UUV 用多级助推式弹射过程建模与仿真

2021-01-19马翔徐海平黄科

舰船科学技术 2020年12期

马翔，徐海平，黄科

(昆明精密机械研究所，云南昆明 650118)

0 引言

近年来，水下无人航行器（unmanned undersea vehicle，UUV）由于目标特征小、作战范围广、使用成本低等特点[1]，逐渐成为各国水下武器装备研究的新热点。使用水下无人航行器搭载现有水下攻击武器的攻击型UUV 相比现役水下作战平台，已经显示出巨大的性能优势[2]，并在近年来取得了长足的发展。然而，由于各国现有水下攻击武器尚局限于鱼雷等重型器材，如何在重量、体积较小的UUV 平台上实现重型器材的有动力发射，逐渐成为攻击型UUV 发展的关键技术。

目前，各国研发的水下武器弹射装置有气动不平衡式、气动冲压式、气水缸水压平衡式、涡轮泵水压平衡式等4 类[3]。气动不平衡式及气动冲压式发射装置，受高压空气泄漏问题及无法大深度发射限制，气水缸水压平衡式及涡轮泵水压平衡式则动力装置体积重量过大[4]，因此，现有水下弹射技术均不适用于小型化、轻量化而又要求大深度、低噪声发射的新一代攻击型UUV 平台。

针对未来攻击型UUV 的性能需求，本文提出一种采用双级同步液压弹射装置驱动发射活塞产生水压，实现水下重型武器弹射的新型弹射装置。该弹射装置采用高压液体作为动力源，具有发射噪声低、体积重量小、发射深度无限制等特点，完全满足未来攻击型UUV 水下弹射性能要求。

1 弹射装置简介

1.1 弹射装置结构组成

UUV 用多级助推式弹射装置由发射管管体、弹射活塞、2 级同步式液压缸、蓄能器、回油箱、触发阀及传感器组件、支撑架等部分构成，如图1 所示。

图 1 弹射装置组成原理图Fig. 1Constituent schematic diagram of cataplut

发射管平时用于储存弹射器材，工作时为器材及活塞的运动提供导向。弹射活塞放置于发射管后管中，并采用滑轨进行导向，活塞后部装有球头铰，与液压缸活塞杆相连，工作时，液压缸快速向外伸出，推动活塞向前运动。由于液压缸动作速度极快，为降低高速液压系统的冲击力，降低液压缓冲制动设计难度，同时提高液压密封件可靠性，液压缸设计为2 级同步式结构，液压缸采用4 个气液混合活塞式蓄能器驱动，低压侧连接有1 个低压回油箱，液压缸、蓄能器、回油箱部分采用圆形支撑架进行连接。如图2 所示。液压缸活塞杆高速运动时，蓄能器缸内液压流速极快，液压油高速流动时造成的局部损失较大，因此，液压缸内部针对液体流动阻力进行了优化设计。

1.2 弹射装置动作原理

器材装载后，在装置蓄能器中充高压气体至额定充气压力，并通过液压缸上的注油口注入定量液压油，使活塞式蓄能器活塞运动至初始位置。同时，蓄能器中气体被压缩至系统工作压力，弹射装置完成准备工作，此时，弹射装置泄油口可通过流道回到低压油箱，防止弹射装置的误动作。

当助推弹射装置接收到UUV 系统执行器材弹射指令后，触发阀打开，并使油箱中的液压油缓慢进入1 级活塞，此时由于1 级活塞挡住主进油口，弹射装置运动缓慢。当1 级活塞运动至主进油口位置时，蓄能器向同步液压缸的流道快速打开，液压缸活塞杆快速同步伸出，同时活塞式蓄能器在高压气体作用下，快速向前运动，通过蓄能器与液压缸流道的开启面积变化规律设计，实现活塞杆伸出速率控制。当活塞杆运动到缓冲制动行程内时，由液压缸端盖逐级遮蔽进油小孔，构成短笛型缓冲结构，实现1 级活塞与2 级活塞的变节流缓冲。UUV 多级助推式弹射仿真模型，包括弹射过程负载特性分析及2 级同步弹射器建模2 个主要部分，下面分别建立其仿真数学模型。

