陈宗杨, 练永庆, 李 昂

水下钢缆拖拽发射鱼雷内弹道仿真

陈宗杨1, 练永庆1, 李 昂2

(1. 海军工程大学 兵器工程学院, 湖北 武汉, 430033; 2. 中国人民解放军92336部队, 海南 三亚, 572000)

针对现有无人水下航行器(UUV)发射鱼雷时出管速度低、发生启动故障后无法顺利出管以及作用在鱼雷上的瞬间推力较大等不足, 提出了结构简单且能与自航发射方案配套的水下钢缆拖拽发射鱼雷基本结构方案。在此基础上, 建立了水下钢缆拖拽发射鱼雷的内弹道模型, 其中包括发射气瓶气体状态模型、发射阀数学模型、气水缸数学模型、拖拽装置数学模型以及鱼雷运动数学模型。最后进行了发射过程仿真, 并对发射气瓶初始充气压力大小、UUV航速以及钢缆弹性等参数对鱼雷发射内弹道的影响进行了分析对比。仿真结果表明: 该方案满足UUV发射鱼雷的要求, 在原理上具备可行性, 且结构本身能够解决自航发射时鱼雷因故障无法顺利出管的应急抛射问题, 并在一定程度上减小了对鱼雷尾部结构强度的要求。

无人水下航行器; 鱼雷; 钢缆拖拽; 内弹道; 发射

0 引言

无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)作为水下自主作战平台可使用鱼雷作为作战武器。目前UUV水下鱼雷发射方案主要有自航式发射方案和提拉缸式发射方案[1-4]。例如, 美国的“MANTA”UUV搭载2枚533 mm口径鱼雷[5], 采用自航式鱼雷发射方式。孙玉松等[6]开展了在UUV上采用外挂式自航发射方案发射鱼雷的研究。练永庆[7]和郭煜[8]等提出了在UUV上采用提拉缸式发射方案发射鱼雷。综上研究可发现, 自航式发射方案具有结构简单、适装性好的优点, 但存在鱼雷出管速度低、鱼雷出现启动故障后无法保证其顺利出管等问题; 提拉缸式发射方案受限于自身结构, 在发射中推动鱼雷的有效作用距离较短, 导致作用在鱼雷上的瞬间推力及鱼雷运动最大加速度较大, 对鱼雷壳体强度及内部仪器设备抗冲击能力提出了较高的要求。

文中针对自航式和提拉缸式鱼雷发射方案的不足, 在参考意大利B512型自航式鱼雷发射装置应急抛射机构[9-10]的基础上, 提出了钢缆拖拽式鱼雷发射方案。该方案不仅可与自航式发射方案配套使用, 以解决自航发射时鱼雷因故障无法顺利出管的应急抛射问题, 还可实现以一定出管速度指标发射鱼雷。同时, 方案中的长行程气水缸也可在一定程度上减小对鱼雷尾部的瞬间作用力。

文中针对钢缆拖拽式鱼雷发射方案建立发射过程的相关数学模型并进行仿真计算, 对影响鱼雷内弹道相关因素进行定量分析, 从而为钢缆拖拽式鱼雷发射装置的总体方案设计和论证提供理论依据。

1 钢缆拖拽式鱼雷发射方案

钢缆拖拽式发射装置主要由发射气瓶、发射阀、气水缸、传动活塞、钢缆、滑轮、栅状管以及滑块组成, 如图1所示。传动活塞、钢缆和滑块组成拖拽装置。发射气瓶通过发射阀与气水缸连接, 气水缸内装有传动活塞, 传动活塞与钢缆固连并通过滑块与鱼雷连接。该装置安装在自航发射管上, 可与自航发射方案配套使用。

该方案的发射原理是: 发射前完成对发射气瓶的充气, 传动活塞位置如图1所示; 发射时, 发射阀开启, 发射气瓶的高压空气进入气水缸中传动活塞右侧, 由于传动活塞左右压力差的作用, 传动活塞带动钢缆向左运动, 钢缆通过滑轮带动滑块向右运动, 滑块作用在鱼雷上, 推动鱼雷加速运动直至出管。

