潛用AUV自航發(fā)射彈道建模與仿真

黃蘇和, 王凱帥, 劉 星

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潛用AUV自航發(fā)射彈道建模與仿真

黃蘇和, 王凱帥, 劉 星

(中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京, 100094)

采用魚雷發(fā)射管自航發(fā)射自主式水下航行器(AUV)是潛艇發(fā)射AUV的最理想方式。為研究潛用AUV自航發(fā)射技術(shù), 文章基于后端有效補(bǔ)水的發(fā)射裝置, 建立了AUV自航發(fā)射彈道模型, 包括AUV發(fā)射管內(nèi)彈道模型和管口彈道模型, 對(duì)AUV自航發(fā)射出管的可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明, 自航發(fā)射時(shí)艇速、AUV出管速度以及AUV自身正浮力或負(fù)浮力是影響AUV自航出管可行性的主要因素。該結(jié)果可為采用魚雷發(fā)射管自航發(fā)射AUV技術(shù)提供參考。

自主式水下航行器(AUV); 潛艇; 自航發(fā)射; 彈道模型

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0 引言

自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV), 由于具有適應(yīng)性強(qiáng)、遠(yuǎn)航程、大潛深、零傷亡以及隱蔽性好等一系列特點(diǎn), 被譽(yù)為水下作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)力量的倍增器[1-2]。潛艇搭載AUV, 可充分發(fā)揮其水下危險(xiǎn)海域的偵察、監(jiān)視及預(yù)警功能[3], 提高潛艇作戰(zhàn)半徑, 降低潛艇暴露概率。進(jìn)入21世紀(jì)以來, 世界多個(gè)國(guó)家新型潛艇上均已裝備AUV[4-6]。

隱蔽性是潛艇及AUV工作的前提條件, 如何安靜布放是潛用AUV的使用基礎(chǔ)。自航式發(fā)射具有發(fā)射噪聲低、可實(shí)現(xiàn)大深度發(fā)射的優(yōu)點(diǎn), 利用潛艇魚雷發(fā)射裝置實(shí)現(xiàn)AUV自航發(fā)射是潛艇布放AUV的最理想方式。空穴效應(yīng)、袋深過大、碰撞防波板等都是AUV自航發(fā)射過程中需要避免的問題[7]。基于潛艇魚雷發(fā)射技術(shù)要求, 論文建立了潛用AUV自航發(fā)射彈道模型并進(jìn)行了仿真分析, 得到了仿真結(jié)論。

1 潛用AUV自航發(fā)射原理

對(duì)于潛艇上常規(guī)的魚雷發(fā)射裝置, 為了保證發(fā)射過程中魚雷后端的發(fā)射介質(zhì)不發(fā)生泄漏, 一般魚雷與發(fā)射管之間間隙僅為2~3 mm, 不能形成有效的補(bǔ)水通道, 因此, 使用現(xiàn)有魚雷發(fā)射裝置無法實(shí)現(xiàn)大口徑AUV自航發(fā)射[7-8]。通過有動(dòng)力后端補(bǔ)水可解決現(xiàn)有魚雷發(fā)射裝置自航發(fā)射AUV時(shí)的補(bǔ)水問題, 如圖1所示。AUV自航發(fā)射時(shí), 控制AUV正常啟動(dòng), 然后打開高壓氣瓶閥, 水缸內(nèi)部水被強(qiáng)行壓入發(fā)射管內(nèi), 形成有效的補(bǔ)水通道, AUV便可自航發(fā)射出管, 待AUV出管后, 關(guān)閉高壓氣瓶閥, 裝置恢復(fù)至液壓平衡態(tài)。

2 潛用AUV管內(nèi)彈道建模與仿真

2.1 管內(nèi)彈道模型假設(shè)

1) 發(fā)射時(shí)潛艇航深大于3 m, 忽略潛艇航行產(chǎn)生的興波阻力; 2) AUV在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng), 忽略其重力、浮力及流體力矩對(duì)其姿態(tài)的影響; 3) 附加質(zhì)量按照理想流體中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算; 4) 采用定常假設(shè)求解AUV流體阻力; 5) 假設(shè)發(fā)射管為均直圓管, 忽略局部損失。

2.2 管內(nèi)彈道模型建立

圖2所示為AUV在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力示意圖。分析圖2, 建立AUV在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程

1) 螺旋槳推力

螺旋槳推力

采用由試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出的函數(shù)關(guān)系式表示螺旋槳轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系[5]

