鱼雷高空投送载体结构设计特性研究

帅智浩, 曹小娟, 王志杰



鱼雷高空投送载体结构设计特性研究

帅智浩1,2, 曹小娟1, 王志杰1

(1. 中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710075; 2. 水下信息与控制重点实验室, 陕西 西安, 710075)

由于现代战争的空中化进程加剧, 制空权的争夺日趋激烈, 因此高空投送鱼雷(HADT)的出现符合现代化武器的发展趋势。分析了高空投送载体在制导滑翔炸弹(GGB)及高空反潜武器概念上的应用和研制现状, 在此基础上, 比较了HADT与GGB之间的异同点, 并从刚强度、环境适应性、导航控制、“可展开”、“可分离”等5个方面探讨了鱼雷高空投送载体的结构设计特性, 提出了相应的设计策略, 为HADT的设计研发提供思路。

高空投送鱼雷; 投送载体; 结构设计特性

0 引言

高空投送鱼雷(high altitude delivery of tor- pedo, HADT)是针对“高空反潜作战”概念开发的一种新型鱼雷武器, 也叫高空反潜鱼雷。它在现有轻型鱼雷的基础上加装飞行引导装置, 通过海上多用途飞机(固定翼)或岸基反潜机在高空发射, 高度在6000 m以上, 鱼雷与载机安全分离后, 依靠自动弹开的滑翔翼装置(投送载体)在空中无动力滑翔几十千米, 到达预定攻击区域后, 鱼雷与滑翔翼装置脱离, 鱼雷在降落伞的作用下稳定减速飞行, 直至鱼雷入水, 雷伞分离。

HADT的研制符合现代武器的发展趋势, 它以实现精确打击为目标, 旨在通过投送载体的运送实现远程、防区外的高速度攻击。HADT可由飞机进行高空远程投射, 从而提高飞机的生存能力, 降低飞机投雷时的姿态控制要求, 并且减少燃料消耗。

本文以鱼雷高空投送载体结构设计特性为着眼点, 分析了投送载体结构设计中可能会遇到的问题, 从典型工况和关键技术的角度探讨了相应问题的解决思路。

1 研究现状

高空投送载体的应用和发展主要体现在高空反潜武器概念以及制导滑翔炸弹(guided glide bomb, GGB)的研制和开发上。

高空反潜武器概念来自于美国希望为P-3海上巡逻机开发从高空投放MK54鱼雷能力的项目, 目的是使P-3反潜机能从6096m的高度投放鱼雷。洛克希德·马丁公司为P-3配备了“远程开火”弹翼适配器装置, 其研究表明, 投放高度若达到6 km, 反潜机可以从距离潜艇33~37km处发起攻击, 这样可以免受潜艇防空火力的威胁[1]。

雷声公司研究的“鱼鹰”系统是一套附加在MK54鱼雷上的武器系统, 可令执行猎潜任务的P-8多用途海上飞机或P-3“奥利安”岸基反潜机在高空精确部署鱼雷, 同时还能保持飞机处于安全的攻击范围之内。

无论是“远程开火”弹翼适配器装置, 还是“鱼鹰”武器系统, 都是一种高空投送载体, 正是基于这种技术, 才使得高空反潜武器概念成为可能。

就GGB而言, 中国的“雷石-6”、美国的“JSOW”(AGM-154)、台湾的“万剑弹”都是典型的例子。“雷石-6”是由500 kg级的航空炸弹改良而来, 它加装了一组可自动弹开的滑翔翼套件, 使发射后的炸弹产生极佳的空气动力, 从1枚普通的航空炸弹变成速度超过0.7倍音速的滑翔炸弹, 射程也因此大幅增加到65 km。在原炸弹弹体上部, 加装了1对可向后收拢的弹翼, 弹翼全部展开约宽2.5 m。在炸弹投放离机后, 弹翼套件将会自动展开, 炸弹会由于升力面积的增加而获得较好的气动性能, 进而大幅度增加投射距离。

不同于GGB的对地攻击, HADT主要用来对抗潜艇。GGB在离机后自动滑翔, 依靠弹载设备寻找目标, 在到达目标区域后即引爆, 只要发射时炸弹处于预定的发射区内, 其命中精度就可以得到保证。而HADT投放时必须实现投送载体和鱼雷的分离, 并为雷伞弹道提供良好的初始条件, 以便鱼雷能以较好的姿态入水。由于投送载体作用对象不同, HADT在进行雷翼分离时要避免空投附件同滑翔翼干涉, GGB则不存在这样的问题。除此之外, 不同的攻击对象将使得二者的使用工况有较大差别。HADT与GGB的异同点如表1所示。

