李亞男,葉慧娟,張西勇

(海軍工程大學 兵器工程系，武漢　430033)

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水壓平衡式魚雷發(fā)射裝置發(fā)射小型運載器內彈道仿真

李亞男,葉慧娟,張西勇

(海軍工程大學 兵器工程系，武漢430033)

摘要：潛艇防空一直都是各國海軍的重點研究領域，使用小型運載器可以實現潛艇發(fā)射防空導彈的任務;為驗證水壓平衡式魚雷發(fā)射裝置發(fā)射某型潛空導彈的可行性，建立了內埋該型潛空導彈的小型運載器在水壓平衡式魚雷發(fā)射管中的運動模型，并對此模型進行了仿真;仿真結果驗證了該型防空導彈與魚雷共架發(fā)射的可行性。

關鍵詞：運載器；防空導彈；魚雷發(fā)射管

Citation format:LI Ya-nan, YE Hui-juan, ZHANG Xi-yong.Simulation of Launch Vehicle’s Internal Trajectory in Hydraulic Equalized Torpedo Launcher[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):41-44.

潛艇能夠在大洋深處航行，具有良好的隱蔽性能，素有“水下幽靈”之稱[1]。但目前隨著反潛技術的不斷進步，海水變得更加透明，潛艇一旦被反潛飛機發(fā)現、跟蹤，幾乎很難逃脫[2]。然而隨著防空導彈在潛艇上的出現，反潛飛機對抗?jié)撏r的絕對優(yōu)勢便不復存在，在航空反潛和防空導彈日益發(fā)展的今天，重新賦予潛艇對空作戰(zhàn)能力，對于提高潛艇的生存能力有著極為重要的現實意義[3-5]。

1運載器在發(fā)射管中的布置和發(fā)射過程

本文主要對使用水壓平衡式魚雷發(fā)射裝置發(fā)射防空導彈進行研究，水壓平衡式魚雷發(fā)射裝置只能在水下發(fā)射防空導彈，由于防空導彈不能浸水，因此在水下航行階段需要儲存在密封的運載器中。又由于運載器的直徑較小，為了實現運載器與魚雷的共架發(fā)射，還需要為運載器配以適配器。以保證運載器能夠被發(fā)射管裝填和發(fā)射。適配器的示意圖如圖1所示。

圖1　潛空導彈適配器

適配器的作用有兩個：一是實現運載器與魚雷的共架發(fā)射，提高裝備的通用性；二是實現運載器在發(fā)射管內的選彈，滿足選彈發(fā)射和齊射要求。適配器(內含運載器)在魚雷發(fā)射裝置中的布局如圖2所示。

圖2　適配器在魚雷發(fā)射管中的布置

發(fā)射前，首先將導彈運載器放入適配器管體(共4枚)，然后運用魚雷裝填機構將適配器放入魚雷發(fā)射管，閉合后蓋，用手輪調整轉盤使其對準一枚導彈運載器，則該枚運載器進入待發(fā)狀態(tài)。

在下達發(fā)射指令后按照魚雷的發(fā)射過程進行發(fā)射(由于發(fā)射所需水量較小，經過計算一個發(fā)射氣瓶可發(fā)射多枚導彈運載器)，然后旋動手輪一周，使轉盤開口對準下一枚導彈運載器并可重復上面的發(fā)射過程。

2發(fā)射過程數學模型

在熱力學、動力學及流體力學理論的基礎上，根據發(fā)射系統(tǒng)工件原理，可得發(fā)射系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數學模型。發(fā)射過程數學描述包括5個部分：發(fā)射氣瓶和氣缸熱力學模型、發(fā)射閥數學模型、活塞組件運動學模型、水壓平衡系統(tǒng)模型、運載器發(fā)射管內動力模型。這里主要給出3個重要部分的數學模型。

2.1發(fā)射氣瓶和氣缸熱力學模型

發(fā)射氣瓶是發(fā)射能量的儲存設備，是整個發(fā)射裝置的動力源。發(fā)射前壓縮氣體儲存能量，發(fā)射時氣體膨脹，釋放能量。蓄壓器內氣體在發(fā)射時其溫度曲線介于理想絕熱和等溫過程之間，氣缸充氣時其熱力學過程更接近絕熱過程。由于發(fā)射時持續(xù)時間很短，因此可以把發(fā)射過程中發(fā)射氣瓶內氣體狀態(tài)的變化過程視為絕熱過程，氣體設為理想氣體。

1) 氣瓶熱力學模型。由開系熱力學系統(tǒng)的能量方程和連續(xù)性方程可得[6]：

(1)

(2)

2) 氣缸熱力學模型?？紤]氣缸控制體積為Vc、氣體質量mc、壓力Pc、溫度T，則有：

(3)

(4)

R為理想氣體常數；Vc0為氣缸控制體初始體積；Sc為氣缸活塞有效面積；xp為活塞位移。

2.2水壓平衡系統(tǒng)模型

在水缸中的海水經氣缸活塞的運動被水缸活塞推進發(fā)射水艙，繼而把海水壓入發(fā)射管內。應用控制體分析方法，選取適當控制體，并假設壓力在各控制體內是均勻的，應用流體彈性理論及連續(xù)性方程和動量方程可得到水缸、脈沖水柜及發(fā)射管內的壓力流量方程。

2.2.1水缸壓力變化模型

(5)

(6)

(7)

其中，qw0為水缸特型孔排出的水的流量；Vw為當活塞運動位移為xp時水缸內控制體體積；Vw0為水缸控制體初始體積；φw0為水缸特形孔出水流量系數；Sw為水缸特形孔面積；ρw為海水密度；Pw為水缸壓力；Pwc為發(fā)射水艙內海水壓力；E為水的體積彈性模量；由于水缸活塞工作時選取的控制體只有海水流出，所以流入控制體的水量為0。