图 2 2 级同步式液压弹射缸及蓄能器Fig. 2Cylinder and accumulator with two stage synchronous hydraulic catapult

2 弹射负载特性分析

2.1 活塞及器材运动方程

活塞位于发射管后管内，并用导轨进行导向，活塞前后两端受到相同大小的海水压力作用，构成一套水压平衡式弹射系统，如图3 所示。

图 3 弹射活塞及器材Fig. 3Launch pistons and weapons

忽略活塞与发射管后管壁之间的间隙，随着活塞运动速度 vp的增加，活塞前端水体压力 Ff增加，活塞后端水体由于局部损失及沿程损失压力 Fr降低。此外，活塞还受到海水静压力 Fb及活塞运动摩擦力 Fu。活塞具有以下运动方程：

式中：Mp为活塞质量； vp为活塞运动速度；Fhm为液压缸驱动活塞力； Ff为活塞前端受力； Pt为器材尾部活塞前端水体压力； Fb海水对活塞压力； Ph为海水深度压力； Fu为活塞运动摩擦力； μ为活塞与导轨间摩擦系数； F0为活塞所受浮力； Pr为活塞后端水压。

武器在运动过程中，其运动驱动力来自于后端水体压力 Pt，同时受到流体阻力 Fx，管内摩擦力 Fg及周围水体的附加惯性力作用，据此建立武器运动模型：

式中： vt为器材运动速度； m为运动总质量； Ft为器材尾部推动力； Fx为器材运动时受到的迎面阻力； Cd为器材迎面阻力系数； St为器材截面积； Fg为器材与发射管摩擦力； μt为器材与发射管之间的摩擦系数；f0为器材所受浮力。

2.2 流道压力损失模型

如图3 所示，器材弹射时，活塞推动前端海水，并在活塞前端及器材尾部产生压力，该压力推动器材运动出发射管。活塞后端由于流动损失的原因，海水压力降低，总流动损失用 hw表示，该损失可以分为沿程损失和局部损失。该处局部损失主要由发射管尾部进水口处不规则截面及流体方向急剧变化造成，增大了流体间的漩涡和碰撞，形成漩涡区，从而造成局部损失，该处局部损失可表示为：

式中： Si为入水口处的流通面积； ε1为流体的局部阻力系数。水体从发射管后端至活塞位置的沿程阻力损失可以表示为：

系统中总的流道损失 hw等于沿程损失与局部损失之和，通过上述式子可知，沿程损失及流道损失均与活塞速度 vp相关，由于流道较为复杂，相关水力损失系数难以通过简单的查表获得，因此，在此处将不同的压力损失系数采用总的水力损失系数 ε进行替换[5]，改写后总的压力损失系数为：

一般来说，发射装置流道结构复杂，非定常特征显著，已有的流体力学经验公式难以精确计算其水力损失系数[6]，因此，在此处采用CFD 计算的方法获取总损失系数 ε。计算时，采用UDF 编程对活塞的运动规律作为仿真输入，并对发射管后端面入水口初及发射活塞后端面压力进行监视，通过上式进行拟合，则可以得到近似的发射活塞后端压力方程为：

3 基于Amesim 的液压同步弹射器建模

3.12 级同步液压弹射缸建模

UUV 用助推弹射器采用2 级同步式液压缸作为助推动力产生机构，相比传统单级液压弹射缸，采用同步式结构具有以下优势：首先，由于发射活塞运动速度极快，采用同步式液压缸可以大幅降低活塞杆的运动速度，避免高压密封件高速运动，减小磨损的同时，提高了液压系统的可靠性[7]。其次，采用2 级液压缸，一定程度上降低了液压缸的轴向长度，减小了弹射装置所占的空间。3 级或4 级同步油缸压力控制困难，难以在弹射过程中对器材弹射运动规律施加控制，综合评估，采用2 级同步式结构，是弹射油缸的最优选择[8]。

