陈庆贵，齐强，林琨山，周红梅

（1．海军航空工程学院，山东烟台264001;2．中国人民解放军91604部队，山东龙口 265700）

0 引言

弹射起飞作为一种能在较短距离内使舰载机达到起飞速度的起飞方式，已成为航母舰载机的主要起飞方式之一［1］，而蒸汽弹射又是舰载机弹射起飞方式之一。蒸汽弹射技术目前已较为成熟，蒸汽弹射动力装置已广泛应用于弹射飞机［2］。蒸汽弹射系统主要由储汽罐、发射阀、排气阀、汽缸、活塞驱动组件、往复车及其连接机构以及水平制动装置等部分组成。本文将导弹发射内弹道原理［3］应用于舰载机的弹射过程，建立了舰载蒸汽弹射内弹道设计和计算模型［3］，并进行了仿真计算。

1 蒸汽弹射内弹道设计

1.1 内弹道设计基本要求

1）弹射系统必须保证所要求的飞机离舰速度。

2）飞机运动的水平加速度小于或等于某一允许值，并尽量使飞机运动平稳。

3）汽缸内工质气体压力小于或等于某一允许值。

1.2 内弹道设计基本关系式［3］

为了简化计算，在进行内弹道设计时作如下假设和工程处理: 1）假设飞机作匀加速运动，忽略牵制力的影响。2）忽略状态方程中高次项和反映分子体积参数的影响。

3）以湿式储汽罐为研究的动力源，储汽罐内压力取弹射开始和弹射终了的平均值。

4）蒸汽在管道内的流动视为一维流动。

1.2.1 有效弹射工作时间

从阀门打开到动力冲程完了所需时间为有效弹射工作时间，可由下式求得:

式中:tM为从阀门打开到飞机刚要运动所需时间; te″=2le/ve为从飞机开始运动到关闭进气阀所需时间;ε为考虑弹道性能所取的修正量，一般取ε≤0。1.2.2飞机运动的平均加速度与最大加速度

最大加速度为

式中:ve为舰载机的离舰速度;le为动力冲程;k= amax/a—为最大加速度与平均加速度的比值。

1.2.3 汽缸内平均压力与最大压力

式中:M为舰载机与活塞的总质量;xk为动能系数; St为汽缸缸径;z为阻力系数。

1.2.4 进入汽缸的有效蒸汽量

由于采用湿式储汽罐，工质气体在汽缸内膨胀做功后处于湿蒸汽状态。又假设飞机在舰上作匀加速运动，利用v2=2al=2ngl，可得如下方程:

将式（7）带入式（6），得

当l=le时，则可得动力冲程完了时进入汽缸内的有效蒸汽量为

式中:l0为初始容积当量长度;ΔH为水的汽化潜热; v″为过热蒸汽的比容;xe为能量系数;cl为水的比热;xp为压力系数。

1.2.5 储汽罐压力的确定

储汽罐内的压力应根据缸内压力Pt的要求和气动力特性来确定。根据一维等熵管流假设，可按临界截面的流量公式计算进入汽缸内的蒸汽流量，则

根据气体动力学特性，使式（10）成立的压力比必须是

将式（11）用于弹射系统，则

式中:Ma为马赫数;P∞为储汽罐内初始压力;k为水蒸气绝热指数。

2 蒸汽弹射内弹道计算

2.1 内弹道方程

蒸汽弹射内弹道方程［3］如下:

2.2 数值积分关系式

根据泰勒级数展开式，飞机运动的行程和速度为

2.3 蒸汽量方程

蒸汽从储汽罐经发射阀流入汽缸，其蒸汽量按下式计算:

式中:φ为流量系数;a为与流动有关的无因此系数; σk为发射阀喉部截面积;T0为总温;P∞为储汽罐中初始压力。

3 算例与分析

用MATLAB语言［4］对内弹道方程，数值积分关系式和蒸汽量方程进行编程，并以某型飞机为例，对其内弹道方程进行求解计算。仿真结果见图（1）～图（6）。

3.1 计算结果分析

从表1可以看出，设计参数与计算参数二者的误差最小为0.34%，最大为7.9%，且飞机末速度的误差较小。设计与计算存在差别是不可避免的，这是因为在进行内弹道设计时作了一些简化处理。

3.2 变化规律分析

1）蒸汽量和位移变化规律基本一致，呈二次曲线规律变化，说明所假定的供汽方案基本满足要求。

2）飞机运动速度近似呈直线规律变化，说明飞机在舰上作准匀加速运动。

3）加速度与压力变化规律一致，在飞机运动初始阶段飞机运动较慢，加速度增加较快，随着飞机运动的加快，缸内空间的增加超过蒸汽供应，使压力降低，从而使加速度降低。

4 结语

本文建立了舰载机蒸汽弹射内弹道设计与计算模型并进行了仿真计算，验证了模型的准确性。对于蒸汽弹射技术，国外已有较成熟的技术并在航母上得到广泛应用。目前，国内对于蒸汽弹射技术的研究与国外还有一定差距。因此，需要进一步加强对蒸汽弹射技术的研究，尤其是蒸汽供应规律的研究。

［1］王俊彦．舰载机弹射起飞技术的应用与发展［J］．科技信息，2009，23:430．

［2］白建成．蒸汽弹射内弹道数学模型［J］．中国造船，2001，42（3）:101－104．

BAI Jian-cheng．Mathematic model for interior trajectories of steam launchers［J］．Shipbuilding of China，2001，（3）:101－104．

［3］赵险峰，王俊杰．潜地弹道导弹发射系统内弹道学［M］．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2000．

［4］刘卫国．Matlab程序设计与应用［M］．北京:高等教育出版社，2006．