鋼絲繩氣缸式彈射裝置陸上及水下發射內彈道對比分析

2018-09-02 11:08:34閆晴霄李鵬永常書麗

艦船科學技術 2018年8期

關鍵詞：深度

閆晴霄，李鵬永，常書麗

(1. 鄭州機電工程研究所，河南鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南鄭州 450015)

0 引言

在目前的導彈武器系統發射技術中，與其他發射技術相比，彈射技術具有其獨特的優點，因而從20世紀50年代末期開始，彈射技術得到了廣泛的發展和應用。分別有以壓縮空氣、燃氣、燃氣-蒸汽等為工質的彈射裝置，從發射裝置的形式來分類，主要有筒式彈射和氣缸式彈射2種，本文所述的鋼絲繩氣缸式彈射裝置是在氣缸式彈射裝置的一種形式。

1 彈射器結構形式及技術方案

1.1 鋼絲繩氣缸式彈射裝置簡介

鋼絲繩氣缸式彈射裝置主要由鋼絲繩、氣缸、活塞機構、滑輪機構、產氣裝置（燃氣發生器）、集氣裝置等部分組成，具體結構形式如圖1所示。其主要工作過程如下：當接收到發射指令后，燃氣發生器點火器起爆，引燃點火藥，點火藥產生的高溫燃氣點燃主裝藥，之后主裝藥按設計規律燃燒產生高溫、高壓燃氣，燃氣流經過燃氣發生器下部出口噴出，通過導流管從氣缸上部進入氣缸內部，隨后推動活塞按預定規律向下運動，并通過提拉彈底板使導彈隨之運動，當活塞運動到底部的時候，彈底板與提拉裝置分離，隨后導彈隨彈底板繼續在筒內運動直至出筒。

1.2 鋼絲繩氣缸式彈射裝置特點

鋼絲繩氣缸式彈射裝置與筒式彈射裝置相比，具有以下特點：

1）筒式彈射裝置燃氣進入發射筒后直接作用于導彈底部，推動導彈運動；鋼絲繩氣缸式彈射裝置燃氣不進入發射筒筒底，直接進入氣缸內，使燃氣與導彈完全分離，發射筒只用于儲運導彈，不再承受高壓力，有助于減少發射筒重量、提高發射筒的安全性等。

圖1 鋼絲繩氣缸結構示意簡圖Fig. 1 The structural representation of the wire rope cylinder

2）筒式彈射裝置與導彈為串聯連接時，需要軸向空間，當為并聯連接（平行布置）時，需要徑向空間；鋼絲繩氣缸式彈射裝置與導彈為并聯連接。但相對于筒式彈射裝置的徑向空間需求少，同時有助于減少發射筒的長度，改善武器系統的機動性。

3）筒式彈射裝置彈射導彈時，需克服發射深度下的海水背壓，即阻力相對較大，不容易實現大深度發射；而鋼絲繩氣缸式彈射裝置發射導彈時不會產生這部分阻力，有助于實現導彈大深度發射。

4）筒式彈射裝置彈射導彈時，導彈出筒時會有大量氣體進入水中，產生大分貝噪音；而氣缸為一個密閉空間，發射導彈時，筒內不會產生氣體，同時燃氣進入氣缸后也不會產生過大的聲音，能大大減小發射時產生的噪音，實現寂靜發射。

2 鋼絲繩氣缸式彈射裝置發射內彈道數學模型

2.1 發射內彈道模型基本假設

發射內彈道模型建立的基本假設如下：

1）不具體考慮工質氣流各參數沿管路的變化情況，把工質氣流沿管路的流動看作是工質能量從發射動力系統向氣缸輸送過程；

2）不分別考慮火藥氣體各組成成份的作用，而是將火藥氣體看作一個整體來發揮其作用；

3）對于熱傳遞等能量損失，用能量系數考慮，并假定其值在整個過程中為一常數；

4）由于過程的不可逆性造成的能量貶值和漏氣造成的質量損失用壓力系數來考慮；

5）由于氣缸內工質氣體存在著宏觀動能，引入動能系數來考慮，并假定其值在整個發射過程為一常數；

6）氣缸內的燃氣、空氣視為理想氣體。

2.2 發射內彈道方程組

2.2.1 質量守恒方程

進入氣缸內的燃氣量計算公式如下：

2.2.2 能量方程

進入氣缸內的總能量在不考慮傳熱損失的情況下等于各部分氣體的內能、導彈動能、阻力功的和。

2.2.3 狀態方程

根據道爾頓分壓定律，氣體總壓等于各氣體分壓的和，氣缸底混合氣體壓力：

2.2.4 運動方程

根據牛頓第二定律，得到運動方程如下：

3 發射內彈道計算分析及結論

根據上述分析建立的鋼絲繩氣缸式彈射裝置發射內彈道數學模型，由于鋼絲繩氣缸式彈射裝置具有動平衡發射的特點，及導彈在水下發射時是泡在水中，前后壓差與發射深度無關，因此深度對導彈出筒速度基本無影響。因此，陸上與水下發射的主要區別為是否存在水阻力、附加慣性質量力等阻力項。利用編寫仿真計算程序，完成了陸上發射及水下發射的仿真計算，發射內彈道主要技術指標計算結果如圖2～圖6所示。

從發射內彈道仿真計算結果可以看出：鋼絲繩氣缸式彈射裝置發射導彈時，速度、加速度、壓力、溫度等發射內彈道曲線平穩，使導彈在大深度的發射條件下具有較高的出筒速度。由于水下發射相比于陸上發射存在水阻力、附加慣性質量力等阻力，導彈運動加速度相對較小，導彈出筒速度也相對較低，位移較慢。因此在相同的燃氣流量情況下，氣缸內產生的壓力較大。