氣動不平衡式發射裝置氣水回收過程仿真與分析

練永慶, 周厚成, 吳開鋒, 田 兵

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氣動不平衡式發射裝置氣水回收過程仿真與分析

練永慶1, 周厚成2, 吳開鋒3, 田 兵1

(1．海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國人民解放軍國防大學, 北京, 100091;3. 中國人民解放軍91341部隊, 山東 威海, 264200)

當潛艇使用氣動不平衡式發射裝置發射魚雷時, 無泡系統的氣水回收過程對潛艇的隱蔽性與艇體均衡均有直接影響。為了對無泡系統氣水回收過程進行研究, 建立了無泡系統的定時調節器、無泡氣瓶、泄放閥等各組成部件的數學模型, 并結合已有的氣動不平衡發射系統的數學模型, 進行了無泡系統氣水回收過程的仿真。仿真結果與實際回收海水量的結果對比表明, 所建立的模型基本正確, 可用于氣動不平衡式發射裝置無泡系統的分析與論證。

魚雷; 潛艇; 氣動不平衡式發射裝置; 無泡系統; 仿真

0 引言

氣動不平衡式發射裝置是潛艇主要的魚雷發射裝置之一[1]。該裝置主要由發射管及其管上機械、空氣發射系統(發射閥、發射氣瓶等)、無泡系統等組成(見圖1)。由于該裝置具有結構簡單、體積小、重量輕和造價低的優點, 在許多中、小型潛艇平臺中仍具有較大的應用前景。以往對該裝置的研究多集中在其空氣發射系統與魚雷內彈道方面[2-3], 而與潛艇發射過程中的隱蔽性與艇體均衡密切相關的無泡系統氣水回收過程研究甚少, 為此本文以俄羅斯ГС-45型潛艇魚雷發射裝置為例, 通過對其無泡系統進行建模與仿真, 對該系統的氣水回收過程進行分析。

1 氣動不平衡式發射裝置無泡系統組成及工作原理

1.1 無泡系統基本組成

氣動不平衡式發射裝置的氣水回收過程與其無泡系統密切相關。無泡系統主要由無泡氣瓶、定時調節器和泄放閥等組成(見圖1)。其中, 無泡氣瓶為泄放閥的打開提供動力, 而定時調節器則可根據不同發射深度控制泄放閥打開的時間, 是無泡系統的核心。定時調節器分兩部分(見圖2), 分別為送氣部分和放氣部分, 其中送氣部分控制泄放閥開啟的時機、放氣部分控制泄放閥打開的持續時間。

圖1 氣動不平衡式發射裝置原理圖

圖2 定時調節器原理圖

1.2 無泡系統工作原理

氣動不平衡式發射裝置發射時, 發射氣瓶中的高壓空氣經過發射閥, 單向閥進入發射管推動魚雷運動, 當發射氣瓶壓力降到一定程度時(魚雷約有四分之三離開發射管), 定時調節器的送氣部分動作, 無泡氣瓶的氣體進入泄放閥, 當無泡氣瓶的高壓空氣推壓泄放閥活塞向下的力, 大于其彈簧力及發射管內作用于泄放閥閥盤上之空氣壓力的合力時, 打開泄放閥, 將發射管中的廢氣和海水回收到艇上的無泡水柜中。在定時調節器送氣部開啟時, 無泡氣瓶的空氣通過定量氣孔排到大氣中, 無泡氣瓶壓力逐漸下降, 當無泡氣瓶壓力降到一定程度, 其作用在活塞2的力小于放氣部彈簧彈力以及所用在活塞3上的海水壓力之和, 活塞2處的密封面打開, 無泡氣瓶及泄放閥處的高壓空氣迅速從放氣孔放出, 泄放閥關閉, 氣水回收過程結束。

為了便于對氣水回收過程進行建模與仿真, 對該過程進行了簡化, 即無泡系統回收氣水的過程中, 泄放閥打開時首先回收發射管內的空氣, 發射管內空氣壓力小于外部海水壓力時, 海水經過發射管與魚雷之間的間隙進入發射管。當海水填滿發射管時, 才開始回收海水, 直至泄放閥關閉。

2 無泡系統數學模型

2.1 定時調節器模型

1) 定時調節器送氣部分動作時發射氣瓶壓力計算

當發射氣瓶壓力降到一定程度時, 送氣部分的無泡氣瓶壓力、彈簧力以及發射氣瓶壓力之間形成的力平衡被打破, 定時調節器活塞1向下運動, 無泡氣瓶的高壓氣可經過活塞1的密封面達到泄放閥活塞。

定時調節器送氣部分動作的條件為

由上式可求出送氣部分動作時, 發射氣瓶的壓力

2) 定時調節器放氣部分定量氣孔放氣模型

當泄放閥打開時, 無泡氣瓶中的空氣經定量氣孔放到艙室中。假設氣體的流動過程是等熵的, 根據空氣動力學理論[4], 無泡氣瓶空氣經定量氣孔流到艙室的流量為

3) 定時調節器放氣部分動作模型

定時調節器的送氣部分動作取決于無泡氣瓶的壓力降。送氣部分動作時無泡氣瓶壓力可通過下式計算

2.2 無泡氣瓶模型

該模型用于描述無泡系統工作過程中無泡氣瓶中氣體的壓力、溫度以及質量的變化。

假設無泡氣瓶的放氣過程為絕熱過程, 則由氣體熱力學定律經推導, 有

若忽略氣體的泄漏, 根據質量守恒定律, 有

2.3 泄放閥數學模型

1) 泄放閥打開時的壓強

式中: 為泄放閥工作面積; 為閥桿的面積; 為泄放閥活塞面積; 為導向桿的面積; 為泄放閥彈簧的壓緊力。

2) 泄放閥的開啟面積

泄放閥的理論打開面積為閥門的平衡開度與閥門周長的乘積, 平衡開度可由其彈簧受力后的平衡位置來確定, 即

因此, 泄放閥理論打開面積

水工隧洞混凝土質量通病主要表現為以下幾項：蜂窩麻面、水泡、氣泡、錯臺、裂縫、顏色不均、結合部位爛根、冷縫等質量通病。

3) 通過泄放閥的回收空氣量計算

泄放閥首先回收發射管內空氣, 空氣經泄放閥流進無泡水柜的空氣流量的計算模型同式(3)

