钢丝绳气缸式弹射装置陆上及水下发射内弹道对比分析

2018-09-02闫晴霄李鹏永常书丽

舰船科学技术 2018年8期

闫晴霄，李鹏永，常书丽

(1. 郑州机电工程研究所，河南郑州 450015；2. 河南省水下智能装备重点实验室，河南郑州 450015)

0 引言

在目前的导弹武器系统发射技术中，与其他发射技术相比，弹射技术具有其独特的优点，因而从20世纪50年代末期开始，弹射技术得到了广泛的发展和应用。分别有以压缩空气、燃气、燃气-蒸汽等为工质的弹射装置，从发射装置的形式来分类，主要有筒式弹射和气缸式弹射2种，本文所述的钢丝绳气缸式弹射装置是在气缸式弹射装置的一种形式。

1 弹射器结构形式及技术方案

1.1 钢丝绳气缸式弹射装置简介

钢丝绳气缸式弹射装置主要由钢丝绳、气缸、活塞机构、滑轮机构、产气装置（燃气发生器）、集气装置等部分组成，具体结构形式如图1所示。其主要工作过程如下：当接收到发射指令后，燃气发生器点火器起爆，引燃点火药，点火药产生的高温燃气点燃主装药，之后主装药按设计规律燃烧产生高温、高压燃气，燃气流经过燃气发生器下部出口喷出，通过导流管从气缸上部进入气缸内部，随后推动活塞按预定规律向下运动，并通过提拉弹底板使导弹随之运动，当活塞运动到底部的时候，弹底板与提拉装置分离，随后导弹随弹底板继续在筒内运动直至出筒。

1.2 钢丝绳气缸式弹射装置特点

钢丝绳气缸式弹射装置与筒式弹射装置相比，具有以下特点：

1）筒式弹射装置燃气进入发射筒后直接作用于导弹底部，推动导弹运动；钢丝绳气缸式弹射装置燃气不进入发射筒筒底，直接进入气缸内，使燃气与导弹完全分离，发射筒只用于储运导弹，不再承受高压力，有助于减少发射筒重量、提高发射筒的安全性等。

图1 钢丝绳气缸结构示意简图Fig. 1 The structural representation of the wire rope cylinder

2）筒式弹射装置与导弹为串联连接时，需要轴向空间，当为并联连接（平行布置）时，需要径向空间；钢丝绳气缸式弹射装置与导弹为并联连接。但相对于筒式弹射装置的径向空间需求少，同时有助于减少发射筒的长度，改善武器系统的机动性。

3）筒式弹射装置弹射导弹时，需克服发射深度下的海水背压，即阻力相对较大，不容易实现大深度发射；而钢丝绳气缸式弹射装置发射导弹时不会产生这部分阻力，有助于实现导弹大深度发射。

4）筒式弹射装置弹射导弹时，导弹出筒时会有大量气体进入水中，产生大分贝噪音；而气缸为一个密闭空间，发射导弹时，筒内不会产生气体，同时燃气进入气缸后也不会产生过大的声音，能大大减小发射时产生的噪音，实现寂静发射。

2 钢丝绳气缸式弹射装置发射内弹道数学模型

2.1 发射内弹道模型基本假设

发射内弹道模型建立的基本假设如下：

1）不具体考虑工质气流各参数沿管路的变化情况，把工质气流沿管路的流动看作是工质能量从发射动力系统向气缸输送过程；

2）不分别考虑火药气体各组成成份的作用，而是将火药气体看作一个整体来发挥其作用；

3）对于热传递等能量损失，用能量系数考虑，并假定其值在整个过程中为一常数；

4）由于过程的不可逆性造成的能量贬值和漏气造成的质量损失用压力系数来考虑；

5）由于气缸内工质气体存在着宏观动能，引入动能系数来考虑，并假定其值在整个发射过程为一常数；

6）气缸内的燃气、空气视为理想气体。

2.2 发射内弹道方程组

2.2.1 质量守恒方程

进入气缸内的燃气量计算公式如下：

2.2.2 能量方程

进入气缸内的总能量在不考虑传热损失的情况下等于各部分气体的内能、导弹动能、阻力功的和。

2.2.3 状态方程

根据道尔顿分压定律，气体总压等于各气体分压的和，气缸底混合气体压力：

2.2.4 运动方程

根据牛顿第二定律，得到运动方程如下：

3 发射内弹道计算分析及结论

根据上述分析建立的钢丝绳气缸式弹射装置发射内弹道数学模型，由于钢丝绳气缸式弹射装置具有动平衡发射的特点，及导弹在水下发射时是泡在水中，前后压差与发射深度无关，因此深度对导弹出筒速度基本无影响。因此，陆上与水下发射的主要区别为是否存在水阻力、附加惯性质量力等阻力项。利用编写仿真计算程序，完成了陆上发射及水下发射的仿真计算，发射内弹道主要技术指标计算结果如图2～图6所示。

从发射内弹道仿真计算结果可以看出：钢丝绳气缸式弹射装置发射导弹时，速度、加速度、压力、温度等发射内弹道曲线平稳，使导弹在大深度的发射条件下具有较高的出筒速度。由于水下发射相比于陆上发射存在水阻力、附加惯性质量力等阻力，导弹运动加速度相对较小，导弹出筒速度也相对较低，位移较慢。因此在相同的燃气流量情况下，气缸内产生的压力较大。