氣動不平衡式發(fā)射裝置定時調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對武器出管速度影響的研究

馬琪，曹曉明，魏勇

（海軍潛艇學(xué)院戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系，山東青島，266071）

0 引言

俄羅斯的Гс-240發(fā)射裝置通過大幅增加機械強度和發(fā)射能量，以及截面調(diào)節(jié)等技術(shù)使其發(fā)射深度達(dá)到240m[1]。為保證在不同深度無泡無傾差發(fā)射，且使武器具有安全出管速度，定時調(diào)節(jié)器發(fā)揮至關(guān)重要的作用。定時調(diào)節(jié)器控制泄放過程泄放閥開啟時機和泄放閥開啟持續(xù)時間，控制在不同發(fā)射深度泄入無泡水柜壓縮空氣和海水量一致，使武器具有安全出管速度的同時，確保潛艇操縱安全性。

1 定時調(diào)節(jié)器工作原理

定時調(diào)節(jié)器實際上是由定時送氣閥、定時放氣閥兩個氣動延時閥組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定時調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡圖

發(fā)射氣瓶未充氣時，在各自彈簧彈力作用下，定時送氣活塞位于下面位置，定時放氣活塞位于上面位置。無泡氣瓶至泄放閥上腔通路打開，放氣活塞上端面至放氣孔通路打開。

發(fā)射時，發(fā)射氣瓶壓強下降，由發(fā)射氣瓶作用在活塞下腔壓力和深度氣瓶氣體作用在活塞上壓的合力不足以維持活塞關(guān)閉通路時，定時送氣閥活塞向下運動，氣路打開。無泡氣瓶至泄放閥上腔通路打開，氣體進(jìn)入泄放閥上腔，壓強達(dá)到一定值時，泄放閥打開。此時，在無泡氣瓶至泄放閥氣路間的定量氣孔，不斷排氣。當(dāng)無泡氣瓶壓強下降到一定值時，在定時放氣閥部分，無泡氣瓶氣體作用在活塞上端壓力不足以克服彈簧彈力，活塞向上運動，打開泄放閥至定時放氣閥部分通路，作用在泄放閥上腔氣體從放氣孔放出，泄放閥關(guān)閉。同時，無泡氣瓶、定時放氣閥前腔壓縮氣體也經(jīng)放氣孔放出。定時調(diào)節(jié)器恢復(fù)初始狀態(tài)。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 定時送氣閥模型

對定時送氣閥活塞進(jìn)行受力分析，可得到運動方程。

式中：ms為送氣部分閥芯質(zhì)量；xs為送氣部分閥芯位移；Cs為送氣部分彈簧剛度；x0為彈簧預(yù)壓縮量；pwp為無泡氣瓶壓強；pxfs為泄放閥上腔壓強；Psd為深度氣瓶壓強；Pf為發(fā)射氣瓶壓強；g為重力加速度；S1為活塞面積；S2為閥芯受氣壓面積；S3為彈簧座部分受氣壓面積；Rc1為活塞密封環(huán)受到摩擦阻力；Rc2為閥芯密封環(huán)受到摩擦阻力；Rbs為活塞、閥芯運動受到粘性阻力。

送氣閥閥體運動后，無泡氣瓶內(nèi)的壓縮氣體流入送氣閥，有一小部分氣體經(jīng)定量氣孔排出，經(jīng)放氣閥定量氣孔流出氣體質(zhì)量流量為：

式中：?dl為定量氣孔流量系數(shù)；Sdl為定量氣孔流通面積；pxfs為泄放閥上腔壓強；Txfs為泄放閥上腔溫度。

送氣閥上腔壓強強變化可表示為：

式中：Tk為送氣閥上腔溫度；Vk為管路和送氣閥上腔總?cè)莘e；Qmk為自動截止器6腔管路定量氣孔和排氣閥排出氣體質(zhì)量流量。

2.2 定時放氣閥模型

對定時放氣閥活塞進(jìn)行受力分析，可得到運動方程。

在開展省級宣傳的同時，充分發(fā)揮基層水保部門的力量開展宣傳，做到了統(tǒng)一部署、協(xié)調(diào)并進(jìn)、上下聯(lián)動、全面拓展。州縣利用賽馬會、物資交流會等活動，通過展板、發(fā)放宣傳材料、開展現(xiàn)場知識講解、手機群發(fā)公益宣傳信息等多種形式，廣泛宣傳水土保持法律法規(guī)及相關(guān)知識，不斷強化農(nóng)牧民群眾水土保持意識，增強了參與生態(tài)建設(shè)的自覺性，為促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

式中：mf為放氣閥部分閥芯質(zhì)量；xf為放氣閥部分閥芯位移；Cf為放氣閥部分彈簧剛度；xf0為彈簧預(yù)壓縮量；pxfs為泄放閥上腔壓強；pwp為無泡氣瓶壓強；S4為放氣閥部分閥芯受無泡氣瓶氣壓面積；S5為閥口面積；S6為閥桿面積；Rc4為活塞密封環(huán)受到摩擦阻力；Rc6為閥芯密封環(huán)受到摩擦阻力；Rbf為放氣閥部分活塞、閥芯運動受到粘性阻力。

