往复泵液压平衡式发射装置发射能量调节方法仿真分析

(海军潜艇学院战略导弹与水中兵器系， 山东青岛 266071)

引言

往复泵液压平衡式发射装置诞生于19世纪50年代，由于其利用平衡发射原理实现了大深度发射，直到现在仍有许多潜艇装备此类型的雷弹发射装置[1]。潜艇雷弹发射装置的功能就是给武器足够的离艇初速度。水下武器的运动速度是为武器提供升力，保持舵效，并最终保证武器水下可操纵性的关键指标[2]。往复泵液压平衡式发射装置主要借助活塞运动完成能量从压缩空气到海水的转化过程， 并最终借助海水推动发射管中的武器出管，由于在发射完成后活塞需要返回到初始位置为下一次发射做好准备，即活塞需往复运动，所以称为往复泵液压平衡式发射装置。压缩空气是此类发射装置的发射能源，调节发射能量主要通过调节压缩空气的供给量来实现[3]。装备往复泵液压平衡式发射装置的潜艇通常在执行作战任务之前预先校准调节发射能量以满足安全发射的要求。但在紧急情况下实现对发射能量的灵活调节，目前尚缺少足够的理论依据和操作指引，本研究首先分析选择可行的调节手段，然后对调节效果进行仿真分析，为实现应急条件下发射能量的灵活调节提供理论依据。

1 往复泵液压平衡式发射装置基本原理

往复泵液压平衡式装置基本结构如图1所示。发射气瓶中存储的压缩空气作为发射能源[4]，压缩空气在发射时不直接进入发射管，推动武器运动，而是进入气缸，推动气缸和水缸内的同轴双头活塞运动，先将压缩空气内能转换为活塞运动机械能，进而通过水缸内活塞推动海水，转换为海水动能，最终借助海水推动武器，转化为发射管内武器运动的动能[5]。往复泵液压平衡式发射装置的实质是利用同轴的双头活塞，将作为发射源动力的气缸和用于将舷外海水泵入发射管内的水缸同轴连接，形成一个往复运动的泵。通过将海水静压引入水缸作为推动水缸活塞运动的动力，从而平衡阻碍管内武器运动的海水静压力，实现了平衡发射，极大的提高了发射深度[6]。随着发射过程的进行，发射气瓶压力下降，自动截止器工作及时关闭发射开关，截留发射气瓶中的压缩空气用以推动活塞回到初始位置[7]，工作流程如图2所示。

图1 往复泵液压平衡式发射装置

2 往复泵液压平衡式发射装置发射能量调节方法

往复泵液压平衡式发射装置发射能量控制基本原理如图3、图4所示。在发射过程中(如图3)，排气阀打开，发射开关C腔的气经由自动截止器2腔、3腔由排气阀排入舱室，发射开关按照一定的速度打开，接通B腔与A腔的通路，控制发射气瓶中的压缩空气适时适量的进入气缸开始发射过程。当发射气瓶压力下降到一定值时，进入截止过程(如图4)，此时自动截止器弹簧伸张使得滑阀和活塞位置改变，此时自动截止器1腔、2腔相通，截止气瓶中的压缩空气进入发射开关C腔，C腔压力上升推活塞向下关闭B腔与A腔的通路，发射开关关闭。

图3 发射过程能量控制原理图

图4 截止过程能量控制原理图

调节发射能量的主要方法为：降低发射气瓶压力,调节发射开关打开速度，调节自动截止器改变截止压力。其中调节发射开关打开速度操作较为繁琐， 且调节后必须依靠特殊测量设备才能获知调节幅度，潜艇在水下遂行作战任务期间无法使用该方法。调节发射气瓶压力操作较为简单，通过观察发射气瓶气压表变化，即可立即获知压力调节的结果。调节自动截止器改变截止压力，主要通过调节自动截止器弹簧张力实现。自动截止器结构如图5所示。旋转调整螺帽可以压缩或放松弹簧调节弹簧张力，弹簧张力改变，进而推动活塞和滑阀动作的时机改变，截止压力随即发生变化，调节完成后，可通过发射装置空放，观察发射气瓶气压表获得截止压力的调节结果。调节截止压力和发射气瓶压力虽然调节的结果容易获知，但对管中武器发射过程的影响却无法直接得知，即对发射能量的调节效果无法获知[7-9]。解决这一问题必须通过建立发射装置发射模型，仿真分析调节截止压力和发射气瓶压力对发射过程的影响，为调节发射能量提供理论依据。