表1 高空投送鱼雷与制导滑翔炸弹的异同点

2 设计特性

综上所述, 鱼雷高空投送载体是一套具有空中滑翔和制导功能的弹翼组件, 加装后将显著增加空投雷的投放高度、攻击作用距离及攻击覆盖范围。作为一种新型鱼雷武器, HADT的设计跨越航空、航海两大行业, 实际工况很难准确地进行地面模拟, 动态验证则需要平台实际投放, 涉及面广, 动用兵力多, 且易受天气影响, 进而带来组织实施的困难, 设计复杂度较高。这也对投送载体的设计提出了更多要求。鱼雷高空投送载体的设计除了应满足刚强度要求、环境适应性要求和控制导航的要求之外, 还应具有“可展开”和“可分离”的设计特性。

2.1 刚强度

刚强度是结构组件应具备的最基本的设计特性, 足够的刚度才能使产品抵抗整个生产和使用过程中可能遇到的变形, 足够的强度才能保证产品在承载时不发生断裂等意外状况。高空投送载体作为空投鱼雷的搭载平台, 必须要具有一定的刚强度, 以保证从挂起鱼雷至雷翼分离的整个过程都是安全而稳定的。其刚强度设计特性在典型工况中尤为重要, 主要包括下述几个方面。

1) 投送载体挂载鱼雷在机舱静止及飞机平飞时。这2种情况下, 投送载体的负载相近, 均为空投鱼雷及空投附件的质量之和, 考虑到从飞机起飞至发出投送指令可能需要较长的时间, 所以此工况也为投送载体工作时间最长的工况。

2) 飞机起飞、机动飞行及携雷降落时。此时, 由于惯性力作用, 投送载体要承载和静止时不同的载荷, 如果飞机的过载较大, 此工况下投送载体承载的载荷可能达到最大值。

3) 飞机投放投送载体时。由于滑翔翼的展开将对投送载体本身及空投鱼雷系统造成冲击, 所以此工况也为典型工况之一。

4) 投送载体载着空投鱼雷滑翔时。由于没有了飞机的牵引, 投送载体在从飞机投放后将依靠滑翔翼产生的气动力滑翔, 此时投送载体所承受的外载荷是气动力和空投鱼雷系统的重力共同作用的结果。

针对投送载体的刚强度设计特性, 其设计策略应遵循一般的工程设计方法, 找出投送载体在使用过程中的典型工况, 并对每种工况可能出现的极限应力应变加以分析, 校核其刚强度, 必要时可以通过静力学分析得出实际工况下的载荷分布规律, 确保没有遗漏刚强度可能达到极限的情形。

2.2 环境适应性

环境适应性是指产品在其全寿命周期内的贮存、运输和使用等状态中会遇到的各种极端应力的作用下实现其设计时应具备的全部功能的能力, 是产品的重要质量特性之一。高空投送载体作为高空反潜武器的重要组成部分, 其环境适应性不强可能直接导致投送系统无法工作、控制导航失去作用等极其严重的后果。

目前空投鱼雷主要用于150 m左右的低空反潜范围内, 高空环境适应性是制约鱼雷发展和使用的一个重要因素。由于低空反潜技术的发展和应用已日趋完善, 投送载体环境适应性的设计策略以高空环境适应性为主, 综合考量其使用过程中可能会经历的环境, 进行必要的冗余设计, 尽可能采用优良的表面处理工艺, 以减缓环境的影响。

进行高空环境适应性设计时主要考虑的因素有以下几个方面。

1) 振动因素。考虑到高空中复杂的工况, 投送载体在滑翔时会不可避免地遇到颤振、冲击、噪声等多种因素的激励, 如果对振动环境适应性不强, 就可能出现零部件损坏、电子设备失灵、连接件工艺性能破坏等意外状况, 从而带来灾难性的后果。在进行结构设计时, 可以利用随机振动试验考核其结构的完整性, 采用正弦振动试验来暴露产品的薄弱环节, 进而改进和优化投送载体的结构设计。

2) 冲击与碰撞因素。投送载体滑翔翼打开时, 会在推力的作用下与锁紧销发生碰撞, 如果采用燃气作动筒提供主动力矩, 碰撞会更迅速、更强烈, 冲击和碰撞可以直接使产品失去应有的工作能力, 使零部件损伤或断裂。在进行结构设计时, 应设计相应的试验装置, 重点考核折叠翼的展开对投送载体的冲击影响。