4) 通過泄放閥的回收海水量計算

為了在仿真中計算海水回收量, 須在數學模型中做以下工作。

2.4 無泡水柜內氣體狀態方程

該無泡水柜控制體的方程如下

3 氣水回收過程的仿真與分析

根據以上建立的無泡系統數學模型, 結合已有的氣動不平衡發射系統數學模型[2], 以4階龍格–庫塔算法作為求解微分方程的基本算法, 編制仿真程序。在給定初始條件下, 運用仿真程序即可對發射過程進行仿真。

3.1 仿真結果

通過仿真可獲得不同發射深度條件下回收氣水的結果。這里給出發射深度分別為45 m, 35 m, 25 m, 15 m時的結果, 如表1所示。發射后期泄放閥回收空氣與海水過程曲線分別見圖4和圖5。

表1 無泡系統仿真結果

圖4 泄放閥回收空氣量隨時間變化圖

圖5 泄放閥回收海水量時間變化圖

3.2 仿真結果分析

通過對仿真結果進行分析, 可以得出:

1) 泄放閥開啟時刻與發射深度相關, 發射深度越大, 開啟時刻推遲(見表1)。這是因為雖然定時調節器送氣部分動作不受外部海水壓力影響, 但泄放閥的開啟還與發射管內壓力有關, 即與外部海水壓力有關, 發射深度大, 外部海水壓力大, 泄放閥開啟推遲。

2) 泄放閥開啟延時時間受發射深度影響較大, 發射深度越大, 泄放閥開啟延時時間越短(見表1)。這是因為定時調節器放氣部分動作受海水壓力控制, 發射深度大, 海水壓力大, 放氣部分動作早, 因此泄放閥關閉早。

3) 泄放閥回收空氣量與發射過程中注入發射管的氣量是相同的, 發射深度大, 所需氣量大, 回收氣量相應增大(見圖4)。

4) 在不同發射深度泄放閥回收海水量基本相同, 約為300 L左右。這與ГС-45發射裝置要求回收水量為150~400 L的技術指標相符。在泄放閥開啟面積固定的條件下, 海水的回收取決于外部海水壓力與泄放閥開啟延時時間。發射深度大時, 海水回收速度快(見圖5), 為保證不同深度具有相同的回收海水量, 只能通過減小泄放閥開啟時間(見表1)來實現。從仿真結果來看, ГС-45定時調節器的結構設計基本實現了發射裝置對回收水量的要求。

4 結束語

通過建立無泡系統的數學模型, 并結合已有的氣動不平衡發射系統數學模型, 對無泡系統氣水回收過程進行了仿真。仿真結果表明, 所建立的模型基本能反映發射后期氣水回收過程的基本規律。所建立數學模型可用于該類發射裝置無泡系統論證與設計過程的理論分析與研究。

[1] 王樹宗, 王一中. 海軍艦艇武器裝備概論[M]. 北京: 兵器工業出版社, 1995: 182-233.

[2] 王樹宗, 練永慶, 陳一雕. 氣動式水下武器發射裝置內彈道數學模型[J]. 彈道學報, 2003, 15(1): 21-26. Wang Shu-zong, Lian Yong-qing, Chen Yi-diao. The Mathemaitc Model of the Underwater Compressed-air Launcher [J]. Journal of Ballistics, 2003, 15(1): 21-26.

[3] 練永慶, 王樹宗. 氣動式水下武器發射裝置節流閥流通面積研究[J]. 彈道學報, 2006, 18(2): 53-57. Lian Yong-qing, Wang Shu-zong. Research on Flow Area of Throttle in Compressed-air Launcher [J]. Journal of Ballistics, 2006, 18(2): 53-56.

[4] 王保國, 劉淑艷, 黃偉光.氣體動力學[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2005.

Simulation of Gas-water Recovery Process in Pneumatic Imbalanced Torpedo Launcher

LIAN Yong-qing1, Zhou Hou-cheng2, Wu Kai-feng3, TIAN Bing1

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. University of National Defence, The People′s Liberation Army of China, Beijing 100091, China; 3. 91341thUnit, The People's Liberation Army of China, Weihai 264200, China)

The gas-water recovery process of non-bubble system has direct influence on the stealth and proportionality of the submarine as it launches a torpedo with pneumatic imbalanced torpedo launcher. To investigate the recovery process, mathematical models of this system are built about timing regulator, bubble-free air flask, relief valve, and so on, and the gas-water recovery process of the non-bubble system is simulated by combining with existing pneumatic imbalanced torpedo launcher models. Comparison of the simulation result with the practical recovery amount shows that the mathematical models are correct, and can be applied to design and analysis of the non-bubble system of pneumatic imbalanced torpedo launcher.

torpedo; submarine; pneumatic imbalance torpedo launcher; non-bubble system; simulation

TJ635

A

1673-1948(2012)03-0220-05

2011-06-09;

2011-08-04.

練永慶(1973-), 男, 博士, 講師, 主要研究方向為魚雷動力與發射技術.

(責任編輯: 許 妍)