2) AUV所受流體阻力

AUV所受流體阻力可表示為

3) AUV所受摩擦阻力

AUV在發(fā)射管內(nèi)導(dǎo)軌運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力

4) AUV發(fā)射管內(nèi)航行時(shí)的沿程阻力

沿程損失是由發(fā)射管內(nèi)部流體與發(fā)射管壁面的黏性摩擦引起的, AUV在發(fā)射管內(nèi)的沿程阻力可表示為

2.3 管內(nèi)彈道仿真計(jì)算

利用上述模型對(duì)某型AUV發(fā)射管內(nèi)彈道模型進(jìn)行仿真, 該AUV主要參數(shù)為: 直徑0.5 m, 長(zhǎng)度6.6 m, 正浮力20 N, 單槳推進(jìn)。仿真時(shí), 取發(fā)射管粗糙度0.015, AUV與發(fā)射管摩擦系數(shù)0.25, 螺旋槳直徑0.4 m, AUV電機(jī)啟動(dòng)系數(shù)10。圖3所示為AUV在發(fā)射管內(nèi)的位移和速度曲線, 圖4所示為AUV螺旋槳發(fā)射管內(nèi)轉(zhuǎn)速曲線。

分析圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn), 自航發(fā)射過程中, 電機(jī)啟動(dòng)后, AUV航速緩慢增加, 這是由于AUV電機(jī)低速啟動(dòng), 螺旋槳需要一段時(shí)間才能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。由于AUV航速一般只有幾節(jié), 因此, AUV螺旋槳經(jīng)過較短的時(shí)間(3.5 s)即可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速12 r/s, 此后AUV增速減緩, AUV在管內(nèi)的末程其位移隨著時(shí)間變化近似呈線性增長(zhǎng)。如圖3所示, AUV航行至出管時(shí), 航速約可達(dá)4.5 kn, 出管時(shí)間約需5 s, 相比采用常規(guī)魚雷發(fā)射方式, 自航發(fā)射AUV時(shí)出管速度低、出管時(shí)間較長(zhǎng)。AUV自航發(fā)射時(shí), 可避免采用瞬時(shí)高壓推動(dòng)活塞, 從而大幅降低發(fā)射噪聲, 達(dá)到隱蔽布放的目的。

3 潛用AUV管口處彈道建模與仿真

AUV在離開發(fā)射管后, 仍需經(jīng)過潛艇防波板平臺(tái)區(qū)方可離艇, 如圖5所示。在此期間, 由于受到正浮力或負(fù)浮力作用, AUV會(huì)在垂直運(yùn)動(dòng)方向上浮或下沉。為了保證AUV安全離艇, 必需保證AUV在平臺(tái)區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)不與艇碰撞。

3.1 管口處彈道模型假設(shè)

管口處彈道模型主要涉及AUV在潛艇防波板平臺(tái)區(qū)的運(yùn)動(dòng)。AUV出管過程中, 一般會(huì)由于重浮心位置差異導(dǎo)致對(duì)支點(diǎn)產(chǎn)生力矩, 促使AUV旋轉(zhuǎn)。但是由于平臺(tái)區(qū)長(zhǎng)度十分有限, 僅僅為3 m左右, 因此AUV自航經(jīng)過平臺(tái)區(qū)的時(shí)間極短, 僅為1~2 s, 極短時(shí)間段內(nèi)的沖量矩比較小, 對(duì)姿態(tài)的影響也相應(yīng)較小, 因此在管口處彈道模型的建立過程中采用如下近似的簡(jiǎn)化假設(shè): 1) AUV在管口停留時(shí)間較短, 將AUV看作其縱軸與發(fā)射管軸平行下落, 開始時(shí)AUV軸與管軸重合, AUV后端與發(fā)射管前端重合; 2) 此階段, AUV螺旋槳達(dá)到額定轉(zhuǎn)速, 速度變化較小, 忽略AUV螺旋槳產(chǎn)生的推力; 3) 忽略潛艇運(yùn)動(dòng)引起的防波板平臺(tái)區(qū)內(nèi)流體動(dòng)力影響。

3.2 AUV管口處彈道模型建立

在圖5中建立隨體坐標(biāo)系, 建立AUV尾鰭后下端點(diǎn)(對(duì)于負(fù)浮力)或上端點(diǎn)(正浮力)的管口處彈道模型如下

3.3 管口處彈道仿真計(jì)算

仍取上述AUV進(jìn)行仿真, 取防波板平臺(tái)區(qū)長(zhǎng)度為3 m, 可按照戰(zhàn)斗錐度18計(jì)算其高度為0.167 m, 仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

