液压蓄能式鱼雷发射装置内弹道建模与仿真

田 兵, 王树宗, 练永庆



液压蓄能式鱼雷发射装置内弹道建模与仿真

田 兵, 王树宗, 练永庆

(海军工程大学 兵器新技术应用研究所, 湖北 武汉, 430033)

液压蓄能式鱼雷发射装置以其低发射噪声、无舱室增压等优点备受各国海军青睐。为研究该型鱼雷发射装置的内弹道特性, 该文在其结构及发射原理基础上, 通过合理简化及假设建立了该装置发射过程的内弹道模型,并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真计算。仿真结果表明, 建立的内弹道模型能基本反映该装置的内弹道特性, 为装置的工程设计提供了依据。要使其内弹道性能满足要求, 应结合该装置的具体战技指标来确定装置的结构参数及初始能量储备。

鱼雷发射装置; 液压蓄能式; 内弹道; 建模与仿真

0 引言

潜艇鱼雷发射噪声主要来自于压缩空气排气噪声、武器出管时的流体噪声和发射瞬间引起的机械振动等。在以压缩空气作为发射工质的鱼雷发射装置中, 普遍存在的问题就是发射时强烈的排气噪声和舱室瞬时压力的增高。

当前, 广泛使用的气水缸往复活塞液压平衡式鱼雷发射装置和空气涡轮泵式鱼雷发射装置都使用压缩空气作能源, 发射时不可避免地会产生排气噪声, 这不仅破坏潜艇的隐蔽性, 而且影响艇员的身心健康。虽然各国在有源发射方式的鱼雷发射装置中, 增加了消声装置, 对发射后的废气采取快速回收和慢速释放等措施, 但并未从根本上解决存在的问题[1]。

为此, 探索新的发射能源和发射技术, 是各国共同面对的现实问题。为了消除和降低舱内排气噪声, 许多国家都致力于研制不使用压缩空气作能源的发射装置, 德国等国在20世纪80年代开始研制的液压蓄能式鱼雷发射装置，美国研制的弹性发射装置以及电磁式发射装置是其中的典型代表[1]。

1 基本结构及工作原理

液压蓄能式鱼雷发射装置(见图1)主要是在往复活塞水压平衡式发射装置的基础上, 对高压空气系统进行改进, 采用液压蓄压器代替高压空气瓶, 用油缸代替气缸。该装置主要由油缸、蓄压器、程控发射阀、氮气瓶、油泵、油箱和截止阀等组成[3]。

图1 液压蓄能式鱼雷发射装置结构示意图

该装置的发射原理是: 发射前通过油泵向蓄压器内皮囊的外腔注入油液, 油液压缩皮囊内的氮气, 通过蓄压的方式存储发射能量。发射时, 首先关闭油缸前、后腔之间的截止阀, 使程控发射阀按一定规律打开, 控制油缸回油通道面积, 油缸后腔与油箱相通, 蓄压器内的压力推动活塞移动至油缸尾部极限位置, 海水经发射水舱、滑套阀进入相应的发射管, 推动武器出管, 在武器出管运动后, 关闭程控发射阀, 活塞停止运动。发射完成后, 打开油缸前、后腔之间的截止阀, 由于活塞两端受压面积不同, 蓄压器内剩余压力可将活塞推向其初始待发位置。

从液压蓄能式鱼雷发射装置的结构及工作原理可以看出, 该装置属于液压平衡式发射装置, 其发射所需能量不受发射深度的影响, 而且由于采用活塞拉压式, 发射深度越大, 海水静压提供的动力越大。在发射过程中, 由于没有高压空气的泄放, 因此不会造成舱室增压, 也没有排气噪声, 而且该装置可以通过程控发射阀对内弹道进行控制, 以便于在不同环境下发射不同种类武器, 这些都是液压蓄能式鱼雷发射装置倍受欢迎之所在。

2 内弹道数学模型

2.1 基本假设

1) 发射过程为绝热过程, 蓄压器与外界无热交换; 2) 发射管、水缸、发射水舱及油缸前后腔内压力均匀[4]; 3) 为便于分析, 在建模与仿真分析中用1个蓄压器等效2~3个蓄压器; 4) 在计算蓄压器内气体膨胀时, 假设高压油不可压缩, 即气体膨胀的体积等于液压油从蓄压器流入油缸前腔的体积; 5) 发射过程中忽略蓄压器与油缸前腔的压力差, 即假设蓄压器内压力与油缸前腔压力相等。

