液压平衡式发射装置自航发射内弹道模型与仿真

秦 楠，马 亮，秦庚申

（1.海军潜艇学院，山东 青岛 266044；2.解放军92330部队，山东 青岛 266102）

液压平衡式发射装置自航发射内弹道模型与仿真

秦 楠1，马 亮1，秦庚申2

（1.海军潜艇学院，山东 青岛 266044；2.解放军92330部队，山东 青岛 266102）

基于装备情况，探讨了潜艇液压平衡式发射装置自航发射鱼雷的可行方案，并建立了后端自流补水的自航发射方式的内弹道模型，进行了计算机仿真。通过试验结果描述鱼雷螺旋桨工作特性，分析了自航发射鱼雷出管速度偏低的原因，并提出改进措施。

自航发射，内弹道模型，仿真，出管速度

引言

潜艇液压平衡式鱼雷发射装置可以实现较大发射深度，但气液缸机构尺寸与重量都比较大，有较大的机械噪声与流体噪声。而潜艇自航式发射装置没有气动性噪声（喷注噪声与排气噪声），也没有发射装置附属机械噪声，具有较好的安静性。在不改动现役装备的前提下，对液压平衡式发射装备增加自航功能的研究，对降低潜艇发射噪声以及提高发射装置的通用性具有重大的意义。本文参照自航发射相关文献［1-3］，针对液压平衡式发射装置采用后端自流补水自航发射鱼雷进行研究，重新建立了内弹道模型，并进行了编程仿真。同时，对液压平衡式发射装置自航发射鱼雷进行分析。

1 采用后端自流补水的自航发射方式

自航式发射装置普遍采用大口径发射管前端补水的方式以达到相应的出管速度，因此，在不改动发射管结构的前提下首先要探讨的是采用前端补水的可能性。某型液压平衡式发射装置为保证潜艇在发射武器时，使压力海水充分作用在武器上，在前管后部焊有气密环，如果单纯依靠前端补水的自航发射，发射管与鱼雷之间只有3 mm～4 mm的间隙，显然不能形成有效的补水通道，即某型液压平衡式发射装置单纯采用前端补水是不可能实现自航发射的。因此，很有必要探讨利用液压平衡式发射管的后端进水通道实现补水，以实现自航发射的可能性。图1是这种设想的原理图，图中省略了液压平衡式发射系统的结构，只留下了发射管管体和进水通道的示意图。后端补水的设想是，鱼雷在发射管中启动动力系统，动力系统带动推进器工作，推进器推动鱼雷向管外运动，鱼雷前移导致的发射管内增大的空间由通过水道进来的海水予以填充，从而实现补水［4］。

图1 后端自流补水原理图

2 模型的建立

2.1 内弹道方程的几点假设

在大口径的管状发射管中，自航鱼雷是在非常局限的边界条件下运动的，鱼雷的速度及其周围的补水流速不断变化，使鱼雷在非定常流场中运动，所以鱼雷内弹道运动情况极为复杂。为简化模型计算方便，研究中假设为定常流场计算鱼雷阻力和流体阻力，鱼雷管内的运动处于紊流流场中；当潜艇航行深度大于3 m时，兴波阻力可为0 N；忽略鱼雷的重心、浮心和流体动力压力引起的力矩影响;附加质量取理想流体中运动时相同的值计算。本文所指的内弹道是指鱼雷尾端面离开发射管前端面之前的运动轨迹。

2.2 内弹道方程的建立

图2 鱼雷受力示意图

2.2.1 鱼雷管内运动模型

由于螺旋桨开始工作后不能马上产生克服流体阻力使鱼雷前进的力，因此，结合实际情况并根据鱼雷受力情况建立鱼雷管内运动方程

mT为鱼雷质量；λ11为鱼雷在运动方向上的附加质量；PT为鱼雷螺旋桨推力瞬时值；Rxi为鱼雷所受的流体运动阻力瞬时值；Rfi为鱼雷所受的流体沿程损失阻力瞬时值；Fm为鱼雷与自航发射管之间的机械摩擦阻力；vT为鱼雷在管内运动速度。

