推拉缸式鱼雷发射装置内弹道仿真

郭　煜,　李宗吉,　任　蕾,　练永庆

推拉缸式鱼雷发射装置内弹道仿真

郭煜1,李宗吉1,任蕾2,练永庆1

(1. 海军工程大学 兵器新技术应用研究所, 湖北 武汉, 430033; 2. 海军工程大学 装备经济管理系, 湖北 武汉, 430033)

为了使体积、质量相对较小的无人水下航行器(UUV)具有水下发射鱼雷的能力, 在传统水下鱼雷发射装置的基础上进行改进, 提出了一种适应UUV水下发射鱼雷的推拉缸式鱼雷发射装置方案。建立了发射装置内弹道数学模型。通过仿真计算, 得到该型发射装置主要结构参数对推拉缸式内弹道的影响规律。仿真结果表明, 该方案满足UUV水下发射鱼雷的相关技术指标, 为进一步研制开发提供参考。

鱼雷发射装置; 无人水下航行器(UUV); 推拉缸式; 内弹道

0　引言

无人水下航行器(underwater unmanned vehicle, UUV)作为一种海上力量倍增器, 有着广泛而重要的军事用途, 在未来海战中有不可替代的作用[1-2]。随着UUV及相关技术的发展, 未来海战中UUV将成为水下武器平台, 如果将鱼雷作为UUV的攻击武器, 将大大提高UUV打击能力及生存能力[3-4]。由于现有潜艇鱼雷发射装置结构复杂、体积大, 不能够满足UUV总体设计要求, 所以目前已知的UUV发射鱼雷多以自航式为主。然而采用自航式发射鱼雷, 鱼雷出管速度低, 对于UUV航速及海况有较高要求, 为此文中提出一种适用于UUV的推拉缸式鱼雷发射装置方案, 建立了该发射装置内弹道数学模型, 并对该装置进行了发射过程仿真。

1　推拉缸式发射装置工作原理

该发射装置主要由燃烧室、喷管、气缸、活塞及拉杆、发射管等部分组成。燃烧室是火药化学能转化为火药气体内能的关键部件。气缸通过喷管与燃烧室连接, 其长度略大于鱼雷发射管长度的一半。活塞及拉杆是连接气缸和拉动鱼雷运动的活动组件, 活塞右侧气缸密封。

发射过程: 鱼雷发射时, 火药在燃烧室内由点火药点燃, 瞬时产生大量高温高压燃气。在燃烧室与气缸内压力差的作用下, 燃气通过喷管进入气缸中活塞左侧。由于活塞左右压力差的作用,活塞带动拉杆向右运动, 鱼雷在拉杆的作用下加速运动。活塞继续运动压缩活塞右侧空气使其压力上升, 活塞在背压的作用下加速度降低, 继而速度低于鱼雷速度, 活塞杆与鱼雷尾部脱离, 鱼雷继续向前运动, 但由于海水阻力以及摩擦力作用鱼雷速度略微下降, 直至鱼雷出管。发射装置原理如图1所示。

图1　发射装置原理图Fig. 1　Principle of a torpedo launcher

2　发射装置内弹道数学模型

2.1气缸左侧压力模型

无烟火药在燃烧室中燃烧, 燃气通过喷管注入气缸左侧中, 从而推动活塞组件运动。将喷管喉部截面、气缸管壁、活塞左侧围成的空间中气体作为研究对象[4], 根据开口系的热力学第一定律, 可得

