不平衡式發射裝置發射水雷時發射能量計算和彈道分析

張 永，張孝芳，劉海光，張新軍

（1.海軍潛艇學院，山東 青島 266042；2.解放軍92336 部隊，海南 三亞 572000）

0 引言

氣動不平衡式發射裝置以其體積小、結構簡單、適于裝艇等特點，目前仍然被許多國家海軍所采用。氣動不平衡式發射裝置的主要作戰使命是發射魚雷和導彈，攻擊敵水下和水面大、中型目標，并兼顧到發射水雷，執行布雷封鎖等作戰任務。萬祥蘭［1］在早些時候通過建立氣動不平衡式發射裝置的數學模型，借助MATLAB/Simulink 軟件進行模型仿真，研究了發射閥緩沖器滑閥與緩沖活塞配合間隙、相對裝配位置之間的關系。練永慶［2］將遺傳算法運用到氣動不平衡式水下武器發射器內彈道優化的方法和數學模型中去，最終確定了該方法在發射閥優化設計中的應用前景。李鵬［3］在現有的氣動不平衡發射裝置的基礎上，提出了新的程序控制方案發射裝置。有學者［4］基于氣動不平衡式發射裝置的基本特點，通過彈道建模并利用Simulink 軟件建立了彈道仿真平臺，研究了發射氣瓶狀態參數和發射開關運動特性對彈道參數的影響，獲得了彈道仿真結果。由此可見，氣動不平衡式發射裝置發射水雷，在其作戰使命中的地位與魚雷、導彈相比，并未處于突出位置。長期以來，氣動不平衡式發射裝置發射水雷技術的研究，也未受到足夠的重視，完全依附于發射魚雷和導彈的發射技術，從而致使發射水雷的深度遠遠小于發射魚雷的發射深度，難以滿足現代潛艇布雷作戰需求。本文針對水雷的結構特點、發射裝置控制方式，以及目前在研究和使用過程中存在的問題，對潛艇大深度安全發射水雷時，發射能量的確定、水雷在發射管內的運動特性等問題進行了研究。

1 發射工程描述與建模

目前，在世界各國海軍裝備使用的氣動不平衡式發射裝置中，典型的氣動不平衡式發射裝置主要由發射管及管體機械、注排水系統、設定控制裝置、發射裝置、截止裝置、無泡裝置等組成。水雷裝入發射管內后，前水雷與后水雷之間通過連接器實現連接，后水雷則被發射管后蓋上的控制裝置制動。發射時，通過發射控制裝置打開發射開關，儲存在發射氣瓶內的壓縮空氣進入發射管內做功，通過水介質建立壓力，此壓力通常稱為拋射壓力。作用在后水雷上的制動力遠大于其拋射壓力，則后水雷不能產生相對運動。當作用在前水雷后端面上的力產生的拋射壓力大于連接器的拉力時，則連接器被拉斷，然后其拋射壓力將前水雷推出發射管。發射后水雷時，降低對后水雷的制動力，當拋射壓力作用在后水雷后端面上產生的拋射壓力大于其制動力時，制動控制裝置解脫對后水雷的控制，其拋射壓力將后水雷推出發射管。氣動不平衡式發射裝置原理如圖1 所示。

1.1 發射氣瓶環節分析與建模

1.1.1 發射能量確定

圖1 氣動不平衡式發射裝置原理圖

發射氣瓶的主要功用是儲存發射能量——壓縮空氣。發射時，發射開關打開，壓縮空氣進入發射管內建立拋射壓力，不僅使水雷和部分海水獲得一定的動能，而且克服水雷與導軌的摩擦力以及水雷的迎面阻力和靜水阻力做功。另外，發射后發射管內的廢氣被回收至艙內，該廢氣也具有一定的能量。由此可見，發射氣瓶儲存的發射能量與水雷的質量、水雷的出管速度以及發射時潛艇的工作深度等因素有關。

根據能量平衡方程，潛艇在預期的發射水雷深度內，發射氣瓶內儲存壓縮空氣的儲備量U0為：

1.1.2 通過發射開關氣體流量和熱焓注入率分析

發射時，發射氣瓶內的壓縮空氣通過發射開關按照一定的規律輸入發射管內做功，以保證水雷在發射管內做加速運動。發射開關控制壓縮空氣按照一定的規律輸入發射管內，是通過控制發射開關的流通面積實現，發射開關端部結構圖如圖2 所示。

