不平衡式发射装置发射水雷时发射能量计算和弹道分析

2021-01-22张孝芳刘海光张新军

火力与指挥控制 2020年12期

张永，张孝芳，刘海光，张新军

（1.海军潜艇学院，山东青岛 266042；2.解放军92336 部队，海南三亚 572000）

0 引言

气动不平衡式发射装置以其体积小、结构简单、适于装艇等特点，目前仍然被许多国家海军所采用。气动不平衡式发射装置的主要作战使命是发射鱼雷和导弹，攻击敌水下和水面大、中型目标，并兼顾到发射水雷，执行布雷封锁等作战任务。万祥兰［1］在早些时候通过建立气动不平衡式发射装置的数学模型，借助MATLAB/Simulink 软件进行模型仿真，研究了发射阀缓冲器滑阀与缓冲活塞配合间隙、相对装配位置之间的关系。练永庆［2］将遗传算法运用到气动不平衡式水下武器发射器内弹道优化的方法和数学模型中去，最终确定了该方法在发射阀优化设计中的应用前景。李鹏［3］在现有的气动不平衡发射装置的基础上，提出了新的程序控制方案发射装置。有学者［4］基于气动不平衡式发射装置的基本特点，通过弹道建模并利用Simulink 软件建立了弹道仿真平台，研究了发射气瓶状态参数和发射开关运动特性对弹道参数的影响，获得了弹道仿真结果。由此可见，气动不平衡式发射装置发射水雷，在其作战使命中的地位与鱼雷、导弹相比，并未处于突出位置。长期以来，气动不平衡式发射装置发射水雷技术的研究，也未受到足够的重视，完全依附于发射鱼雷和导弹的发射技术，从而致使发射水雷的深度远远小于发射鱼雷的发射深度，难以满足现代潜艇布雷作战需求。本文针对水雷的结构特点、发射装置控制方式，以及目前在研究和使用过程中存在的问题，对潜艇大深度安全发射水雷时，发射能量的确定、水雷在发射管内的运动特性等问题进行了研究。

1 发射工程描述与建模

目前，在世界各国海军装备使用的气动不平衡式发射装置中，典型的气动不平衡式发射装置主要由发射管及管体机械、注排水系统、设定控制装置、发射装置、截止装置、无泡装置等组成。水雷装入发射管内后，前水雷与后水雷之间通过连接器实现连接，后水雷则被发射管后盖上的控制装置制动。发射时，通过发射控制装置打开发射开关，储存在发射气瓶内的压缩空气进入发射管内做功，通过水介质建立压力，此压力通常称为抛射压力。作用在后水雷上的制动力远大于其抛射压力，则后水雷不能产生相对运动。当作用在前水雷后端面上的力产生的抛射压力大于连接器的拉力时，则连接器被拉断，然后其抛射压力将前水雷推出发射管。发射后水雷时，降低对后水雷的制动力，当抛射压力作用在后水雷后端面上产生的抛射压力大于其制动力时，制动控制装置解脱对后水雷的控制，其抛射压力将后水雷推出发射管。气动不平衡式发射装置原理如图1 所示。

1.1 发射气瓶环节分析与建模

1.1.1 发射能量确定

图1 气动不平衡式发射装置原理图

发射气瓶的主要功用是储存发射能量——压缩空气。发射时，发射开关打开，压缩空气进入发射管内建立抛射压力，不仅使水雷和部分海水获得一定的动能，而且克服水雷与导轨的摩擦力以及水雷的迎面阻力和静水阻力做功。另外，发射后发射管内的废气被回收至舱内，该废气也具有一定的能量。由此可见，发射气瓶储存的发射能量与水雷的质量、水雷的出管速度以及发射时潜艇的工作深度等因素有关。

根据能量平衡方程，潜艇在预期的发射水雷深度内，发射气瓶内储存压缩空气的储备量U0为：

1.1.2 通过发射开关气体流量和热焓注入率分析

发射时，发射气瓶内的压缩空气通过发射开关按照一定的规律输入发射管内做功，以保证水雷在发射管内做加速运动。发射开关控制压缩空气按照一定的规律输入发射管内，是通过控制发射开关的流通面积实现，发射开关端部结构图如图2 所示。

图2 压缩空气经发射活塞端部结构图

根据发射活塞的结构特点，将发射活塞的运动分为4 个阶段，求解不同阶段压缩空气流经发射活塞流通面积f1（t）的表达式为：

其中，△d 为d2与d1之差，d1为发射活塞导向体直径（m），d2为发射活塞上凸缘直径（m），L为发射活塞运动行程，L1、L2为特形孔底部所处的两个极限位置，fmax为4 个特形孔的面积和。