图1 钢缆拖拽式发射方案结构原理示意图

2 发射内弹道数学模型

2.1 发射气瓶气体状态模型

由于发射过程非常短暂, 可认为发射过程中, 发射气瓶内部空气的膨胀为绝热过程, 由气体热力学定律推导有

忽略发射过程中气体泄漏, 根据质量守恒定律

2.2 发射阀数学模型

1) 发射阀气体流量模型

发射气瓶中经发射阀流入气水缸的气体流量可按照准稳态概念进行计算。假设气体流动过程是等熵的, 根据空气动力学理论[11], 发射气瓶与发射阀之间的空气流量为

2) 发射阀阀芯运动数学模型

发射阀阀芯的运动速度[12]

2.3 气水缸数学模型

式中: 为气水缸气体瞬时压力变化率; 为气水缸控制体体积变化率。

选择气水缸运动始点为坐标原点, 传动活塞向左运动方向为正方向, 则有

2.4 拖拽装置数学模型

对拖拽装置进行运动学和动力学分析, 得到拖拽装置运动模型

2.5 鱼雷运动数学模型

滑块质量相对于鱼雷质量很小, 可以忽略其对鱼雷运动产生的影响, 将滑块和鱼雷视为一体进行动力学分析, 得到鱼雷的运动模型为

3 发射内弹道仿真

根据建立的发射内弹道数学模型编制仿真程序, 在给定仿真条件下, 对发射过程进行仿真。

3.1 仿真参数

将仿真参数代入模型得到鱼雷位移曲线、鱼雷速度曲线、鱼雷加速度曲线、钢缆拉力变化曲线及气水缸控制体压力曲线, 如图3～7所示。

图3 鱼雷位移曲线

图4 鱼雷速度曲线

图5 鱼雷加速度曲线

图6 钢缆拉力变化曲线

图7 气水缸控制体压力曲线

3.2 变参数仿真结果

为了进一步分析方案中相关参数对鱼雷内弹道的影响, 在仿真参数的基础上, 逐一改变参数中发射气瓶初始充气压强、UUV航速、鱼雷质量以及钢缆弹性模量, 并分别进行仿真以研究相关参数对鱼雷内弹道的影响规律。

1) 改变发射气瓶初始压强

将发射气瓶初始充气压强分别设定为减少20%(9.6 MPa)、不变(12 MPa)、增加20%(14.4 MPa)进行仿真, 仿真结果如图8～图10所示。

图8 不同初始充气压强下鱼雷位移曲线

图9 不同初始充气压强下鱼雷速度曲线

图10 不同初始充气压强下鱼雷加速度曲线

2) 改变UUV航速

分别对UUV航速sub=0、1.5和3 m/s时进行仿真, 仿真结果如图11～图13所示。

图11 不同UUV航速下鱼雷位移曲线

图12 不同UUV航速下鱼雷速度曲线

图13 不同UUV航速下鱼雷加速度曲线

由仿真结果可知, UUV航速的变化对鱼雷内弹道影响很小。这是因为在方案中, UUV航速仅对鱼雷流体阻力产生影响, 而该阻力与钢缆拉力相比量值较小。

3) 改变鱼雷质量

图14 不同鱼雷质量下鱼雷位移曲线

图15 不同鱼雷质量下鱼雷速度曲线

图16 不同鱼雷质量下鱼雷加速度曲线

4) 改变钢缆弹性模量

将钢缆弹性模量分别设定为110 GPa、80 GPa和60 GPa 进行仿真, 仿真结果如图17～20所示。

从仿真结果可知, 钢缆弹性模量的变化对鱼雷出管速度和出管时间影响较小; 当钢缆弹性模量为60 GPa时, 钢缆拉力变化引起的形变较弹性模量为110 GPa时相对较大, 因此鱼雷加速度会产生小幅度振荡。当前满足本方案需求的几种钢缆类型[16], 其弹性模量大多在100～200 GPa, 因此钢缆的弹性不会对鱼雷内弹道产生太大影响。