式中: Uc为气缸中气体的内能; Uc0为气缸内气体的初始内能; Hi为通过喷管进入气缸内的焓; LT为推动鱼雷所做的功; Qw为传热损失。

对于传热损失Qw, 在火炮内弹道学中, 一般采用减小火药潜能的办法加以修正。文中利用经验的热损失系数加以修正, 故式(1)可以写成

式中: η为热损失系数取0.8。

将气缸中混合气体的内能、温度和压力的数学表达式写成微分形式可得

式中: k为火药气体的绝热系数;Cv为气体的等容比热。

气缸中的燃气来自于燃烧室火药的燃烧, 故

式中, mc为气缸内混合气体的质量。

根据装置结构, 气缸的充气容积与活塞行程相关, 气缸中气体充气容积变化率为

式中: Vc为气缸内瞬时充气容积; vT为活塞速度; St为气缸截面面积。

2.2气缸右侧压力模型

由于气缸右侧密封, 所以气体质量不变

其内能的变化量等于活塞对其做功

气体体积变化量取决于活塞速度

由于发射过程时间很短, 将活塞右侧压缩过程视为绝热过程, 所以其压强、温度微分方程可以表示为

2.3燃烧室压力模型

燃烧室内火药燃烧过程非常复杂, 一方面随着火药燃烧不断生成火药燃气, 这可以看成能量的注入过程; 另一方面通过喷管不断地向气缸排除燃气, 带走一部分能量[5]。同时留在燃烧室中的气体对排出的那部分气体做了流动功, 因此排出的气体带走的能量可以用焓来表示, 其数值上等于注入发射管的焓, 此时根据能量守恒原理可得

为了便于数值求解, 将上式写成微分方程形式

对于无烟火药, 由质量守恒定理可得, 火药燃烧所消耗的质量Me′等于火药燃气生成的质量me, 即

使用H型双基药时, 火药燃气燃烧热的生成速率可表示为

在第1阶段中, 滞留在燃烧室中气体的质量变化率可表示为

2.2 环境因素 由于手术后治疗和护理的特别需要，ICU的环境具有其自身的特殊性。有研究表明，环境在ICU综合征的发生中起着重要作用［15］。

燃烧室中气体的温度和压力由下式计算[6-7]

燃烧室中充气容积的变化率为

在第2阶段中用以下3个公式代替上述变化率

式中: Ub为燃烧室内气体的内能; Ub0为燃烧室内气体的初始内能; Qe为火药燃烧产生的热量; Hi为通过喷管进入气缸内的焓; me为燃烧掉火药的质量; Qb为火药燃烧热; ξ为燃烧效率取0.8; pb为燃烧室内火药燃烧压力;β为火药形状特型数; u为火药在单位压力下的燃烧速度; v为火药燃速指数; S为火药燃烧面的表面面积; ρb为火药的密度; Tb为燃烧室中的温度。

2.4喷管流量模型

通过喷管由燃烧室注入气缸的气体流量为

气体注入气缸中的焓为

式中: φ为喷管流量系数取0.7; σ为喷管喉部面积;ρi为喷管喉部气体密度; φi为喷管喉部气体流速; Cp为气体的等压比热。

活塞运动加速度为

式中: Ff为鱼雷在管内前后运动阻力(Fluent建立模型得到拟合函数, 拟合结果反复迭代到微分方程得到Ff); G为鱼雷负浮力; P′c为气缸右侧的压力[8-9]。

活塞在气缸中位移变化率为

推动活塞的功率为

式中: μ为鱼雷与发射管摩擦系数; mT为鱼雷质量; l为活塞位移; LT为推动鱼雷所做的功。

3　发射装置内弹道仿真

3.1仿真输入参数

文中运用MATLAB软件ode45函数建立微分方程组进行仿真计算及分析。

根据传统鱼雷发射装置相关参数, 估计得到推拉缸式鱼雷发射装置相关结构参数。仿真输入参数见表1。Db,Lb为火药柱直径及长度; Dc,Lc为气缸直径及长度; Dp为喷管直径。

3.2仿真结果

根据表1, 将仿真初始数据代入仿真模型,得到燃烧室压力曲线, 气缸压力曲线, 鱼雷加速度曲线, 鱼雷速度曲线, 鱼雷位移曲线, 燃烧室温度曲线, 气缸温度曲线, 如图2~图8所示。

