潜用AUV自航发射弹道建模与仿真

黄苏和, 王凯帅, 刘 星



潜用AUV自航发射弹道建模与仿真

黄苏和, 王凯帅, 刘 星

(中国船舶工业系统工程研究院, 北京, 100094)

采用鱼雷发射管自航发射自主式水下航行器(AUV)是潜艇发射AUV的最理想方式。为研究潜用AUV自航发射技术, 文章基于后端有效补水的发射装置, 建立了AUV自航发射弹道模型, 包括AUV发射管内弹道模型和管口弹道模型, 对AUV自航发射出管的可行性进行了仿真验证。仿真结果表明, 自航发射时艇速、AUV出管速度以及AUV自身正浮力或负浮力是影响AUV自航出管可行性的主要因素。该结果可为采用鱼雷发射管自航发射AUV技术提供参考。

自主式水下航行器(AUV); 潜艇; 自航发射; 弹道模型

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0 引言

自主式水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV), 由于具有适应性强、远航程、大潜深、零伤亡以及隐蔽性好等一系列特点, 被誉为水下作战优势力量的倍增器[1-2]。潜艇搭载AUV, 可充分发挥其水下危险海域的侦察、监视及预警功能[3], 提高潜艇作战半径, 降低潜艇暴露概率。进入21世纪以来, 世界多个国家新型潜艇上均已装备AUV[4-6]。

隐蔽性是潜艇及AUV工作的前提条件, 如何安静布放是潜用AUV的使用基础。自航式发射具有发射噪声低、可实现大深度发射的优点, 利用潜艇鱼雷发射装置实现AUV自航发射是潜艇布放AUV的最理想方式。空穴效应、袋深过大、碰撞防波板等都是AUV自航发射过程中需要避免的问题[7]。基于潜艇鱼雷发射技术要求, 论文建立了潜用AUV自航发射弹道模型并进行了仿真分析, 得到了仿真结论。

1 潜用AUV自航发射原理

对于潜艇上常规的鱼雷发射装置, 为了保证发射过程中鱼雷后端的发射介质不发生泄漏, 一般鱼雷与发射管之间间隙仅为2~3 mm, 不能形成有效的补水通道, 因此, 使用现有鱼雷发射装置无法实现大口径AUV自航发射[7-8]。通过有动力后端补水可解决现有鱼雷发射装置自航发射AUV时的补水问题, 如图1所示。AUV自航发射时, 控制AUV正常启动, 然后打开高压气瓶阀, 水缸内部水被强行压入发射管内, 形成有效的补水通道, AUV便可自航发射出管, 待AUV出管后, 关闭高压气瓶阀, 装置恢复至液压平衡态。

2 潜用AUV管内弹道建模与仿真

2.1 管内弹道模型假设

1) 发射时潜艇航深大于3 m, 忽略潜艇航行产生的兴波阻力; 2) AUV在导轨上运动, 忽略其重力、浮力及流体力矩对其姿态的影响; 3) 附加质量按照理想流体中运动进行计算; 4) 采用定常假设求解AUV流体阻力; 5) 假设发射管为均直圆管, 忽略局部损失。

2.2 管内弹道模型建立

图2所示为AUV在发射管内运动时的受力示意图。分析图2, 建立AUV在管内的运动方程

1) 螺旋桨推力

螺旋桨推力

采用由试验数据回归出的函数关系式表示螺旋桨转速与时间的关系[5]

2) AUV所受流体阻力

AUV所受流体阻力可表示为

3) AUV所受摩擦阻力

AUV在发射管内导轨运行时会产生摩擦阻力

4) AUV发射管内航行时的沿程阻力

沿程损失是由发射管内部流体与发射管壁面的黏性摩擦引起的, AUV在发射管内的沿程阻力可表示为

2.3 管内弹道仿真计算

利用上述模型对某型AUV发射管内弹道模型进行仿真, 该AUV主要参数为: 直径0.5 m, 长度6.6 m, 正浮力20 N, 单桨推进。仿真时, 取发射管粗糙度0.015, AUV与发射管摩擦系数0.25, 螺旋桨直径0.4 m, AUV电机启动系数10。图3所示为AUV在发射管内的位移和速度曲线, 图4所示为AUV螺旋桨发射管内转速曲线。