1.1.3 单向阀运动特性分析

单向阀安装在发射管后部的管体上，其主要功用是发射后期防止发射管内海水经发射开关流入到发射气瓶内，占据发射气瓶的容积。平时单向阀在其自身弹簧力的作用下自动关闭。当发射开关打开后，在其压缩空气作用力的作用下自动开启，从而发射气瓶内的压缩空气进入发射管内建立抛射压力。当发射开关关闭后，在发射管内压力和自身弹簧力的作用下自动关闭。

根据上述分析，开启单向阀所需气压力的表达式（Pd）为：

式中，Sd1为单向阀受发射阀内的空气压力的作用面积，Sd2为单向阀受发射管内的海水压力的作用面积，Fd为单向阀弹簧预压力，PH为发射管内的海水压力。

1.1.4 发射气瓶内瞬时压强和温度变化率分析

发射时，发射开关按照一定的运动规律运动，发射气瓶内的压缩空气进入发射管内做功。将发射气瓶内的压缩空气视为理想气体，压缩空气经发射开关流入发射管内的过程视为等容绝热放气过程，则发射气瓶内瞬时压强和瞬时温度随时间变化率为：

式中，k 为气体的绝热指数，PB为发射气瓶内压缩空气瞬时压强（MPa），MB为发射气瓶内压缩空气的瞬时质量（kg），TB为发射气瓶内压缩空气的瞬时温度。

1.2 发射管环节工作特性分析与建模

1.2.1 建立发射管内能量方程

将发射管内推动水雷运动的压缩空气作为研究对象，其边界由发射管壁和水雷壳体围成，带有两个开口：一个开口是压缩空气经过发射开关流入发射管的端口；另一个开口是无泡发射系统泄放阀的开启面端口。

发射时，压缩空气经发射开关进入发射管内做功推动水雷运动，忽略气体与海水和发射管管壁的热交换，根据热力学定律，则发射管环节的能量守恒方程为：

式中，Uc为发射管中现有压缩空气气体的内能，U0为水雷运动前发射管中原有空气的内能，Hi为通过发射开关注入到发射管中的焓，Ho为发射后通过泄放阀流出发射管的焓，Wt为压缩空气推动水雷运动所做的功，Ws为从水雷和发射管环形间隙溢出部分海水所做的功。

将式（9）进行微分，则其微分方程的表达式为：

将压缩空气视为理想气体，根据理想气体的内能方程和状态方程，可推导出进入发射管中压缩空气的压力和温度的表达式为：

1.2.2 发射管内瞬时充气容积变化率分析

发射前，发射管内注满海水且发射管前盖处于完全开启状态。当发射开关打开后，发射气瓶内的压缩空气经单向阀进入发射管内做功，建立抛射压力作用在水雷的受力面积上产生抛射压力。当作用在前水雷上的抛射压力达到一定值时，控制前水雷的连接器断开，解除对前水雷运动的控制；当作用在后水雷上的抛射压力达到一定值时，控制后水雷的制动装置断开，解除对后水雷运动的控制。随着水雷向前运动，发射管内的容积逐渐增大。为此，发射管内容积变化率的表达式为：

式中，fm为气密环与水雷之间的环形面积，DC为气密环的内径，DM为水雷的直径，ρ2为海水的密度，S为水雷的横截面积，vT为水雷的运动速度，φs为海水经气密环与水雷壳体之间的环形间隙中溢出的流量系数，PT为水雷开始移动所需的压力。

1.2.3 水雷在发射管内运动分析

不管是发射前雷还是后雷，当发射管内的抛射压力产生的作用力大于水雷的制动力时，水雷则在抛射压力的作用下开始运动。根据运动学定律，水雷运动获得的加速度方程为：

式中，v 为水雷的运动速度，mt为水雷的质量，pTi为抛射压力的瞬时值，R 为水雷受到的运动阻力。

水雷在运动过程中受到的运动阻力表达式为：

式中，RH为水雷运动时受到的静水阻力。

由图1 可以看出，压缩空气进入发射管内建立抛射压力，当抛射压力达到一定值时，即作用在水雷上的抛射压力大于阻力时，水雷开始运动。为此，水雷运动的加速度方程可用下式表示：

水雷在抛射压力的作用下沿着发射管运动，则其运动速度的表达式为：

式中，Pc为发射管中抛射压力的瞬时值，Pk为开启单向阀所需的气压力，l 为水雷沿着发射管向前运动的行程。

1.2.4 泄放阀排出的气体流量和热焓排出率分析

发射时发射能量做功，使水雷获得安全的出管速度后脱离潜艇。为防止发射管内的空气随同水雷一起出管，暴露潜艇的发射阵位，破坏潜艇的隐蔽性，在发射管上安装一个泄放阀。发射后实时地打开泄放阀，回收发射管内的废气。在收回发射后废气的同时，为保持潜艇发射水雷前、后的操纵性，还收回定量海水。当泄放阀开启后，从发射管带走焓的表达式为：为通过泄放阀排出的气体流量。