（1）鱼雷在运动方向的附加质量λ11按式（1）求得：

式（1）中：dT（x）为鱼雷纵向坐标x处的壳体直径，lT为鱼雷长度；ρh为海水密度；μx为壳体附加质量系数，对于现有的鱼雷μx一般在0.02～0.04之间。

（2）螺旋桨推力Pt

鱼雷螺旋桨产生的推力的大小及其变化与鱼雷电机和螺旋桨有关，是时间、转速、直径、雷速、介质密度、发射管管径、补水流速等的函数。某型鱼雷为双轴对转螺旋桨，其推力可表示为：

式（2）中：Kqt为前桨推力系数；Kht为后桨推力系数；Dq为前桨直径，m；Dh为后桨直径，m；t为推力减额系数；ρ为流体介质密度，kg/m3；ni为螺旋桨转速瞬时值，r/s。其中，前桨推力系数可表示为：

后桨推力系数可表示为：

式中：Jqt、Jht分别为前、后桨的进速比，且有

式中：WP为水流与螺旋桨叶的相对速度，m/s；ω为伴流系数；Vt为鱼雷运动速度，m/s；UP为螺旋桨处的补水速度瞬时值，m/s；Dtw为螺旋桨处鱼雷横截面直径，m；Dtaw为螺旋桨处的发射管内径，m。

由于管内非常局限性边界条件的影响，使螺旋桨转速随时间的变化规律呈现出有别于敞水状态的非规则运动，为此，采用由试验数据回归出的函数关系式表示螺旋桨转速与时间的关系，如下所示：

式中：χ为电机启动系数。

（3）鱼雷的流体运动阻力Rxi

鱼雷的流体运动阻力Rxi按下式计算：

式（3）中：Cxi为鱼雷形状阻力系数；ΩT为鱼雷的沾湿面积。

式中：Cw为鱼雷形状阻力系数；Cf为摩擦阻力系数，当鱼雷细长比为10～12时，Cw=0.375 Cf。Cf的值可以采用光滑平板的阻力系数进行估算，用式表示为：

式中：Re为雷诺数。假定鱼雷在管内运动过程中，其表面的流体附面层为紊流。紊流情况下Re表达式为：

式中：为海水运动黏度系数，当海水温度为5℃时，υ=1.561 7×10-6m2/s。

（4）沿程阻力Rfi

沿程损失是由于流体与管体之间的摩擦而引起的流体能量损失，以雷体前后端截面、发射管管壁所包围的流体为对象，研究其流体能量损失。

由沿程阻力的表达形式，转化为雷体的受力：

式中：λi为流体的沿程损失系数瞬时值；cg为自航发射管的粗糙度；rw为计算流体沿程损失时计算段流体的水力半径；Shj、lhj分别为计算流体沿程损失时计算段处发射管与鱼雷之间流通截面的横截面积与沾湿周长；dTf、dgf、ufi、lf分别为计算流体沿程损失时计算段处鱼雷直径、发射管直径、补水速度瞬时值以及流体长度。

（5）鱼雷与自航发射管之间的机械摩擦力Fm

机械摩擦阻力Fm与鱼雷浮力、壳体材料、自航发射管导轨的材料有关，可按式（5）计算：

式（5）中：μ为鱼雷与自航发射管之间的摩擦系数；BT为鱼雷浮力。

2.2.2 发射管内海水压力变化模型

式（6）中：pg为发射管内海水压强；vT为鱼雷在发射管内运动速度；Vg0为发射管内鱼雷后部海水初始体积；S为发射管横截面积，可按下式计算：

qgi为发射水舱进入发射管海水流量，可按下式计算：

式中，φwi为发射管滑套阀进水流量系数，Sht为滑套阀进水孔面积，psc为发射水舱海水压力，无动力自流补水时发射水舱压力为海水静压力。qg0为鱼雷发射管间隙流量，可按下式计算：

式中，dT为鱼雷直径，sf为鱼雷和发射管间隙直径，pc发射管内膛压，δ海水运动粘性系数，lx发射管间隙长度。

2.3 仿真计算及分析

2.3.1 仿真计算

仿真时，取摩擦系数0.25，其发射管壁的粗糙度取0.012。鱼雷前螺旋桨直径为0.42，后螺旋桨直径为0.41，电机启动系数为18，螺旋桨提供的总推力分为推力减额（或附加阻力）和雷体-螺旋桨系统中桨提供的净推力。仿真过程中，当计算螺旋桨推力时，考虑到了推力减额值，推力减额系数由经验知，取值范围在0.15～0.27，本文取0.16。同时考虑雷体的伴流速度，雷体伴流系数一般取值为0.18～0.23，本文取0.2。为简化计算，把某型鱼雷尾椎段看作圆锥体。

