提拉缸式發(fā)射裝置水下發(fā)射內(nèi)彈道仿真研究

刁宏偉，李宗吉，李春來

(中國人民解放軍91829部隊, 遼寧 大連 116041； 2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 武漢 430033)

隨著UUV技術(shù)的發(fā)展,未來海戰(zhàn)中UUV[1]配備魚雷武器[2]用于水下無人作戰(zhàn)是必然趨勢。但由于UUV一般排水量較小，傳統(tǒng)潛艇帶發(fā)射動力的魚雷發(fā)射裝置[3][4](如氣動不平衡或水壓平衡發(fā)射裝置)因體積重量過大，無法直接應(yīng)用在該發(fā)射平臺上，目前的UUV一般采用自航發(fā)射方式發(fā)射魚雷[5][6][7]。采用自航發(fā)射方式雖結(jié)構(gòu)簡單，但在發(fā)射魚雷的過程中UUV自身的運動狀態(tài)可能會因受到魚雷自航運動的干擾而發(fā)生變化，影響平臺的操作與控制。為此需要探索結(jié)構(gòu)簡單，適用于UUV這類小型平臺的有發(fā)射動力的裝置。提拉缸式發(fā)射裝置是在參考借鑒防空導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)[8][9]基礎(chǔ)上提出的，為了論證該方案在UUV上的可行性，本文綜合運用MATLAB與FLUENT對UUV運用提拉缸發(fā)射裝置發(fā)射魚雷的過程進行了仿真研究。

REN Qian, ZENG Shu-xiong, TANG Shi-jie, DAI Li-he, XU Jin-shan, SUN Ying-hao, XU Chuan-liang

1 發(fā)射裝置原理

本文提出一種以火藥燃燒的化學(xué)能作為發(fā)射能源的魚雷發(fā)射裝置(見圖1)?；鹚帤飧组L度約為發(fā)射管的一半，拉桿總行程為發(fā)射管的一半。發(fā)射前，發(fā)射管密封儲存魚雷，發(fā)射時發(fā)射管前后蓋與發(fā)射管的連接由爆炸螺栓切斷并與發(fā)射管脫離，此時發(fā)射管前后端連通海水。然后1號火藥柱點火產(chǎn)生火藥氣體推動拉桿帶動魚雷向管口方向運動。當活塞運動1m時活塞越過2號火藥柱并引燃2號火藥柱，此時1、2號火藥柱共同燃燒推動活塞運動(見圖2)?；钊\動3m時拉桿與魚雷脫離，魚雷克服海水阻力繼續(xù)運動直至出管。

2 仿真方法

魚雷發(fā)射裝置內(nèi)彈道仿真通常采用數(shù)值求解內(nèi)彈道微分方程組模型。這種方法較精細的模擬發(fā)射過程中發(fā)射管內(nèi)部流場及魚雷所受的流體阻力的變化情況非常困難，對內(nèi)彈道仿真結(jié)果的誤差較大。為此本文綜合采用MATLAB與FLUENT[10]進行仿真[11]。在采用MATLAB仿真程序(程序數(shù)學(xué)模型見3.1小節(jié))對發(fā)射過程中氣缸中各物理量進行仿真的同時，運用FLUENT對魚雷發(fā)射管內(nèi)流體流動與魚雷所受阻力進行仿真。MATLAB與FLUENT采用共享數(shù)據(jù)文件的方式進行數(shù)據(jù)交換，通過更新標志位的方法使MATLAB與FLUENT實時同步仿真。整個仿真流程見圖3。

3 模型建立

3.1 數(shù)學(xué)模型

仿真數(shù)學(xué)模型由15個微分方程式組成，代入4階定步長Runge-Kutta方法求解，其中魚雷運動流體阻力由FLUENT模擬發(fā)射管流場計算，魚雷速度、加速度由MATLAB解算，并傳遞給FLUENT。

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(1)