2.2.2發(fā)射管壓力變化模型

同樣有發(fā)射管壓力流量方程如下：

(8)

(9)

Pt為發(fā)射管內海水壓力；Vt為發(fā)射管內運載器后部控制體體積；Vt0為運載器后部控制體初始體積；St為發(fā)射管橫截面積；xt為運載器在管內位移；qti為脈沖水柜進入發(fā)射管水的體積；qt0為運載器與發(fā)射管壁縫隙間的流量；其中：

(10)

(11)

Cwi為發(fā)射管特形孔流量系數；Sti為特形孔面積；Dt為運載器直徑；δ為運載器與發(fā)射管間縫隙距離；u為海水運動粘性系數；l為縫隙長度；ΔP為作用在運載器頭尾的壓力差；vt為運載器運動速度。

2.2.3脈沖水柜壓力變化模型

脈沖水柜內海水壓力可由以下方程求解：

(12)

式(12)中Vwc為脈沖水柜控制體體積。

2.3運載器發(fā)射管內運動學模型

運載器在發(fā)射管(適配器)內運動主要受到自身重力、浮力、迎面阻力、摩擦力、推力、海水靜壓力的作用，在這些力的合力作用下運載器沿著發(fā)射管道向前運動[7]。運載器在發(fā)射管內的運動如圖3所示。

圖3　運載器在發(fā)射管中的受力示意圖

圖3中：G為運載器自身的重力；F為運載器受到的浮力；Fx為迎面阻力；fg為管壁摩擦力；PtSt為尾部海水推力；PhSt為外部海水靜壓力。

在運載器運動過程中，其后面空出的容積由發(fā)射水缸的海水補充。運載器后部的海水，以與運載器相同的速度向發(fā)射管外運動，且運動的海水質量不斷增加。把運動的海水與運載器視為整體，該整體的運動方程為

(13)

(14)

(15)

(16)

其中：mt為運載器質量；mw為隨運載器一起運動的海水的質量；μ為摩擦因子(在此取0.3)；Ax為運載器迎面阻力系數；vt為運載器運動速度；vsub為發(fā)射艇發(fā)射時運動速度；mw0為隨運載器運動的海水質量的初始值；xt為運載器的位移。

3仿真過程及結論

根據運載器在發(fā)射管中的動力學方程以及發(fā)射系統(tǒng)各模塊的運動方程，運用Matlab/Simulink作為仿真工具。在Simulink環(huán)境下建立運載器在發(fā)射管內的運動模型。同時建立的還有發(fā)射氣瓶、氣缸、發(fā)射閥、活塞組件、水缸、發(fā)射管、脈沖水柜等運動模型。其中，運載器在發(fā)射管內的運動模型框圖如圖4所示。

圖4　運載器在發(fā)射管內的運動框圖

將相關參數的初始值代入到仿真模型中，并運行仿真程序，得到運載器流體阻力、發(fā)射管內海水壓力、運載器速度、運載器加速度等隨時間的變化曲線。

從圖5、圖6可以看出，發(fā)射管內海水壓力大約在0.44 s時達到最大值，最大值約為10.1×105Pa。運載器在開始運動的前期加速度并不大，加速度在0.08 s時開始明顯有所增加，在0.4 s時加速度達到最大，為50 m/s2，此后加速度逐漸減小，最后運載器的加速度變?yōu)樨撝?，說明此時發(fā)射管海水壓力差所提供的推力小于運載器所受到的阻力(圖7、圖8)。運載器的速度在加速度為0 m/s2時達到最大，最終運載器脫離發(fā)射導軌時的速度為14.6 m/s?？芍?，采用液壓平衡式魚雷發(fā)射裝置發(fā)射小型運載器的方案是可以實現的。

圖5　運載器流體阻力隨時間變化

圖6　發(fā)射管內海水壓力

圖7　運載器速度

圖8　運載器加速度

4結束語

本文建立了可以運載并發(fā)射某型防空導彈的小型水下運載器在魚雷發(fā)射管中的內彈道模型，并利用Simulink對發(fā)射過程的內彈道進行了仿真，得出了運載器的出管速度。仿真得出的結果驗證了魚雷發(fā)射管發(fā)射防空導彈的可行性，這對該型防空導彈在潛艇上的使用具有一定的理論指導意義，同時為該型潛空導彈與魚雷的共架發(fā)射提供了理論依據。

參考文獻：

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(責任編輯周江川)

Simulation of Launch Vehicle’s Internal Trajectory in Hydraulic Equalized Torpedo Launcher

LI Ya-nan, YE Hui-juan, ZHANG Xi-yong

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:Submarine air defense is one of the important research areas of the navies, and using small carriers can achieve the goal of launching anti-aircraft missiles in submarines. In order to confirm the reliability of launching an anti-aircraft missile by the hydraulic equalized torpedo launcher, we established a motion model of a small carrier, which contained the anti-aircraft missile, in the hydraulic equalized torpedo launcher and simulated it. The simulation results testified the feasibility of the common frame launching between this anti-aircraft missiles and torpedo.

Key words:launch vehicle; anti-aircraft missile; torpedo launcher

文章編號：1006-0707(2016)02-0041-04

中圖分類號：TJ630

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.011

作者簡介：李亞男(1988—)，男，碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)與運用工程的研究。

收稿日期：2015-06-25；修回日期：2015-07-20

本文引用格式：李亞男,葉慧娟,張西勇.水壓平衡式魚雷發(fā)射裝置發(fā)射小型運載器內彈道仿真[J].兵器裝備工程學報，2016(2):41-44.

【裝備理論與裝備技術】