圖2 壓縮空氣經發射活塞端部結構圖

根據發射活塞的結構特點，將發射活塞的運動分為4 個階段，求解不同階段壓縮空氣流經發射活塞流通面積f1（t）的表達式為：

其中，△d 為d2與d1之差，d1為發射活塞導向體直徑（m），d2為發射活塞上凸緣直徑（m），L為發射活塞運動行程，L1、L2為特形孔底部所處的兩個極限位置，fmax為4 個特形孔的面積和。

1.1.3 單向閥運動特性分析

單向閥安裝在發射管后部的管體上，其主要功用是發射后期防止發射管內海水經發射開關流入到發射氣瓶內，占據發射氣瓶的容積。平時單向閥在其自身彈簧力的作用下自動關閉。當發射開關打開后，在其壓縮空氣作用力的作用下自動開啟，從而發射氣瓶內的壓縮空氣進入發射管內建立拋射壓力。當發射開關關閉后，在發射管內壓力和自身彈簧力的作用下自動關閉。

根據上述分析，開啟單向閥所需氣壓力的表達式（Pd）為：

式中，Sd1為單向閥受發射閥內的空氣壓力的作用面積，Sd2為單向閥受發射管內的海水壓力的作用面積，Fd為單向閥彈簧預壓力，PH為發射管內的海水壓力。

1.1.4 發射氣瓶內瞬時壓強和溫度變化率分析

發射時，發射開關按照一定的運動規律運動，發射氣瓶內的壓縮空氣進入發射管內做功。將發射氣瓶內的壓縮空氣視為理想氣體，壓縮空氣經發射開關流入發射管內的過程視為等容絕熱放氣過程，則發射氣瓶內瞬時壓強和瞬時溫度隨時間變化率為：

式中，k 為氣體的絕熱指數，PB為發射氣瓶內壓縮空氣瞬時壓強（MPa），MB為發射氣瓶內壓縮空氣的瞬時質量（kg），TB為發射氣瓶內壓縮空氣的瞬時溫度。

1.2 發射管環節工作特性分析與建模

1.2.1 建立發射管內能量方程

將發射管內推動水雷運動的壓縮空氣作為研究對象，其邊界由發射管壁和水雷殼體圍成，帶有兩個開口：一個開口是壓縮空氣經過發射開關流入發射管的端口；另一個開口是無泡發射系統泄放閥的開啟面端口。

發射時，壓縮空氣經發射開關進入發射管內做功推動水雷運動，忽略氣體與海水和發射管管壁的熱交換，根據熱力學定律，則發射管環節的能量守恒方程為：

式中，Uc為發射管中現有壓縮空氣氣體的內能，U0為水雷運動前發射管中原有空氣的內能，Hi為通過發射開關注入到發射管中的焓，Ho為發射后通過泄放閥流出發射管的焓，Wt為壓縮空氣推動水雷運動所做的功，Ws為從水雷和發射管環形間隙溢出部分海水所做的功。

將式（9）進行微分，則其微分方程的表達式為：

將壓縮空氣視為理想氣體，根據理想氣體的內能方程和狀態方程，可推導出進入發射管中壓縮空氣的壓力和溫度的表達式為：

1.2.2 發射管內瞬時充氣容積變化率分析

發射前，發射管內注滿海水且發射管前蓋處于完全開啟狀態。當發射開關打開后，發射氣瓶內的壓縮空氣經單向閥進入發射管內做功，建立拋射壓力作用在水雷的受力面積上產生拋射壓力。當作用在前水雷上的拋射壓力達到一定值時，控制前水雷的連接器斷開，解除對前水雷運動的控制；當作用在后水雷上的拋射壓力達到一定值時，控制后水雷的制動裝置斷開，解除對后水雷運動的控制。隨著水雷向前運動，發射管內的容積逐漸增大。為此，發射管內容積變化率的表達式為：

式中，fm為氣密環與水雷之間的環形面積，DC為氣密環的內徑，DM為水雷的直徑，ρ2為海水的密度，S為水雷的橫截面積，vT為水雷的運動速度，φs為海水經氣密環與水雷殼體之間的環形間隙中溢出的流量系數，PT為水雷開始移動所需的壓力。

1.2.3 水雷在發射管內運動分析

不管是發射前雷還是后雷，當發射管內的拋射壓力產生的作用力大于水雷的制動力時，水雷則在拋射壓力的作用下開始運動。根據運動學定律，水雷運動獲得的加速度方程為：

式中，v 為水雷的運動速度，mt為水雷的質量，pTi為拋射壓力的瞬時值，R 為水雷受到的運動阻力。

水雷在運動過程中受到的運動阻力表達式為：

式中，RH為水雷運動時受到的靜水阻力。

由圖1 可以看出，壓縮空氣進入發射管內建立拋射壓力，當拋射壓力達到一定值時，即作用在水雷上的拋射壓力大于阻力時，水雷開始運動。為此，水雷運動的加速度方程可用下式表示：