如图4 所示，2 级同步式液压缸一级活塞采用遮蔽圆孔面积，对进入活塞的流量进行控制，同时二级活塞采用4 组阶梯孔对流入的流量进行控制，二级活塞采用差动式活塞结构，并在活塞运动末端采用3 组阶梯孔构成短笛型缓冲结构，液压缸工作原理图如图5 所示。

图 4 2 级同步液压缸结构图Fig. 4Structure of two stage synchronous hydraulic

图 5 2 级同步式液压缸工作原理图Fig. 5Working principle diagram of two stage synchronous hydraulic cylinder

3.2 活塞式蓄能器建模

活塞式蓄能器主要由液缸部分，活塞，气瓶3 个部分组成，如图6 所示。

图 6 组合式蓄能器结构示意图Fig. 6Structure of combined accumulator

活塞起到隔离气腔与液腔的作用，工作前，首先向气腔内预充一定量的氮气，充油时活塞向气瓶方向移动，使高压气压缩储存能量，工作时，气体膨胀并推动活塞快速运动，输出大流量油液。在Amesim 软件中，使用可变气体容腔与可变液压容腔搭建如图7所示活塞蓄能器模型。

3.3Amesim 液压仿真模型

在Amesim 软件中分别搭建2 级液压同步油缸与活塞式蓄能器模型，并采用液压管路进行连接。由于活塞杆与发射管后管内发射活塞固定连接，依据前述负载特性分析的内容，以活塞杆运动速度 vp作为反馈变量，输入弹射负载模型函数，作为阻力施加在发射活塞端，构成完整的UUV 水下助推弹射建模。

图 7 在Amesim 中搭建蓄能器模型Fig. 7Model of accumulator established in Amesim

4 仿真计算结果与分析

Amesim 中仿真模型主要参数如表1 所示。设定仿真时间为2 s，采用定步长计算，仿真间隔时间0.001 s。仿真模型中液压油模型及氮气气体模型均采用系统默认值。

表 1 仿真主要参数定义Tab. 1 Main parameters in simulation

图 8 一级活塞及二级活塞运动速度曲线Fig. 8Velocity curves of one stage and two stage pistons

图 9 一级活塞及二级活塞运动位移曲线Fig. 9Displacement curves of one stage and two stage pistons

图 10 一级活塞及二级活塞腔压力曲线Fig. 10Pressure curves of one stage and two stage pistons

图 11 一级活塞及二级活塞腔流量曲线Fig. 11Flux curves of one stage and two stage pistons

UUV 多级助推式弹射过程的仿真计算结果如图8～图11 所示。图8 为2 级同步液压缸一级活塞及二级活塞运动速度曲线，可以看出，一级活塞与二级活塞同步伸出，由于活塞设计时2 级活塞同步比近似为1∶1，因此二级活塞速度近似为一级活塞2 倍。同理，在相同的时间内，二级活塞运动位移也近似为一级活塞2 倍。图9 为一级活塞腔及二级活塞腔内压力，对于2 级同步液压弹射缸，二级活塞内压力远高于一级活塞压力，当液压系统工作压力达到30 MPa时，二级活塞内峰值压力甚至达到60 MPa。由于同步液压缸此项特性，在设计该类弹射油缸时，一方面应尽量减小系统工作压力，另一方面，应对同步缸级数进行控制，防止二级或三级活塞内压力过高，导致胀缸现象。图11 为液压缸运动时一级活塞腔及二级活塞腔的流量曲线，由于二级活塞设计成差动式结构，因此活塞杆同步伸出时，二级活塞流量要远低于一级活塞流量。

图12 和图13 为蓄能器工作压力与蓄能器活塞运动速度曲线，当2 级同步油缸活塞杆高速伸出时，由于液压油流动极快，导致蓄能器内活塞高速运动，峰值速度达到2 m/s，对于该类高速液压弹射装置，必须在蓄能器内设置活塞缓冲装置，降低蓄能器内的液压冲击。