式中：Uc為發(fā)射管內(nèi)氣體內(nèi)能；Qe為火藥燃燒熱；Lt為魚雷推動功。

(2)

式中：Tc為氣缸內(nèi)溫度；Cv為氣缸內(nèi)氣體定容比熱容；Mc為氣缸內(nèi)氣體總質(zhì)量。

(3)

中國食品工業(yè)總產(chǎn)值從百億元級到萬億元級的背后，是眾多功勛人物、領(lǐng)軍人物孜孜以求、攻堅克難的不懈努力，是眾多食品企業(yè)爭創(chuàng)百年老店、力求讓消費者滿意的永恒追求。

dMc=dMe1+dMe2

(4)

式中：Me1、Me2為兩段火藥的燃燒質(zhì)量。

(5)

式中：Sc為氣缸斷面面積；Lp為活塞行程；Lc為氣缸總長度。

式中：Sy為火藥表面積；S1為火藥初始表面積；β為藥型系數(shù)；ψ為火藥燃燒百分比數(shù)。

dQe=EqQb(dMe1+dMe2)

(6)

式中：Qe為火藥燃燒總熱量；Eq為熱損失系數(shù)通常取0.8；Qb為火藥燃燒熱。

(7)

(8)

式中：U10為火藥在單位壓力下的燃燒速度；ε為火藥燃燒時的通氣系數(shù)。

(9)

如圖5所示，當故障發(fā)生在區(qū)段Z6，F(xiàn)I1、FI2、FI3、FI5均正常上報故障信息，故障指示器FI4漏報故障信息，其他故障指示器也無故障信息上報。仍設(shè)每個區(qū)段發(fā)生故障的概率一樣，λ取0.95，δ取0.1。

(10)

式中：Sm為火藥端面面積；Sm0為火藥初始端面面積。

(11)

(12)

式中：Fp為通過FLUENT仿真并擬合的氣缸阻力(活塞后端聯(lián)通海水，孔徑0.01 m)，與活塞速度Vp有關(guān)。

dVp=(PcSc-Fflu-Fp)/(mt+mp)

(13)

式中：Sc為氣缸端面面積；Fflu為通過FLUENT仿真?zhèn)鬟f的魚雷阻力；mt、mp為魚雷質(zhì)量與活塞質(zhì)量。

運行FLUENT及MATLAB軟件，讀取仿真模型與仿真初始值，進行發(fā)射水下發(fā)射魚雷過程仿真。

dlt=Vp

(14)

式中：lt為魚雷行程。

dLt=ScPcVp

(15)

3.2 發(fā)射管CFD模型

仿真中的主要參數(shù)為：魚雷質(zhì)量2 000 kg、氣缸直徑0.125 m、氣缸長度3.5 m、提拉缸活塞質(zhì)量20 kg、發(fā)射火藥質(zhì)量0.09 kg(兩段)。

在CFD模型中立動網(wǎng)格，以魚雷作為剛體動網(wǎng)格邊界，沿X軸運動。由于本文建模采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格更新采用彈簧光順模型(smoothing)以及局部網(wǎng)格重劃模型(remeshing)兩種。

CFD模型網(wǎng)格共有節(jié)點28 798個，最小網(wǎng)格面積5.6×10-3m2，最大網(wǎng)格面積3.8×10-2m2，最大畸變率為0.64。發(fā)射管長6.5 m、直徑0.537 m，魚雷長6 m、直徑0.534 m。發(fā)射管外流場直徑為3 m，長度為7 m。前段邊界條件為壓力出口(pressure-outlet)，尾端為壓力入口(pressure-inlet)。

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4 發(fā)射過程內(nèi)彈道仿真

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在仿真中，0～0.3 s時1號火藥柱燃燒，0.3 s以后1、2號火藥柱共同燃燒；0.5 s時拉桿位移達到3 m并與魚雷脫離。發(fā)射過程的仿真結(jié)果如圖5～圖9所示。