分析圖6可知, 艇速對(duì)AUV在軸向的運(yùn)動(dòng)影響較大。艇速越大, AUV通過防波板平臺(tái)區(qū)的所需時(shí)間越長(zhǎng), 極有可能與艇發(fā)生碰撞。AUV出管速度對(duì)AUV在軸向的運(yùn)動(dòng)也有一定的影響, 出管速度越大, AUV越快度過防波板平臺(tái)區(qū)。因此,為了保證AUV可以安全自航出管, 應(yīng)盡可能降低發(fā)射時(shí)的艇速。

分析圖7可知, 對(duì)于同一型AUV, 正浮力(或負(fù)浮力)大小是影響其度過防波板平臺(tái)區(qū)時(shí)縱向位移的主要因素, 正浮力(或負(fù)浮力)越大, 縱向位移隨時(shí)間變化越劇烈, 越容易與艇發(fā)生碰撞。因此, 在自航式發(fā)射AUV時(shí), 應(yīng)盡可能降低AUV整體的正浮力(或負(fù)浮力)。

此外, 根據(jù)上節(jié)仿真結(jié)果, 該型AUV在到達(dá)防波板平臺(tái)區(qū)時(shí)其航速約為4.5 kn, 結(jié)合圖6和圖7, 當(dāng)艇速為0時(shí), AUV度過平臺(tái)區(qū)所需時(shí)間約為1.5 s, 此時(shí)對(duì)應(yīng)的縱向位移約為0.02 m, 滿足自航出管條件, 可以實(shí)現(xiàn)自航發(fā)射。

4 結(jié)論

自航發(fā)射具有發(fā)射噪聲低、可實(shí)現(xiàn)大深度發(fā)射等優(yōu)點(diǎn), 采用AUV自航發(fā)射, 是布放AUV的最理想方式。論文基于后端有效補(bǔ)水的發(fā)射裝置, 建立了AUV自航發(fā)射彈道模型, 包括AUV發(fā)射管內(nèi)彈道模型和管口處彈道模型, 通過數(shù)值仿真得出如下結(jié)論:

1) AUV電機(jī)啟動(dòng)后在管內(nèi)速度緩慢增加, AUV電機(jī)在發(fā)射管內(nèi)即可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速, 此后AUV速度趨于穩(wěn)定, 因此AUV管內(nèi)的末程位移隨時(shí)間變化近似呈線性增長(zhǎng);

2) AUV在發(fā)射管口處運(yùn)動(dòng)時(shí), 艇速對(duì)其軸向運(yùn)動(dòng)影響較大, 艇速越大, AUV在經(jīng)過防波板平臺(tái)區(qū)所需時(shí)間越長(zhǎng), AUV越容易與艇發(fā)生碰撞;

3) AUV在發(fā)射管口處運(yùn)動(dòng)時(shí), AUV出管速度對(duì)其軸向運(yùn)動(dòng)有一定的影響, 出管速度越大, AUV在經(jīng)過防波板平臺(tái)區(qū)所需時(shí)間越短, 安全性越高;

4) AUV在發(fā)射管口處的縱向運(yùn)動(dòng)受AUV自身的正浮力或負(fù)浮力影響, 因此, 為了保證自航出管安全性, 自航發(fā)射AUV時(shí)盡可能降低其正浮力或負(fù)浮力。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Modeling and Simulation of Trajectory forAUV Swim-out Launch on Submarine

HUANG Su-he, WANG Kai-shuai, LIU Xing

(Systems Engineering Research Institute, Beijing 100094, China)

Using torpedo launch tube for swim-out launch is the best method for submarine to launch an autonomous undersea vehicle(AUV). This study establishes the mathematical trajectory models of the AUV swim-out launch based on the launcher with backend water replenishment. The models include a submodel of internal trajectory of launch tube and a submodel of trajectory at the tube orifice. The feasibility of the AUV swim-out launch out of tube is verified by simulation, and the results show that the speed of a submarine,the launching speed, and the positive or negative buoyancy of the AUV are the main factors influencing the AUV swim-out launch. This study may provide a reference for swim-out launch of AUV through torpedo launch tube.

autonomous undersea vehicle(AUV); submarine; swim-out launch;trajectory model

U674.941; TJ635; TP391.9

A

2096-3920(2018)02-0129-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.02.005

黃蘇和, 王凱帥, 劉星. 潛用AUV自航發(fā)射彈道建模與仿真[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2018, 26(2): 129-132.

2017-08-05;

2018-01-22.

發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(20151409).

黃蘇和(1987-), 男, 工程師, 主要從事水中兵器系統(tǒng)研究