图2 往复泵液压平衡发射装置工作流程

图5 自动截止器结构简图

3 往复泵液压平衡式发射装置发射模型

要确定发射能量变化过程，必须建立往复泵液压平衡式发射装置内弹道数学模型，对发射过程进行仿真分析。

假设气体为理想气体；热力学过程为绝热过程；压力和温度均匀分布[7]。

1) 发射气瓶气体状态模型

(1)

(2)

(3)

式中，mB为发射气瓶内压缩空气质量；pB为发射气瓶压力；TB为发射气瓶温度；mi为进入气缸的气体质量。

2) 发射阀数学模型

发射阀通过控制开启面积控制发射过程中的压缩空气供给量，以使气体流量保持在所需的数值。发射阀的面积变化规律为先慢后快，逐渐增大，直至达到最大开启面积。发射阀特形孔形状如图6所示，特形孔面积的大小由发射阀特形孔形状与阀芯移动位移决定。在阀孔特形孔形状固定的情况下，它是阀芯移动位移x的函数，可表示为：

(4)

式中,pBj为自动截止器动作关闭发射开关时发射气瓶的压力。

图6 特形孔形状

(5)

式中，x0为发射阀阀芯开始运动到特形孔开启时阀芯所运动的距离；a,b,c,h0为特形孔形状参数。

3) 气缸运动模型

气缸内气体状态方程与质量守恒方程为：

(6)

(7)

选择气缸活塞始端为坐标原点，则有：

Vqg=Vqg0+(Spq-Sps)·xp

(8)

4) 活塞运动方程

气、水缸活塞为同轴活塞在进行运动学和动力学分析时视为一体。经受力分析得活塞组件力平衡方程为：

pw(Spw-Sps)-Fp

(9)

5) 水缸内海水压力模型

根据流体力学理论经推导得到水缸压力方程如下：

(10)

当活塞运动位移为xp时，水缸体积为：

Vw=Vwo-(Spw-Sps)·xp-Vdw

(11)

式中，Vwo为水缸控制体初始体积。

由以上两式可得：

(12)

6) 发射管内海水压力模型

(13)

式中,pg为发射管内海水压强；vT为武器在发射管内运动速度；Vg0为发射管内武器后部海水初始体积；S为发射管横截面积；qgi为发射水舱进入发射管海水流量；qg0为发射管间隙流量。

7) 武器在发射管内运动模型

发射武器过程中，武器运动离管空出的容积由发射水缸的海水不断补充。武器后部的海水，以与武器相同的速度向管外运动，且运动海水质量不断增加。把运动的海水与武器视为整体，其运动方程为：

(14)

式中,m=mw+mT=mwo+ρhSgl+mT，其中mT为武器质量；mw为随武器一起运动的海水的质量；mwo为随武器运动的海水质量的初始值；Sg为武器横截面积；Rx为武器流体运动阻力；Fm为武器与管壁之间的摩擦力；pHST为发射管口外部海水压力。

4 仿真过程及结果分析

建立发射过程Simulink仿真模型，程序主要由6个子模块组成，如图7所示。仿真选定鱼雷作为发射武器。在仿真求解器的选取上，考虑到方程的刚性并通过试算最后确定选取变步长ode23tb解算器[10]。

图7 发射过程Simulink仿真模型

发射气瓶标准压力13 MPa。选取发射气瓶压力为13， 12， 11， 10， 9.5 MPa绘制鱼雷出管速度时间曲线、膛压时间曲线、气缸压力时间曲线、水缸压力时间曲线如图8～图11所示，具体数据见表1。

表1 不同发射气瓶压力发射数据表

从图中可知，发射气瓶压力13 MPa即正常发射时出管速度为14.8 m/s，膛压、气缸压力、水缸压力变化曲线符合往复泵液压平衡式发射装置的发射能量变化规律，仿真模型与实际过程较为贴近。