2.3.2 仿真计算及结果分析

按照模型进行了自航发射的仿真试验，对应所得仿真曲线如图4、图5所示。

图3 鱼雷行程、雷速与时间仿真曲线

图4 鱼雷行程与雷速的仿真曲线

图5 螺旋桨转速随时间的变化曲线

①如图3、图4所示，采用后端补水自航发射的鱼雷启动后缓慢增速，出管速度偏低且出管时间较长，这是因为管内非常局限边界条件的影响使螺旋桨转速随时间的变化规律呈现出有别于敞水状态的非规则运动。当发射鱼雷时电机低速启动，螺旋桨必须经过一定时间才能达到额定转速，也就是说螺旋桨转速是随着时间的变化而不断增大，经过一定时间才能达到额定转速。由图5可知，鱼雷螺旋桨在出管前尚未达到额定转速31 r/s，因此，可以得出采用后端自流补水自航发射鱼雷出管速度偏低的原因主要是鱼雷螺旋桨在出管前远没有达到或接近额定转速。

②如图4所示，液压平衡式发射装置采用后端自流补水自航发射鱼雷时，潜艇的航速对鱼雷的出管速度和出管时间影响比较大。在有艇速的情况下，鱼雷所受的流体阻力增大，鱼雷启动后其螺旋桨需达到一定转速，才能产生足够的推力克服阻力使鱼雷运动。此外有艇速时流体阻力的增大也使得鱼雷加速度减小，导致了鱼雷出管速度降低、出管时间延长。

3 结论

自航式鱼雷发射装置结构简单，节省了外部能源和安装空间，并且发射时不需潜艇额外提供能量，没有发射时形成的机械噪声，提高了潜艇的隐蔽性。世界上不少国家还为自航管增加了一些辅助装置甚至动力发射系统（空气发射系统或液压机构），这样自航加助推可有效提高鱼雷出管速度，同时可以布放水雷和发射导弹，配置相应的适配器，实现一管多用，这些尝试给予人们很大的启示。

实验结果表明，某型液压平衡式发射装置采用后端自流补水自航发射鱼雷出管速度较低，暂时不能满足作战使用需求和发射安全性要求。而究其原因，主要是由于鱼雷螺旋桨还没有达到额定转速。如果适当注入发射能量并与自航相结合，即采用有动力后端补水自航发射鱼雷，或设计一种约束装置将鱼雷制动在发射管内，当鱼雷螺旋桨达到一定转速时才解除对鱼雷的制动，可以有效增大鱼雷出管速度，相关结果还需要进一步深入研究。

［1］王燕飞，张振山.自航发射鱼雷内弹道模型与仿真研究［J］.系统仿真学报，2006，18（2）:316-318.

［2］欧阳辉旦，程广涛，张振山，等.自航发射鱼雷内弹道模型与仿真［J］.鱼雷技术，2009，17（1）:48-51.

［3］孙柱国.自航式鱼雷发射装置［C］//发射技术论文集，昆明：705所昆明分部，2000.

［4］张振山，程广涛，梁伟阁.潜艇自航发射鱼雷的若干问题［J］.海军工程大学学报，2012，24（4）:58-62.

Modeling and Simulation of Interior Trajectory for Torpedo Swim-out Launching of Submarine Hydraulic and Balanceable Launching Equipment

QIN Nan1，MA Liang1，QIN Geng-shen2
（1.Naval Submarine Academy，Qingdao 266044，China；2.Unit 92330 of PLA，Qingdao 266102，China）

Based on equipment condition，the feasible swim-out launching project of submarine hydraulic and balanceable launching equipment and 534 diameter torpedos is discussed，and the interior trajectory mathematical model for torpedo swim-out launching is set up.The computer simulation is made.The working characteristics of the torpedo propeller are described based on the experimental results，the causes of low launching speed is analyzed，and improvement measures are put forward.

swim-out launching，interior trajectory model，simulation，launching speed

TP391.9

A

1002-0640（2014）09-0087-04

2013-06-25

2013-09-13

秦 楠（1988- ），女，山东青岛人，硕士。研究方向：潜射武器作战使用研究。