根据发射过程各参数曲线, 得到主要发射仿真结果如表2所示。

3.3仿真结果分析

根据仿真结果, 从零时刻起, 燃烧室内压力上升, 燃气从燃烧室进入到气缸中, 故气缸中气体压力上升滞后于燃烧室并且略小于燃烧室压力,燃烧室温度也略高于气缸温度。燃烧室与气缸的瞬时最高温度约为1 500 K左右, 但因为模型没有考虑到海水对装置的冷却作用, 故实际温度应该略低于仿真数据。当活塞运动接近气缸底部时,活塞背压增大, 故活塞速度减小, 推拉杆与鱼雷分离; 同时, 随着火药燃烧完毕与气缸中充气容积增大, 燃烧室与气缸压力相继下降。

表1　仿真输入参数表Table 1　Input parameters of simulation

图2　初始燃烧室压力曲线Fig. 2　Curve of initial pressure in combustion chamber versus time

图3　初始气缸压力曲线Fig. 3　Curve of initial pressure in cylinder versus time

图4　初始鱼雷加速度曲线Fig. 4　Curve of initial acceleration versus time of a torpedo

图6　初始燃烧室温度曲线Fig. 6　Curve of initial temperature in combustion chamber versus time

图7　初始鱼雷位移曲线Fig. 7　Curve of initial displacement versus time of a torpedo

图8　初始气缸温度曲线Fig. 8　Curve of initial temperature in cylinder versus time

表2　主要发射仿真参数结果Table 2 Simulation results of main launching parameters

在推拉杆与鱼雷脱离后, 活塞及拉杆组件由于惯性继续向前运动直至气缸背腔压力大于气缸压力, 此时活塞减速运动继而向相反方向运动,直至气缸压力大于气缸背腔压力, 如此往复。因此发射后期燃烧室、气缸的压力及温度存在波动。

鱼雷出管速度为16m/s, 整个发射过程大约耗时0.6s, 基本满足了水下发射鱼雷的要求。

仿真结果表明, 模型在一定范围内可以对推拉缸式鱼雷发射装置进行仿真, 基本能够反映发射过程相关规律。

4　主要结构参数对内弹道影响

4.1改变火药质量

将火药柱根数变化为4根、5根、6根, 然后进行仿真得到结果如图9~图12所示。

增大火药质量, 实质上增加了发射能源, 所以各项参数都有所上升, 其中鱼雷出管速度由14m/s上升至16m/s; 燃烧室与气缸最大压力由16MPa上升至26MPa。

4.2改变燃烧室直径

将燃烧室直径变化为0.12 m, 0.14 m, 0.16 m,然后进行仿真得到结果如图13~图16所示。

图9　火药柱根数为4根、5根、6根时燃烧室压力曲线Fig. 9　Curves of pressure in combustion chamber versus time when the number of grain is 4, 5, and 6, respectively

图10　火药柱根数为4根、5根、6根时气缸压力曲线Fig. 10　Curves of pressure in cylinder versus time when the number of grain is 4, 5, and 6, respectively

图11　火药柱根数为4根、5根、6根时鱼雷速度曲线Fig. 11　Curves of torpedo velocity versus time when the numbers of grain is 4, 5, and 6, respectively

图13　燃烧室直径为0.12 m, 0.14 m, 0.16 m时燃烧室压力曲线Fig. 13　Curves of pressure in combustion chamber versus time when diameter of the chamber is 0.12 m, 0.14 m, and 0.16 m, respectively

图14　燃烧室直径为0.12 m, 0.14 m, 0.16 m时气缸压力曲线Fig. 14　Curves of pressure in cylinder versus time when diameter of combustion chamber is 0.12 m, 0.14 m, and 0.16 m, respectively

图15　燃烧室直径为0.12 m, 0.14 m, 0.16 m时鱼雷速度曲线Fig. 15　Curves of torpedo velocity versus time when diameter of combustion chamber is 0.12 m, 0.14 m, and 0.16 m, respectively