2.2 蓄压器

由假设1)和3), 根据绝热过程气体状态方程得蓄压器内气体压力变化为

式中:P为蓄压器中气体的压力;P0为蓄压器中气体的初始压力;V为蓄压器中气体的体积;V0则为蓄压器中气体的初始体积;为空气比热比(或称绝热指数)。

再由假设4)，知

式中:S为油缸的横截面积;S为活塞杆的横截面积;x为活塞的行程。

2.3 油缸后腔压力模型

发射过程中, 油缸后腔的压力为

式中:P为油缸后腔压力；为液压油的体积弹性模量;V0为油缸后腔初始容积;q为流经发射阀的液压油流量。

按下式计算

式中:为油缸后腔的初始压力；P为外部海水静压。

根据流量公式,q的表达式为

式中:C为液压油流量系数;S为发射阀开启面积;为液压油的密度;P为潜艇舱室压力。

2.4 发射阀开启面积

发射阀开启规律是发射装置设计的重点和难点, 不仅要求有良好的启闭特性, 而且要对内弹道起控制作用。在此采用理想的快开快闭阀来代替发射阀, 其开启规律如图2所示。

图2 发射阀开启面积

2.5 活塞组件运动模型

活塞组件在发射过程中受到油缸前后腔、水缸前后腔的压力以及摩擦力的作用, 根据牛顿第二定律, 活塞组件的运动模型

式中:S为水缸活塞横截面积;F为活塞组件受到的摩擦力;P为水缸压力。

2.6 水缸压力模型

发射过程中, 油缸活塞通过活塞杆带动水缸活塞向后运动, 水缸活塞把水压入发射水舱, 水缸中的压力变化为

由水缸流入发射水舱的水的流量

2.7 发射水舱压力模型

发射水舱压力变化为

式中:q为水缸流入发射水舱的水的流量,q=q0;V为发射水舱水的体积;q0为发射水舱流入发射管的水的流量,且

式中:S为滑套阀开启面积;P为发射管内压力。

2.8 发射管内压力模型

发射过程中, 水缸中的水通过滑套阀的特形孔被压入发射管内, 使得发射管内压力升高, 其压力变化模型为

式中:q为发射水舱流入发射管的水的流量,q=q0;v为鱼雷管内速度;x为鱼雷管内位移;S为鱼雷横截面积;V0为发射管内水初始体积;q0为鱼雷与发射管之间的水的泄流量，且

2.9 鱼雷管内运动模型

鱼雷所受的力有重力、浮力、迎面阻力、管壁摩擦力、尾部海水推压以及外部海水静压力, 把运动的海水与鱼雷视为一个整体, 其运动方程为

3 内弹道仿真与分析

根据内弹道数学模型, 在MATLAB/Simulink环境下建立内弹道仿真模型, 采用文献[4]中相关结构参数进行仿真计算, 得到的仿真结果如图3~图10所示。其中发射条件: 发射深度为50 m, 潜艇航速为3 kn。

图3 鱼雷管内位移曲线

图4 鱼雷速度曲线

图5 鱼雷加速度曲线

图6 膛压曲线

图7 发射气瓶压力曲线

图8 油缸后腔压力曲线

图9 活塞组件速度曲线

图10 活塞组件加速度曲线

从仿真结果可以看出, 鱼雷出管时间约为0.55 s, 膛压与鱼雷的加速度变化规律一致; 鱼雷在管内的速度先增大后逐渐减小, 有一个很明显的峰值, 最大加速度达到了110.8 m/s2, 出管速度为13.83 m/s; 活塞在发射阀打开一段时间后才开始运动, 并且其运动速度为先增大后减小, 这是由于发射阀的启闭所造成的; 发射气瓶压力在活塞开始运动后从13 MPa逐渐降到5.2 MPa; 油缸后腔压力先急剧减小, 然后变化比较平稳, 到发射末段又增大, 这是因为发射阀一打开, 其压力由于液压油的泄放而减小, 在活塞向后开始运动后又挤压后腔的油液, 使得后腔油液压力变化平稳, 到发射末端, 由于发射阀的关闭, 油液泄放量逐渐减小, 而活塞由于惯性进一步挤压后腔油液, 因此造成后腔油液压力在发射末段的增高。

总之, 仿真结果能反映出发射过程的基本变化规律, 但是仿真所用的结构参数并不能满足发射要求, 例如鱼雷发射时最大膛压高达110.8 m/s2, 这对鱼雷的结构是很不利的, 最大膛压达到0.78 MPa, 超出了文献[1]中提出的抛射压力小于0.6 MPa的指标, 因此发射装置的结构参数及发射能量需要按照发射装置的战技指标进行调整, 进行合理优化。

4 结束语

根据液压蓄能式鱼雷发射装置结构及工作原理, 本文建立了该装置内弹道模型。通过对内弹道模型的仿真计算, 显示内弹道模型能反映出液压蓄能式鱼雷发射装置的内弹道特性, 为该装置的结构参数设计及优化打下了基础。研究认为, 应结合该装置的具体战技指标, 进一步确定装置的结构参数, 使该装置的内弹道性能满足要求。

[1] 王云. 潜艇低噪声武器发射装置之液压发射系统概论[J]. 鱼雷与发射技术, 2000, (4): 36-39.

[2] 郭关柱, 王云. 低噪声鱼雷发射技术之探讨[J]. 鱼雷与发射技术, 2002, (2): 23-30.

[3] 王云. 蓄能式潜艇鱼雷发射装置液压平衡系统原理探讨[J]. 水中兵器, 2001, (2): 42-46.

[4] 张孝芳, 王树宗, 练永庆. 气动水压式水下武器发射系统建模与仿真[J]. 系统仿真学报, 2009, 21(10): 3092-3095. Zhang Xiao-fang, Wang Shu-zong, Lian Yong-qin. Modeling and Simulation of Pneumatic and Hydraulic Underwater Weapon Launching System[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(10): 3092-3095.

Inner Trajectory Modeling and Simulation of Hydraulic Energy Accumulated Torpedo Launcher

TIAN Bing, WANG Shu-zong, LIAN Yong-qing

(New Weaponry Technology & Application Research Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

For its low launching noise and absence of increasing pressure in chamber, the hydraulic energy accumulated torpedo launcher has held navies′ interest around the world. In this paper, to research the inner trajectory characteristic of the launcher, an inner trajectory model for the launching course is built on the basis of the structure and launching theory by proper simplification and hypothesis. Simulation is performed with MATLAB/Simulink, and the result shows the validity of the model. Tactical and technical indexes of the launcher should be considered in determination of its structure parameters and initial energy storage to meet the requirement for inner trajectory characteristic.

torpedo launcher; hydraulic energy accumulated; inner trajectory; modeling and simulation

TJ635

A

1673-1948(2011)01-0068-04

2010-07-15;

2010-09-03.

田 兵(1983-), 男, 在读博士, 研究方向为水中兵器发射理论与技术.

(责任编辑: 杨力军)