3) 过载。除了飞机正常起飞和降落等过程会给投送载体带来过载外, 遇到紧急情况时飞机的应急动作同样可能带来较大过载。失重效应会破坏散热的重要途径, 导致直流电机碳刷磨损加剧; 增重效应会使密封的液体压力增大, 零部件内部应力增加, 进而影响其工作性能。投送载体及其搭载的元器件必须具备一定的克服过载的能力, 才能保证HADT的正常工作。

4) 风力因素。由于HADT在飞行过程中要穿越高空风区域, 而高空风对弹道、导航等影响较大, 所以在进行投送载体的导航控制模块设计时, 应把风力影响当作一个重要因素来考量。

5) 低气压因素。对于主要工作区间在5~ 6 km高空的投送载体来说, 其所处位置的压强约为海平面标准大气压的一半。而低气压环境会使产品结构发生变形, 对密封件造成损坏, 增大润滑脂的挥发, 还会降低控制导航模块电子组件的电气性能。为此, 在进行环境适应性设计时, 应进行低气压试验或与其他环境因素相结合的综合试验, 以考核投送载体及其组件在低气压条件下储存、运输和使用的适应能力。

6) 低温因素。不同于低空的空投鱼雷, HADT使用时所处的空间位置更高, 投送载体搭载的仪器设备所处的温度环境也更恶劣, 可低至－50℃~－60℃。在较低的温度下, 想要保证各设备部件正常运转, 一方面可以进行优良的密封设计, 另一方面可以采取一定的保温措施, 例如用飞机弹舱进行加温。

除了上述因素外, 湿度、电磁环境等都是影响投送载体正常工作的环境要素, 在进行具体设计时也必须予以考虑。

2.3 导航控制

投送载体在发射离机(反潜机)后, 需要实现空投鱼雷和载体的分离, 并为雷伞弹道提供良好的初始条件, 所以导航控制也是投送载体重要的设计特性之一。

组合导航是近代导航理论和技术发展的产物, 它由GPS、无线电导航、天文导航、卫星导航等系统中的一个或几个与惯导相结合而成, 利用载体上的惯性测量装置敏感载体的运动, 输出载体的姿态和位置信息, 惯导定位误差随时间积累的不足由其他导航系统弥补。相比于单一的导航方式, 组合导航具有无可比拟的优势。它兼具单个导航的性能却又突破了单一导航的局限性, 同时可以利用多种信息源, 互相补充, 构成一种多余度和导航准确度更高的多功能系统。

投送载体在高空面临着复杂的环境, 而惯导系统可以免受外界干扰, 隐蔽性出色, 这就为导航控制提供了可能; 同时, 为了弥补惯导定位误差的累积, 采用GPS或北斗导航系统。由于HADT飞行时间比较长, 距离较大, 此过程中目标潜艇的位置也会不断变化, 为了提高命中精度, 需要在飞行过程中对目标参数进行修正, 为此可以考虑加装无线指令修正系统。

为了给空投鱼雷入水提供良好的初始条件, 还需要加装按照闭环负反馈原理组成的自动控制系统。其工作原理为: 敏感元件测量投送载体的实际运动参数, 并输出相应的信号同目标约束(虚目标点的位置信息、速度条件等)进行比较, 产生偏差信号, 经信息处理装置放大后, 成为符合控制规律的信号, 操纵伺服机构, 使舵面产生相应偏转[2]。

2.4 “可展开”

由于战斗机机舱空间的限制和投送载体对气动特性的追求, 投送载体必须使用展开机构来控制机翼的展开, 进而达到既节约运载空间又满足气动性能的目的。折叠翼技术可以通过展开机构改变机翼的位置来改变飞机的机动特性, 其在高空投送载体上的应用可以节省存储空间, 便于投送载体箱式存储和运输, 增加飞机的运载能力, 进而提高飞机的战斗力[3]。

按照不同的动力源划分, 弹翼展开方式可分为高压气体式、拉簧式和燃气作动筒式。高压气体式弹翼展开系统是以高压气瓶提供动力, 通过活塞杆和连杆机构驱动弹翼转动, 现在已不常用。拉簧式弹翼展开系统以拉簧为初始展开驱动力, 使折叠翼在轴向过载及气动力的共同作用下绕转轴转动, 展开到位后与锁紧销发生碰撞并被锁紧。拉簧式展开系统的优点在于设计简单、成本较低且易于实现。