图16　燃烧室直径为0.12 m, 0.14 m, 0.16 m时鱼雷位移曲线Fig. 16　Curves of torpedo displacement versus time when diameter of combustion chamber is 0.12 m, 0.14 m, and 0.16 m, respectively

增大燃烧室直径, 也就增大了燃烧室初始容积以及燃烧过程中火药燃气的充气容积, 这将导致燃气压力下降。

4.3改变气缸直径

将气缸直径改变为0.10, 0.12, 0.14得到仿真结果如图17~图20所示。

增大气缸直径, 等同于增大活塞在气缸中运动时气缸充气容积的变化率。从而导致气缸中压力下降, 进而改变燃烧室及气缸的压力差, 使火药燃气更快速的进入到气缸, 燃烧室压力降低。

图17　气缸直径为0.10 m, 0.12 m, 0.14 m时燃烧室压力曲线Fig. 17　Curves of pressure in combustion chamber versus time when diameter of cylinder is 0.10 m, 0.12 m, and 0.14 m, respectively

图18　气缸直径为0.10 m, 0.12 m, 0.14 m时气缸压力曲线Fig. 18　Curves of pressure in cylinder versus time when diameter of the cylinder is 0.10 m, 0.12 m, and 0.14 m, respectively

图19　气缸直径为0.10 m, 0.12 m, 0.14 m时鱼雷速度曲线Fig. 19　Curves of torpedo speed versus time when diameter of cylinder is 0.10 m, 0.12 m, and 0.14 m, respectively

图20　气缸直径为0.10 m, 0.12 m, 0.14 m时鱼雷位移曲线Fig. 20　Curves of torpedo displacement versus time when diameter of cylinder is 0.10 m, 0.12 m, and 0.14 m, respectively

4.4仿真结果分析

改变燃烧室直径虽然增大了气缸压力, 鱼雷在前期速度、加速度较大, 但是由于鱼雷加速阶段提前结束, 鱼雷脱离后减速过程变长, 最终导致鱼雷出管速度变化不大。

改变发射装药量以及气缸直径对鱼雷出管速度影响较大, 但是在增大鱼雷出管速度的同时发射装置燃烧室及气缸的压力也相应增大。

考虑到UUV的体积较小, 发射管前端平台区一般也较短, 出管速度控制在10~13 m/s足够完成出管动作, 故在实际运用当中应适当减小火药用量优化装置结构, 对鱼雷出管速度进行控制。

5　结束语

文中提出一种适用于UUV的水下推拉缸式鱼雷发射装置方案, 该装置采用水压平衡式原理,结构简单、体积较小, 基本满足UUV单次发射鱼雷的技术指标。通过建立发射装置数学模型, 并运用MATLAB进行数值仿真, 得到了发射装置相关结构参数对发射内弹道的影响规律, 通过数据分析, 可以对该发射装置的结构进行进一步优化设计, 为研制开发该发射装置提供理论参考。

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(责任编辑: 许妍)

Simulation on Interior Ballistics of Push-Pull Cylinder Type
Torpedo Launcher

GUO Yu1,LI Zong-ji1,REN Lei2,LIAN Yong-qing1

(1. Naval Research Institute of New Weaponry Technology & Application, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2.Equipment Department of Economic Management, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To make an underwater unmanned vehicle(UUV), which is small in volume and light in weight, has the ability of launching a torpedo, a scheme of push-pull cylinder type torpedo launcher for an UUV is proposed on the basis of traditional torpedo launcher. And a mathematic model of interior ballistics is built for the launcher to simulate the influences of main structural parameters on the interior ballistics of the push-pull cylinder type torpedo launcher. Simulation shows that this scheme meets the technical requirements for the UUV launching a torpedo. This study may provide a reference for further research of this topic.

torpedo launcher; underwater unmanned vehicle(UUV); push-pull cylinder type; interior ballistics

TJ635

A

1673-1948(2015)04-0394-07

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.015

2015-03-11;

2015-03-24.

郭煜(1990-), 男, 在读硕士, 研究方向为水中兵器动力与推进技术.