图17 钢缆弹性变化下鱼雷位移曲线

图18 钢缆弹性变化下鱼雷速度曲线

图19 钢缆弹性变化下鱼雷加速度曲线

图20 钢缆弹性变化下钢缆拉力线曲

4 结束语

针对现有水下鱼雷发射方案的不足, 文中提出一种适用于UUV的水下钢缆拖拽式鱼雷发射方案, 在此基础上建立了鱼雷内弹道数学模型, 并进行了数值仿真计算, 对仿真结果分析可知: 使用该方案发射鱼雷在原理上是可行的, 鱼雷内弹道指标满足UUV发射要求, 且该方案的鱼雷出管速度优于自航式发射方案; 发射气瓶初始充气压力对鱼雷内弹道有较大影响, UUV航速、鱼雷质量以及钢缆弹性模量对鱼雷内弹道影响较小。

相较于提拉缸式发射, 文中方案的长行程气水缸使滑块对鱼雷做功距离更长, 从而减小了鱼雷尾部的瞬间作用力, 相对降低了对鱼雷尾部的结构强度要求。但与传统发射装置, 如气动不平衡式鱼雷发射装置和往复泵水压平衡式鱼雷发射装置相比, 文中方案中鱼雷尾部会受到集中载荷作用, 不如传统发射方案受力均匀, 因此这对鱼雷尾部壳体强度提出了较高要求。此外, 方案中采用的栅状管以及滑轮机构使整个发射系统径向尺寸增大, 对发射系统的布局需要进行重新考虑, 这也是该方案的另一不足之处。

以上所做工作还仅是钢缆拖拽发射方案原理可行性的仿真验证, 后续将展开对钢缆拖拽式发射方案的进一步优化设计以及完成方案虚拟样机的建模与仿真, 以便更好地为钢缆拖拽鱼雷发射方案的总体设计提供理论支撑。

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Interior Ballistic Simulation of Underwater Steel Cable Towed Launch Torpedo

CHEN Zong-yang1, LIAN Yong-qing1, LI Ang2

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Unit 92336th, The People’s Liberation Army of China, Sanya 572000, China)

In view of the limitations of the existing torpedo scheme launched by unmanned undersea vehicles(UUVs), namely the low tube-exit speed of the torpedo, inability to ensure the smooth exit of the torpedo after start-up failure, and large instantaneous thrust on the torpedo, a basic structural scheme is proposed for the underwater steel cable towed launch torpedo. The proposed scheme is simple and compatible with the self-launching scheme. Based on the launch scheme, the internal ballistic model of the underwater steel cable towed launch torpedo was established, including the gas state model of the launching air bottle, mathematical models of the launch valve, air-water cylinder, and towing device, and torpedo motion model. A launch process simulation was performed. In addition, the factors influencing the internal ballistic path of the torpedo launch, such as the initial filling pressure of the launch air bottle, UUV speed, and elastic modulus of the steel cable, were analyzed. The simulation results demonstrate that the scheme meets the requirements of the UUV launch torpedo, is feasible in principle, and possesses a structure that can solve the problem of emergency torpedo launch when the torpedo fails to exit the tube owing to the failure of self-launching, thereby reducing the structural strength requirement of the torpedo tail to a certain extent.

unmanned undersea vehicle; torpedo; steel cable tow; interior ballistic; launch

陈宗杨, 练永庆, 李昂. 水下钢缆拖拽发射鱼雷内弹道仿真[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(2): 209-215.

TJ630.2

A

2096-3920(2022)02-0209-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.011

2021-05-10;

2021-06-09.

陈宗杨(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水中兵器总体及发射技术.

(责任编辑: 杨力军)