作动筒式展开系统主要由燃气作动筒、展开执行机构及折叠弹翼组成, 常用的展开执行机构包括直连式、联动滑块式与齿轮齿条式[4]。其动力系统主要由活塞推力杆、活塞筒和推进剂主装药组成, 工作原理为: 主装药燃烧产生高温高压燃气推动活塞推力杆运动, 推力杆进一步推动弹翼展开执行机构, 进而完成弹翼展开功能。其特点是工作时间短, 活塞筒内室压高、推力大, 且内弹道性能与弹翼展开执行机构的结构形式、展开过程中的各种负载等密切相关。

相较于另外2种展开方式, 燃气作动筒式展开系统可以实现快速高效的弹翼展开, 并具有更高的可靠性。HADT是一种新型武器, 其投送载体的设计需要关注更多的参数, 而作动筒式展开机构的结构形式和负载与内弹道性能密切相关的特性更有助于设计的改进和优化。

2.5 “可分离”

鉴于HADT的作战需要, 投送载体搭载鱼雷到达预定攻击区后, 必须实现雷体及空投附件与投送载体的分离。与精确制导炸弹与载体分离不同的是, 雷伞系统必须在空中有足够的时间以便降落伞打开, 且降落伞开启后要保证鱼雷以一定的姿态入水。

要实现雷伞系统和投送载体的安全分离, 必须要有一套完整的分离装置作保证。分离装置主要具有2个功能, 一个是在飞机飞行过程中稳定地吊装鱼雷, 一个是到达分离点后实现雷翼安全分离。分离装置可以借鉴国内外同类产品的相关技术和成熟经验, 并根据投送载体自身的分离特点进行一定的创新设计。

分离条件关系到雷翼能否安全分离及降落伞能否安全工作, 在进行分离装置设计时需要考虑下述因素:

1) 雷翼按要求安全分离, 同时不影响降落伞的正常打开;

2) 保证鱼雷的入水姿态, 为雷伞弹道提供良好的初始条件;

3) 足够的雷伞系统留空时间, 保证延时开伞机构的正常工作。

3 结束语

本文分析了鱼雷高空投送载体的研制和发展现状, 对比了高空投送鱼雷与精确制导炸弹的异同, 并从刚强度、环境适应性、导航控制、“可展开”及“可分离”5个方面探讨了鱼雷高空投送载体应具备的结构设计特性, 根植于现有技术条件提出了相应的设计策略。

[1] 王志杰. 研制高空反潜鱼雷的必要性及关键技术[J]. 鱼雷技术, 2009, 17(3): 1-4. Wang Zhi-jie. Necessity and Key Technologies for Deve- loping High Altitude Anti-submarine Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(3): 1-4.

[2] 徐德民. 鱼雷自动控制系统[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2001.

[3] 李莉, 任茶仙, 张铎. 折叠翼机构展开动力学仿真及优化[J]. 强度与环境, 2007, 34(1): 17-21. Li li, Ren Cha-xian, Zhang Duo. Dynamic Simulation and Optimization Design of Deployment of Folding-wing[J]. Structure & Environment Engineering, 2007, 34(1): 17-21.

[4] 张石玉, 唐金兰, 任华, 等. 燃气作动筒折叠翼展开过程分析[J]. 固体火箭技术, 2010, 33(5): 481-485. Zhang Shi-yu, Tang Jin-lan, Ren Hua, et al. Analysis of Mechanical Deployment System for Combustion-gas- actuated Folded Wings[J]. Journal of Solid Rocket Tech- nology, 2010, 33(5): 481-485.

(责任编辑: 陈 曦)

Analysis on Structural Design Characteristics of High Altitude Delivery Carrier of Torpedo

SHUAI Zhi-hao,CAO Xiao-juan,WANG Zhi-jie

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi′an 710075, China)

The applications of the high altitude delivery carrier to guided glide bomb(GGB) and high altitude antisubmarine weapon concept, as well as the current manufacture situation of high altitude delivery carrier, are analyzed. Subsequently, the similarities and differences between high altitude delivery of torpedo (HADT) and GGB are compared. The structural design characteristics of high altitude delivery carrier of torpedo are discussed with respect to five aspects, including rigidity and intensity, environmental suitability, navigation control, “developable”, and “detachable”, and corresponding design strategies are put forward.

high altitude delivery of torpedo(HADT); delivery carrier; structural design characteristics

2014-04-18;

2014-05-06.

帅智浩(1991-), 男, 在读硕士, 研究方向为总体技术.

TJ631.7

A

1673-1948(2014)04-0241-05