对比不同发射气瓶压力发现：出管速度随着发射气瓶的压力降低逐渐减小，当发射气瓶压力下降到9.5 MPa时，出管速度11.8 m/s，接近发射鱼雷最低出管速度12 m/s，如发射气瓶压力继续降低，将无法满足安全发射需求。从图中可看出膛压、气缸、水缸压力数值随着发射气瓶的压力降低呈现整体降低，但变化趋势基本类似。

图8 不同发射气瓶压力鱼雷速度时间曲线

图9 不同发射气瓶压力膛压时间曲线

图10 不同发射气瓶压力气缸压力时间曲线

图11 不同发射气瓶压力水缸压力时间曲线

标准截止压力3 MPa，改变自动截止器截止压力，选取截止压力为3， 5， 7， 9 MPa绘制鱼雷出管速度时间曲线、膛压时间曲线、气缸压力时间曲线、水缸压力时间曲线如图12～图15所示。

图12 不同截止压力鱼雷速度时间曲线

图13 不同截止压力膛压时间曲线

图14 不同截止压力气缸压力时间曲线

图15 不同截止压力水缸压力时间曲线

改变截止压力时，出管速度明显降低，截止压力选取3， 5， 7 MPa时的出管速度分别为14.8， 14.0， 12.8 m/s，当截止压力为9 MPa时，出管速度仅为11.7 m/s，如继续提升截止压力，则无法满足安全发射的要求。

从图中可看出膛压、气缸压力、水缸压力峰值未发生变化，但在截止过程开始后，各项压力数值迅速下降，且截止压力越高，压力下降越迅速。膛压、气缸压力、水缸压力最小值随着截止压力的上升逐渐减小。

当单独改变发射气瓶压力或截止压力时，仿真结果表明，发射气瓶压力下降低于9.5 MPa时无法继续发射，截止压力升高超过9 MPa时，出管速度无法满足安全发射要求。在调整发射能量时须注意不要超过安全上限造成发射事故。

个别紧急情况需对发射气瓶压力和截止压力进行联合调整，例如发射气瓶压力下降到达极限，必须降低截止压力保证发射安全。设定发射气瓶压力9 MPa时，降低截止压力至1 MPa，得到鱼雷出管速度时间曲线、膛压时间曲线、气缸压力时间曲线、水缸压力时间曲线如图16～图19所示。

图16 鱼雷速度时间曲线

图17 膛压时间曲线

结果表明，在发射气瓶压力下降情况下，降低截止压力，可以改变发射能量，满足安全发射需求。发射出管速度为12.4 m/s，高于最低出管速度。膛压峰值降低至0.43 MPa，气缸压力峰值降低至2.33 MPa，水缸压力峰值降低至1.12 MPa，各项指标都满足安全要求，变化规律符合实际发射规律。

图18 气缸压力时间曲线

图19 水缸压力时间曲线

5 结论

在对往复泵液压平衡式发射装置能量控制原理和调节方法进行分析的基础上，为确定调节发射气瓶压力和改变截止压力对发射过程的影响，应用控制体分析方法，建立往复泵液压平衡式发射装置发射动力学模型。通过该模型对发射能量调节过程进行仿真分析。利用Simulink软件模块化设计方法，建立了武器发射过程仿真模型，与实际发射参数比对，证实了模型的可行性[11]。利用模型对不同发射气瓶压力、不同截止压力的发射过程进行仿真分析，仿真结果表明，使用调节发射气瓶压力控制发射能量，发射气瓶压力不能低于9.5 MPa；改变截止压力控制发射能量，截止压力不能高于9 MPa，否则出管速度将无法满足安全发射要求。当发射气瓶压力下降时，可采用降低截止压力方法保证发射，根据仿真结果，当发射气瓶压力下降到达9 MPa时，降低截止压力至1 MPa可实现安全发射。建立的仿真模型反映发射装置发射过程内在规律[12]，运行可靠，仿真结果为实现往复泵液压平衡式发射装置能量调节提供了有力的理论依据。