氣動不平衡發射裝置發射水雷內彈道特性

張 永，逄洪照，黃 波，張宏凱

(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

氣動不平衡發射裝置發射水雷內彈道特性

張 永，逄洪照，黃 波，張宏凱

(海軍潛艇學院，山東 青島 266042)

布雷是潛艇的主要作戰使命之一。潛艇發射水雷通常依附于魚雷發射平臺，發射過程中常常伴隨著許多不確定性，由于魚雷與水雷在物理尺度及動力裝置上的差異性，在發射過程中存在著較大的差異性，實現安全隱蔽發射更具復雜性，特別是發射開關的運動特性對發射時的安全性影響特別顯著。本文基于氣動不平衡式發射裝置的基本特點，通過彈道建模并利用Simulink軟件建立了彈道仿真平臺，重點研究了發射氣瓶狀態參數和發射開關運動特性對彈道參數的影響，獲得了彈道仿真結果。

氣動不平衡式發射裝置;水雷;數學模型;彈道仿真

0 引言

氣動不平衡式發射裝置通常是潛艇采用的武器發射平臺之一，其主要功能是發射魚雷并兼顧到發射水雷。由于魚雷與水雷在物理尺度及動力裝置上的差異性，在發射過程中，水雷在發射管內的運動特性與魚雷的運動特性相比，存在著較大的差異性，實現安全隱蔽發射更具復雜性。為此，本文針對水雷外形特點及水雷的發射控制方式，對水雷在發射管內的運動規律進行仿真研究。

1 發射過程描述與建模

氣動不平衡式發射裝置主要由發射管、發射開關和發射氣瓶組成。當水雷裝填發射管內后，前雷與后雷由連接器實現連接，后雷被發射管后蓋上的控制機械制動。發射時，發射開關打開，儲存在發射氣瓶內的壓縮空氣進入發射管內建立壓力作用在水雷上，當發射管內的壓力達到一定值時，連接器解脫對前雷的控制，在發射管內壓力的作用下前水雷出管。對發射裝置重新進行準備并打開發射開關，發射氣瓶內的壓縮空氣再次進入發射管內將后雷推出發射管。為便于對研究過程解析，將發射過程視為2個開口環節:發射氣瓶環節和發射管環節。其原理模型如圖1所示。

圖1 氣動不平衡式發射裝置發射原理模型圖Fig.1 Thero of the aerodynamic non-balance torpedo launcher

1.1 發射氣瓶環節工作特性分析與建模

式中:k為絕熱指數;PB為發射氣瓶內壓縮空氣瞬時壓強;MB為發射氣瓶內壓縮空氣的瞬時質量;TB為發射氣瓶內壓縮空氣瞬時溫度。

1.2 發射管環節工作特性分析與建模

發射時，發射氣瓶內的壓縮空氣經發射開關進入發射管內做功推動水雷運動，因水雷在發射管內運動時間較短，故忽略壓縮空氣與海水和發射管管壁的熱交換，則發射氣瓶進入發射管內的能量方程為:

式中:Uc為發射管內瞬時壓縮空氣的內能;U0為水雷運動前發射管內空氣的內能;Hi為發射開關注入到發射管中的焓;Ho為通過泄水管流出的焓;Wt為壓縮空氣推動水雷出管所做的功;Ws為水雷和發射管間隙溢出海水所做的功。

將式(2)變換可得發射時發射管內壓縮空氣的瞬時壓力(pc)和溫度(Tc)變化的方程式為:

式中:Mc為發射管中瞬時壓縮空氣的質量;Vc為發射管內瞬時充氣容積;Cv為空氣的定容比熱。

壓縮空氣在發射管內做功，推動水雷在發射管內運動，水雷不僅受到摩擦阻力的影響，還受到靜水阻力和動水阻力的影響。因此，水雷在發射管內所受的阻力為:

式中:RH為靜水壓力;RS為動水壓力;Rf為摩擦阻力。

基于發射時水雷的受力分析，令壓縮空氣做功推動水雷開始移動所需的壓力為pT，則水雷運動產生加速度的方程式為:

式中:MT為水雷的虛擬質量。

也就是到了學校，表姐才發現自己特別喜歡給人講故事。還是故事好，雖然都是別人的，里面卻少不了自己的影子，都能反射現實。

發射時水雷沿著發射管內的導軌運動，其位移方程式為:

2 水雷內彈道仿真與結果分析

圖2 發射氣瓶環節Simulink仿真模型圖Fig.2 Simulation picture of the transmission gas bottle

2.1 發射氣瓶環節仿真與結果分析

根據建立的數學模型，發射氣瓶環節Simulink仿真系統見圖2。發射時注入發射管內氣體質量仿真模型見圖3。發射時發射開關運動行程仿真模型見圖4。

通過輸入發射氣瓶和發射開關的初始狀態參數及發射深度、發射時艇速等發射參數，可分別求出發射管內壓力、調整墊圈厚度對發射氣瓶內壓力影響的仿真曲線如圖5和圖6所示。基于仿真結果可以看出:

圖6 不同發射深度發射開關運動行程仿真曲線圖Fig.6 Moving distance simulation of the transmission switch in different depth

1)發射時發射開關打開的持續時間隨發射深度的增加而增加，發射深度越大，發射開關開啟的時間越長;

2)發射時發射開關打開的位移量與發射深度的關系不顯著;

3)調整墊圈厚度改變，發射時對發射氣瓶內瞬時壓力的影響顯著，對發射開關運動行程的影響不顯著。

2.2 發射管環節仿真與結果分析

基于發射氣瓶環節仿真結果，發射管環節建立的Simulink仿真系統如圖7所示。根據發射初始條件和狀態參數，改變模型中相應積分模塊的初始值，發射前雷時獲得的發射管內壓力和水雷出管速度仿真曲線如圖9所示。

圖7 發射管環節建立的Simulink仿真系Fig.7 Simulation system of the launching tube unit

在發射氣瓶容積和發射開關結構參數一定的條件下，基于仿真結果可知，①發射氣瓶內的初始壓力越高，發射管內的壓力越高;② 發射氣瓶內的初始壓力越高，水雷獲得的運動速度越大。

3 結語

本文針對潛艇發射水雷的技術特點，通過彈道建模，利用Simulink軟件對氣動不平衡式發射平臺發射前、后水雷的彈道特性進行了仿真，主要研究分析了發射氣瓶狀態參數和發射開關運動特性對水雷內彈道的影響。研究結果表明，發射氣瓶的狀態參數和發射開關的運動特性，對水雷的內彈道參數(發射管內壓力、水雷的運動速度)影響顯著。

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Research on interior trajectory characteristics of the seamine launched by the aerodynamic non-balance torpedo launcher

ZHANG Yong，PANG Hong-zhao，HUANG Bo，ZHANG Hong-kai
(Navy Submarine Academy，Qingdao 266071，China)

The minelaying is the one of the main battle mission of the submarine.The minelaying depends on the torpedo launcher.The kinematic situation of the transmission switch on the launher markedly affects the safety when launching the seamine.The equation type of mathematic model for the seamine interior trajectory is established by the Simulink software in the paper，which based on the basal characteristics of the aerodynamic non-balance torpedo launcher.The status parameter of the transmission gas bottle and the characteristics of the transmission switch is especially researched which affects the parameter of the interior trajectory in the paper.

aerodynamic non-balance torpedo launcher;seamine;interior trajectory characteristics;simulation

TJ6

A

1672－7649(2011)12－0093－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.022

2011－03－17;

2011－05－06

張永(1975－)，男，碩士，講師，研究方向為水中兵器發射技術及魚雷技術。