水压平衡式鱼雷发射装置发射小型运载器内弹道仿真

李亚男,叶慧娟,张西勇

(海军工程大学 兵器工程系，武汉　430033)



水压平衡式鱼雷发射装置发射小型运载器内弹道仿真

李亚男,叶慧娟,张西勇

(海军工程大学 兵器工程系，武汉430033)

摘要：潜艇防空一直都是各国海军的重点研究领域，使用小型运载器可以实现潜艇发射防空导弹的任务;为验证水压平衡式鱼雷发射装置发射某型潜空导弹的可行性，建立了内埋该型潜空导弹的小型运载器在水压平衡式鱼雷发射管中的运动模型，并对此模型进行了仿真;仿真结果验证了该型防空导弹与鱼雷共架发射的可行性。

关键词：运载器；防空导弹；鱼雷发射管

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.

潜艇能够在大洋深处航行，具有良好的隐蔽性能，素有“水下幽灵”之称[1]。但目前随着反潜技术的不断进步，海水变得更加透明，潜艇一旦被反潜飞机发现、跟踪，几乎很难逃脱[2]。然而随着防空导弹在潜艇上的出现，反潜飞机对抗潜艇时的绝对优势便不复存在，在航空反潜和防空导弹日益发展的今天，重新赋予潜艇对空作战能力，对于提高潜艇的生存能力有着极为重要的现实意义[3-5]。

1运载器在发射管中的布置和发射过程

本文主要对使用水压平衡式鱼雷发射装置发射防空导弹进行研究，水压平衡式鱼雷发射装置只能在水下发射防空导弹，由于防空导弹不能浸水，因此在水下航行阶段需要储存在密封的运载器中。又由于运载器的直径较小，为了实现运载器与鱼雷的共架发射，还需要为运载器配以适配器。以保证运载器能够被发射管装填和发射。适配器的示意图如图1所示。

图1　潜空导弹适配器

适配器的作用有两个：一是实现运载器与鱼雷的共架发射，提高装备的通用性；二是实现运载器在发射管内的选弹，满足选弹发射和齐射要求。适配器(内含运载器)在鱼雷发射装置中的布局如图2所示。

图2　适配器在鱼雷发射管中的布置

发射前，首先将导弹运载器放入适配器管体(共4枚)，然后运用鱼雷装填机构将适配器放入鱼雷发射管，闭合后盖，用手轮调整转盘使其对准一枚导弹运载器，则该枚运载器进入待发状态。

在下达发射指令后按照鱼雷的发射过程进行发射(由于发射所需水量较小，经过计算一个发射气瓶可发射多枚导弹运载器)，然后旋动手轮一周，使转盘开口对准下一枚导弹运载器并可重复上面的发射过程。

2发射过程数学模型

在热力学、动力学及流体力学理论的基础上，根据发射系统工件原理，可得发射系统各子系统的数学模型。发射过程数学描述包括5个部分：发射气瓶和气缸热力学模型、发射阀数学模型、活塞组件运动学模型、水压平衡系统模型、运载器发射管内动力模型。这里主要给出3个重要部分的数学模型。

2.1发射气瓶和气缸热力学模型

发射气瓶是发射能量的储存设备，是整个发射装置的动力源。发射前压缩气体储存能量，发射时气体膨胀，释放能量。蓄压器内气体在发射时其温度曲线介于理想绝热和等温过程之间，气缸充气时其热力学过程更接近绝热过程。由于发射时持续时间很短，因此可以把发射过程中发射气瓶内气体状态的变化过程视为绝热过程，气体设为理想气体。

1) 气瓶热力学模型。由开系热力学系统的能量方程和连续性方程可得[6]：

(1)

(2)

2) 气缸热力学模型。考虑气缸控制体积为Vc、气体质量mc、压力Pc、温度T，则有：

(3)

(4)

R为理想气体常数；Vc0为气缸控制体初始体积；Sc为气缸活塞有效面积；xp为活塞位移。

2.2水压平衡系统模型

在水缸中的海水经气缸活塞的运动被水缸活塞推进发射水舱，继而把海水压入发射管内。应用控制体分析方法，选取适当控制体，并假设压力在各控制体内是均匀的，应用流体弹性理论及连续性方程和动量方程可得到水缸、脉冲水柜及发射管内的压力流量方程。

2.2.1水缸压力变化模型

(5)

(6)

(7)

其中，qw0为水缸特型孔排出的水的流量；Vw为当活塞运动位移为xp时水缸内控制体体积；Vw0为水缸控制体初始体积；φw0为水缸特形孔出水流量系数；Sw为水缸特形孔面积；ρw为海水密度；Pw为水缸压力；Pwc为发射水舱内海水压力；E为水的体积弹性模量；由于水缸活塞工作时选取的控制体只有海水流出，所以流入控制体的水量为0。

2.2.2发射管压力变化模型

同样有发射管压力流量方程如下：

(8)

(9)

Pt为发射管内海水压力；Vt为发射管内运载器后部控制体体积；Vt0为运载器后部控制体初始体积；St为发射管横截面积；xt为运载器在管内位移；qti为脉冲水柜进入发射管水的体积；qt0为运载器与发射管壁缝隙间的流量；其中：

