，應在發射裝置的技術使用條件下，盡量滿足發射隱蔽性和快速反應性等戰術要求[1]。

根據現役潛艇魚雷發射裝置的基本結構，某國防重點實驗室課題組提出并設計了多種電磁式魚雷發射裝置方案，經過綜合分析和比較，初步確定了直線電機[3]與水缸集成的方案。將直線電機與目前往復泵式魚雷[4]發射裝置的水缸集成，水缸體作為定子，水缸活塞作為動子，推壓海水進入發射管，從而推動魚雷運動出管，在魚雷出管時，達到合適的發射速度,如圖1所示。本方案屬于液壓平衡式發射方式，取消了氣缸，結構簡單，由直線電機定子直接驅動水缸活塞（即動子）運動。

由圖可知，動子（活塞）和魚雷并不直接相連。如果水缸中推出的海水體積近似于進入發射管海水體積，那么魚雷的運動軌跡和末速度將與動子的成比例。由此可以通過對動子運動軌跡的精確控制實現對魚雷運動軌跡的控制。

1 發射過程描述

電磁式潛艇魚雷發射裝置的基本構成如圖1所示。發射前，將海水注入到發射管中，魚雷前后均受到相同的海水靜壓力P（液壓平衡），發射魚雷時，逆變器將蓄電池輸出的電能轉變成需要的電壓、電流輸入直線電機定子繞組，由電磁感應原理，在動子（水缸活塞）上產生電磁力，推壓水缸中的海水，水缸中的海水壓力P增大，海水由水缸流入脈沖水柜，脈沖水柜中的海水壓力P增大，海水由脈沖水柜流入發射管后部，魚雷后部的海水壓力P大于魚雷前部的海水壓力P，從而推動魚雷加速。

2 基本假設

1) 發射過程為絕熱過程，水缸、脈沖水柜和魚雷發射管與外界無熱交換；2) 水缸、脈沖水柜和魚雷發射管前后腔內壓力均勻；3）把發射管內運動的海水與魚雷視為一整體。

3 基本方程

根據發射過程海水的流動和各部件的運動情況，建立魚雷發射裝置各部件的數學模型：

1）水缸壓力變化模型

以水缸內的海水為研究對象，如圖2所示，假設水缸內海水的密度和壓強是均勻的。在dt時間間隔內，水缸內海水的質量變化為：

（2）

由于密度變化引起的質量變化為：

其中：是水的彈性模量；p為水缸內海水壓強；Vw= V-SX； V水缸的初始體積；S為水缸截面積；x為水缸活塞運動位移。

（4）

將式（2）—（4）代入至式（2.1）中得到：

整理得：

（6）

從水缸流入脈沖水柜的流量為：

（7）

其中：p為脈沖水柜內海水壓強；C為水缸特形孔出水流量系數；S為水缸特形孔面積。

2）脈沖水柜壓力變化模型

（9）

（11）

整理得：

從脈沖水柜流入發射管的流量為：

其中：p為發射管后部海水壓強；C為發射管特形孔入水流量系數；S為發射管特形孔面積。

3）發射管壓力變化模型

（15）

（17）

整理得：

從魚雷與發射管之間的縫隙流出的流量：

其中：D是發射管直徑；是魚雷與發射管之間的間隙；是魚雷后部與魚雷前部的壓強差，；是海水的動力黏度；是間隙的長度；v是魚雷相對于潛艇的速度。

4）水缸活塞運動模型

如圖5，由牛頓第二定律得到水缸活塞的運動模型為：

5）魚雷運動模型

在魚雷運動過程中，其后面空出的容積是由脈沖水柜中的海水來補充的，魚雷后部的海水以與魚雷相同的速度向發射管外運動，且運動的海水質量不斷增加。把運動的海水與魚雷視為一整體，其運動方程為：

（22）

（24）

式（24）中等號右端的三項分別是魚雷后部受到的海水壓力、魚雷前部受到的海水阻力和發射管壁摩擦力；

整理得：

（26）

4 模型仿真內容

依據上述數學公式進行如下建模，得到如圖7的仿真結構[5]?？傻玫絼幼踊钊汪~雷單位時間內的速度位移曲線：

從圖8、圖9中可以看出，魚雷與動子活塞的運動趨勢基本相符。將二者單位時間內的速度位移乘以二者橫截面積，即可得到單位時間內的動子活塞推水量已經單位時間內魚雷發射管內的被推入水的量，如圖10。從圖中可以看出，水缸中推出的海水量基本等于進入發射管海水量，所以魚雷的運動軌跡和末速度與動子的成比例。由此驗證得到，本數學模型在通過對動子運動軌跡的精確控制實現對魚雷運動軌跡的控制過程中成立。

5 結束語

本文在電磁式魚雷發射裝置基礎上建立了發射時的水壓變化模型以及動力模型，通過仿真可以監控在發射時發射管內魚雷與水缸內動子活塞的運動情況，驗證了本模型的合理性，為下一步研究打下基礎。

[1] 朱清浩,宋汝剛. 美國潛艇魚雷發射裝置使用初探[J].魚雷技術, 2012, 20(3).

[2] 喬汝椿. 蓄能式潛艇電動魚雷發射裝置方案設計[J].魚雷技術, 2003,11(2).

[3] 葉云岳. 直線電機原理與應用[M]. 第二版.機械工業出版社, 2000.

[4] 李克孚.潛艇魚雷發射裝置的發展(下)[J]. 艦船論證參考, 1998, (3): 63-65.

[5] 李維波. MATLAB在電氣工程中的應用, 2007.

Modeling and Simulation of Electromagnetic Torpedo Launching

Yu Jingyuan, Li Weichao, Guo Denghua,Xu Jin, Zheng Xinliang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TJ630

A

1003-4862（2017）03-0005-04

2016-09-15

于靜遠（1992-），男，碩士。研究方向：電力電子及電力傳動。