當(dāng)放氣閥打開后，無泡氣瓶至泄放閥上腔氣路中氣體經(jīng)放氣孔放出，經(jīng)排氣孔流出氣體流量為：

式中：?pq為排氣孔流量系數(shù)；Spq為排氣孔流通面積；pxfs為泄放閥上腔壓強；Txfs為泄放閥上腔溫度。

2.3 泄放閥模型

對泄放閥閥盤進(jìn)行受力分析，由牛頓第二定律可得：

式中：mxf為泄放閥活塞及彈簧質(zhì)量；xxf為泄放閥閥盤位移；pxfs為泄放閥上腔壓強；S7為閥桿面積；S8為活塞面積；S9為閥盤面積；pg為發(fā)射管內(nèi)壓強；Rxc為活塞運動所受摩擦阻力；Rxf為粘性阻力。

由于泄放閥上腔與放氣閥上腔連通，泄放閥上腔的壓強與放氣閥上腔壓強相等。送氣閥閥體運動后，無泡氣瓶內(nèi)氣體經(jīng)內(nèi)氣路流入放氣閥，同時又有部分氣體經(jīng)定量氣孔排出。因此，泄放閥上腔壓強變化可表示為：

式中：Vxfs為泄放閥上腔、放氣閥上腔容積總和；Txks為泄放閥上腔溫度。

當(dāng)泄放閥上腔壓力大于一定值時，泄放閥打開，通過節(jié)流閥流出氣體的流量為：

式中：?lc為氣體流出口流量系數(shù)；Slc為泄放時氣體流通最小面積；ρlc為氣體流出口氣體密度；vlc為氣體流出口氣體流速。

通過泄放閥的熱焓排出率為：

2.4 武器運動模型

對武器進(jìn)行受力分析，由牛頓第二定律可得武器運動方程：

式中：vT為武器速度；mT為武器質(zhì)量；ST為武器截面積；RT為武器受到阻力和。

3 仿真計算

在simulink環(huán)境下，采用ode45，分別對不同發(fā)射深度、不同彈簧預(yù)壓縮量的武器出管速度進(jìn)行仿真計算。

3.1 定時送氣閥彈簧預(yù)壓縮量對武器出管速度影響

改變定時送氣閥彈簧預(yù)壓縮量xs0=22.0mm、23.5mm、25.0mm，保持定時放氣閥彈簧預(yù)壓縮量不變，得到發(fā)射深度h=50m、80m、100m武器速度隨行程變化曲線，如圖2、3、4所示。

圖2 50m發(fā)射深度武器速度行程曲線

圖3 80m發(fā)射深度武器速度行程曲線

圖4 100m發(fā)射深度武器速度行程曲線

改變彈簧預(yù)壓縮量，一定程度上影響武器出管速度。武器出管速度隨定時送氣閥彈簧預(yù)壓縮量增大而減小。彈簧壓縮量的改變，直接影響定時送氣活塞動作的響應(yīng)時間，定時送氣活塞響應(yīng)時間會改變泄放閥開啟的時刻，進(jìn)而造成武器速度的改變。

3.2 定時放氣閥彈簧預(yù)壓縮量對武器出管速度影響

改變定時放氣閥彈簧預(yù)壓縮量xf0=14.5mm、15.2mm、15.9mm，保持定時送氣閥彈簧預(yù)壓縮量不變，得到發(fā)射深度h=50m、80m、100m武器速度隨行程變化曲線，如圖5、6、7所示。

圖5 50m發(fā)射深度武器速度行程曲線

圖6 80m發(fā)射深度武器速度行程曲線

圖7 100m發(fā)射深度武器速度行程曲線

與小深度發(fā)射相比，在大深度發(fā)射，改變定時放氣閥彈簧預(yù)壓縮量，對武器出管速度影響不明顯。改變彈簧預(yù)壓縮量，影響了放氣活塞動作點的壓力，進(jìn)而改變泄放閥開啟時間長短。根據(jù)泄放閥開啟時，發(fā)射行程與深度對應(yīng)關(guān)系可知，當(dāng)發(fā)射深度大于100m時，泄放閥在武器位移達(dá)7.5m后開啟。對大深度發(fā)射而言，改變放氣閥彈簧預(yù)壓縮量，主要影響發(fā)射后氣水回收過程，氣體海水回收量，彈簧壓縮量過大，泄放時間過短，會導(dǎo)致泄放不完全，造成發(fā)射“冒泡”現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）調(diào)整定時送氣閥彈簧預(yù)壓縮量，會影響定時送氣活塞響應(yīng)時間，從而改變泄放閥開啟時刻。定時調(diào)節(jié)器送氣閥預(yù)壓縮量越大，武器出管速度越小。

（2）調(diào)整定時放氣閥彈簧預(yù)壓縮量，會影響定時放氣活塞動作點壓強，從而改變泄放閥開啟持續(xù)時間。小深度發(fā)射時，定時放氣閥彈簧預(yù)壓縮量越大，武器出管速度越大，大深度發(fā)射時，定時放氣閥彈簧預(yù)壓縮量對武器出管速度影響甚微。