分析图3和图4可以发现, 自航发射过程中, 电机启动后, AUV航速缓慢增加, 这是由于AUV电机低速启动, 螺旋桨需要一段时间才能达到额定转速。由于AUV航速一般只有几节, 因此, AUV螺旋桨经过较短的时间(3.5 s)即可达到额定转速12 r/s, 此后AUV增速减缓, AUV在管内的末程其位移随着时间变化近似呈线性增长。如图3所示, AUV航行至出管时, 航速约可达4.5 kn, 出管时间约需5 s, 相比采用常规鱼雷发射方式, 自航发射AUV时出管速度低、出管时间较长。AUV自航发射时, 可避免采用瞬时高压推动活塞, 从而大幅降低发射噪声, 达到隐蔽布放的目的。

3 潜用AUV管口处弹道建模与仿真

AUV在离开发射管后, 仍需经过潜艇防波板平台区方可离艇, 如图5所示。在此期间, 由于受到正浮力或负浮力作用, AUV会在垂直运动方向上浮或下沉。为了保证AUV安全离艇, 必需保证AUV在平台区运动时不与艇碰撞。

3.1 管口处弹道模型假设

管口处弹道模型主要涉及AUV在潜艇防波板平台区的运动。AUV出管过程中, 一般会由于重浮心位置差异导致对支点产生力矩, 促使AUV旋转。但是由于平台区长度十分有限, 仅仅为3 m左右, 因此AUV自航经过平台区的时间极短, 仅为1~2 s, 极短时间段内的冲量矩比较小, 对姿态的影响也相应较小, 因此在管口处弹道模型的建立过程中采用如下近似的简化假设: 1) AUV在管口停留时间较短, 将AUV看作其纵轴与发射管轴平行下落, 开始时AUV轴与管轴重合, AUV后端与发射管前端重合; 2) 此阶段, AUV螺旋桨达到额定转速, 速度变化较小, 忽略AUV螺旋桨产生的推力; 3) 忽略潜艇运动引起的防波板平台区内流体动力影响。

3.2 AUV管口处弹道模型建立

在图5中建立随体坐标系, 建立AUV尾鳍后下端点(对于负浮力)或上端点(正浮力)的管口处弹道模型如下

3.3 管口处弹道仿真计算

仍取上述AUV进行仿真, 取防波板平台区长度为3 m, 可按照战斗锥度18计算其高度为0.167 m, 仿真结果如图6和图7所示。

分析图6可知, 艇速对AUV在轴向的运动影响较大。艇速越大, AUV通过防波板平台区的所需时间越长, 极有可能与艇发生碰撞。AUV出管速度对AUV在轴向的运动也有一定的影响, 出管速度越大, AUV越快度过防波板平台区。因此,为了保证AUV可以安全自航出管, 应尽可能降低发射时的艇速。

分析图7可知, 对于同一型AUV, 正浮力(或负浮力)大小是影响其度过防波板平台区时纵向位移的主要因素, 正浮力(或负浮力)越大, 纵向位移随时间变化越剧烈, 越容易与艇发生碰撞。因此, 在自航式发射AUV时, 应尽可能降低AUV整体的正浮力(或负浮力)。

此外, 根据上节仿真结果, 该型AUV在到达防波板平台区时其航速约为4.5 kn, 结合图6和图7, 当艇速为0时, AUV度过平台区所需时间约为1.5 s, 此时对应的纵向位移约为0.02 m, 满足自航出管条件, 可以实现自航发射。

4 结论

自航发射具有发射噪声低、可实现大深度发射等优点, 采用AUV自航发射, 是布放AUV的最理想方式。论文基于后端有效补水的发射装置, 建立了AUV自航发射弹道模型, 包括AUV发射管内弹道模型和管口处弹道模型, 通过数值仿真得出如下结论:

1) AUV电机启动后在管内速度缓慢增加, AUV电机在发射管内即可达到额定转速, 此后AUV速度趋于稳定, 因此AUV管内的末程位移随时间变化近似呈线性增长;

2) AUV在发射管口处运动时, 艇速对其轴向运动影响较大, 艇速越大, AUV在经过防波板平台区所需时间越长, AUV越容易与艇发生碰撞;

3) AUV在发射管口处运动时, AUV出管速度对其轴向运动有一定的影响, 出管速度越大, AUV在经过防波板平台区所需时间越短, 安全性越高;

4) AUV在发射管口处的纵向运动受AUV自身的正浮力或负浮力影响, 因此, 为了保证自航出管安全性, 自航发射AUV时尽可能降低其正浮力或负浮力。

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(责任编辑: 陈 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

黄苏和, 王凯帅, 刘星. 潜用AUV自航发射弹道建模与仿真[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(2): 129-132.

2017-08-05;

2018-01-22.

发改委海洋工程装备研发及产业化项目(20151409).

黄苏和(1987-), 男, 工程师, 主要从事水中兵器系统研究