水雷在拋射壓力的作用下沿著發射管運動，則其運動速度的表達式為：

式中，Pc為發射管中拋射壓力的瞬時值，Pk為開啟單向閥所需的氣壓力，l 為水雷沿著發射管向前運動的行程。

1.2.4 泄放閥排出的氣體流量和熱焓排出率分析

發射時發射能量做功，使水雷獲得安全的出管速度后脫離潛艇。為防止發射管內的空氣隨同水雷一起出管，暴露潛艇的發射陣位，破壞潛艇的隱蔽性，在發射管上安裝一個泄放閥。發射后實時地打開泄放閥，回收發射管內的廢氣。在收回發射后廢氣的同時，為保持潛艇發射水雷前、后的操縱性，還收回定量海水。當泄放閥開啟后，從發射管帶走焓的表達式為：為通過泄放閥排出的氣體流量。

發射后，發射管中廢氣經泄放閥排出的工程中，考慮到對艇內環境的影響和便于控制，通常選擇臨界狀態。在臨界狀態下，發射管內廢氣經泄放閥排出的氣體流量方程式為：

2 水雷內彈道仿真與結果分析

2.1 發射氣瓶環節仿真與結果分析

根據氣動不平衡式發射原理和建立的數學模型，發射氣瓶環節建立的Simulink 仿真模型圖如圖3 所示。

圖3 發射氣瓶環節Simulink 仿真模型圖

依據發射能量和發射氣瓶工作壓力的計算結果，通過輸入發射氣瓶和發射開關的初始狀態參數以及發射深度、發射時艇速等發射參數，可分別求出在不同發射深度條件下，發射氣瓶內壓力變化的仿真曲線圖如圖4 所示。

圖4 發射氣瓶內壓力變化仿真曲線圖

基于不同發射深度的仿真曲線可以看出：

1）發射能量與發射深度成正比，發射深度越大，發射氣瓶內需要儲存的發射能量應越多。

因潛艇艙內空間范圍有限，為滿足安全發射水雷的作戰使用要求，在發射氣瓶容積一定的條件下，需增加發射氣瓶內壓縮空氣的壓力。

2）發射時發射開關打開的持續時間隨發射深度的增加而增加，發射深度越大，發射開關開啟的時間越長，意味著注入到發射管內的發射能量越多。

2.2 發射管環節仿真與結果分析

基于發射管環節的理論分析，建立的Simulink仿真模型圖如圖5 所示。通過改變發射氣瓶初始壓力參數，發射前雷時，發射管內壓力和水雷出管速度的仿真曲線圖如圖6 和圖7 所示。通過改變發射氣瓶初始壓力參數，發射后雷時，發射管內壓力和水雷出管速度的仿真曲線圖如圖8 和圖9 所示。

圖5 發射管環節Simulink 仿真模型圖

圖6 發射前雷時發射管內壓力變化仿真曲線圖

圖7 發射前雷時水雷出管速度仿真曲線圖

圖8 發射后雷時發射管內壓力變化仿真曲線圖

圖9 發射后雷時水雷出管速度仿真曲線圖

在發射氣瓶容積一定的條件下，基于仿真曲線可以看出：

1）發射時發射管內的拋射壓力與發射氣瓶內的壓力成正比。若發射氣瓶內的初始壓力越高，不管是發射前雷還是發射后雷，則壓縮空氣進入發射管內建立的拋射壓力越高；反之越小。

2）發射時水雷的出管速度與拋射壓力成正比。若發射管內的拋射壓力越高，不管是發射前雷還是發射后雷，則水雷的出管速度越高；反之越低。

3 結論

本文基于潛用氣動不平衡式發射裝置“一管兩雷”裝填方式和大深度發射水雷的作戰使用需求，在基于發射能量分析計算的基礎上，進行了發射氣瓶環節和發射管環節的特性分析和建模，利用Simulink 軟件，分別對前水雷和后水雷的彈道特性進行了仿真，獲得的主要研究結論為：

1）目前裝艇使用的發射裝置儲存的發射能量，滿足潛艇開展大深度布雷所需的發射能量需求。

2）發射時，發射深度參數變化對發射開關位移量的影響并不顯著，但對發射開關開啟持續時間的影響顯著。發射深度越大，則發射開關開啟持續時間越長；反之則越短。

3）在發射氣瓶容積一定的條件下，發射氣瓶內初始壓力越高，不管是發射前水雷還是發射后水雷，則發射管內的拋射壓力和水雷的出管速度越高；反之則越小。