(10)

(11)

Cwi为发射管特形孔流量系数；Sti为特形孔面积；Dt为运载器直径；δ为运载器与发射管间缝隙距离；u为海水运动粘性系数；l为缝隙长度；ΔP为作用在运载器头尾的压力差；vt为运载器运动速度。

2.2.3脉冲水柜压力变化模型

脉冲水柜内海水压力可由以下方程求解：

(12)

式(12)中Vwc为脉冲水柜控制体体积。

2.3运载器发射管内运动学模型

运载器在发射管(适配器)内运动主要受到自身重力、浮力、迎面阻力、摩擦力、推力、海水静压力的作用，在这些力的合力作用下运载器沿着发射管道向前运动[7]。运载器在发射管内的运动如图3所示。

图3　运载器在发射管中的受力示意图

图3中：G为运载器自身的重力；F为运载器受到的浮力；Fx为迎面阻力；fg为管壁摩擦力；PtSt为尾部海水推力；PhSt为外部海水静压力。

在运载器运动过程中，其后面空出的容积由发射水缸的海水补充。运载器后部的海水，以与运载器相同的速度向发射管外运动，且运动的海水质量不断增加。把运动的海水与运载器视为整体，该整体的运动方程为

(13)

(14)

(15)

(16)

其中：mt为运载器质量；mw为随运载器一起运动的海水的质量；μ为摩擦因子(在此取0.3)；Ax为运载器迎面阻力系数；vt为运载器运动速度；vsub为发射艇发射时运动速度；mw0为随运载器运动的海水质量的初始值；xt为运载器的位移。

3仿真过程及结论

根据运载器在发射管中的动力学方程以及发射系统各模块的运动方程，运用Matlab/Simulink作为仿真工具。在Simulink环境下建立运载器在发射管内的运动模型。同时建立的还有发射气瓶、气缸、发射阀、活塞组件、水缸、发射管、脉冲水柜等运动模型。其中，运载器在发射管内的运动模型框图如图4所示。

图4　运载器在发射管内的运动框图

将相关参数的初始值代入到仿真模型中，并运行仿真程序，得到运载器流体阻力、发射管内海水压力、运载器速度、运载器加速度等随时间的变化曲线。

从图5、图6可以看出，发射管内海水压力大约在0.44 s时达到最大值，最大值约为10.1×105Pa。运载器在开始运动的前期加速度并不大，加速度在0.08 s时开始明显有所增加，在0.4 s时加速度达到最大，为50 m/s2，此后加速度逐渐减小，最后运载器的加速度变为负值，说明此时发射管海水压力差所提供的推力小于运载器所受到的阻力(图7、图8)。运载器的速度在加速度为0 m/s2时达到最大，最终运载器脱离发射导轨时的速度为14.6 m/s。可知，采用液压平衡式鱼雷发射装置发射小型运载器的方案是可以实现的。

图5　运载器流体阻力随时间变化

图6　发射管内海水压力

图7　运载器速度

图8　运载器加速度

4结束语

本文建立了可以运载并发射某型防空导弹的小型水下运载器在鱼雷发射管中的内弹道模型，并利用Simulink对发射过程的内弹道进行了仿真，得出了运载器的出管速度。仿真得出的结果验证了鱼雷发射管发射防空导弹的可行性，这对该型防空导弹在潜艇上的使用具有一定的理论指导意义，同时为该型潜空导弹与鱼雷的共架发射提供了理论依据。

参考文献：

[1]宋伟峰．浅谈“空优潜劣”格局在潜空对抗中的演变[J]．文韬武略，2006(3)：51-62．

[2]罗霄，常卫伟.潜空导弹发射技术发展综述[J].舰船科学技术,2010,32(11):146-150.

[3]姚奕，聂永芳，冯林平．潜射导弹运载器水下发射关键技术研究[J]．飞航导弹，2010(2)：56-58．

[4]茹润．国外潜射防空导弹的发展[J]．现代舰船，2008(12)：20-22.

[5]倪火材.潜对空导弹及其水下发射技术的发展[J].舰载武器,2000(3)：9-14.

[6]张孝芳,胡坤,由文立.液压平衡式水下鱼雷发射系统活塞缓冲特性数值仿真[J].兵工学报,2011,32(9)：45-52.

[7]张孝芳，王树宗，练永庆．气动水压式水下运载器发射系统建模与仿真[J]．系统仿真学报，2009(10)：3092-3095．

(责任编辑周江川)

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

文章编号：1006-0707(2016)02-0041-04

中图分类号：TJ630

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.011

作者简介：李亚男(1988—)，男，硕士研究生，主要从事武器系统与运用工程的研究。

收稿日期：2015-06-25；修回日期：2015-07-20

本文引用格式：李亚男,叶慧娟,张西勇.水压平衡式鱼雷发射装置发射小型运载器内弹道仿真[J].兵器装备工程学报，2016(2):41-44.

【装备理论与装备技术】