根據(jù)發(fā)射方案建立發(fā)射管CFD仿真模型。由于發(fā)射管及流體域軸對稱，本文采用二維網(wǎng)格軸對稱方式建立流場網(wǎng)格以減小計算量(見圖4)。

仿真開始后，CFD軟件將流場計算獲得的作用在魚雷上流體阻力，通過共享文件將數(shù)據(jù)傳遞給依據(jù)3.1數(shù)學(xué)模型編制的MATLAB仿真程序，仿真程序通過解微分方程組，再將計算出的魚雷位移參數(shù)傳遞給共享文件CFD軟件，CFD根據(jù)位移參數(shù)進行重新進行網(wǎng)格劃分，重新進行新一時刻的流場計算，如此循環(huán)直至結(jié)束，其仿真流程見圖3。

式中：Pc為氣缸內(nèi)氣體壓力；k為火藥燃氣比熱比；Vc為氣缸內(nèi)氣體體積。

以關(guān)系到千家萬戶的糧食加工行業(yè)為例，在解決糧食供應(yīng)問題后，人們的生活開始由溫飽型向小康型逐步過渡。如小型礱谷機，碾米機和200型榨油機、“東方紅”牌糧機和“雙獅”牌礱谷膠輥等具有代表性的機械，開始被運用到米、面、油的深加工、精加工上來，以提高原料的利用率。

從仿真結(jié)果來看，1號火藥柱點火后發(fā)射溫度、壓力迅速上升至1 500 K、16 MPa，活塞運動后火藥氣體對外做功，溫度、壓力下降至500 K、10 MPa時(見圖6、圖7)，活塞越過2號火藥柱并將其引燃，使溫度下降梯度減小。0.5 s后活塞運動至氣缸尾，火藥氣體不再對外做功，火藥柱繼續(xù)燃燒，溫度回升。

從魚雷速度曲線來看，速度在0.5 s時達到峰值12 m/s，然后拉桿脫離魚雷，在海水阻力作用下魚雷速度降至10 m/s,整個發(fā)射過程大約耗時0.6 s(見圖8),基本滿足水下發(fā)射魚雷的要求。

漏電保護器按極數(shù)分類，有單極2線 雙極2線3極3線 3極4線和4極4線等多種形式，其在低壓配電線路中的接線如圖1所示：RCD1—單極2線，RCD2—雙極2線，RCD3—3極3線，RCD4—3極4線，RCD5—4極4線，QF—斷路器，YR—漏電脫扣器.

通過進行發(fā)射過程流場仿真，不僅獲得發(fā)射過程的發(fā)射管內(nèi)部及外部流場壓力變化情況(見圖9～圖12)，還可獲得發(fā)射過程魚雷所受流體阻力變化情況(見圖13)。從魚雷阻力曲線可以看到魚雷阻力在0.5 s以及0.65 s時存在兩次跳變。在0.5 s時魚雷與拉桿脫離，魚雷加速度由正值變?yōu)樨撝担~雷附加阻力降低為0；在0.65 s時，魚雷尾錐部位經(jīng)過發(fā)射管口，魚雷與發(fā)射管抽吸作用減小，魚雷壓差阻力減小。

5 結(jié)論

為了對提拉缸式魚雷發(fā)射裝置在UUV上應(yīng)用可行性進行分析與研究，綜合采用MATLAB與FLUENT對發(fā)射過程進行仿真。結(jié)果表明，魚雷出管速度達到10 m/s，滿足水下發(fā)射的技術(shù)要求。與其他潛艇魚雷發(fā)射裝置相比，這種方案結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，可作為UUV一次性使用發(fā)射裝置，發(fā)射后可整體拋棄，適用于UUV之類的小型水下平臺。本文所建的模型可為后續(xù)的發(fā)射裝置總體方案論證及技術(shù)設(shè)計提供參考。

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