气动不平衡式发射装置定时调节器调节对武器出管速度影响的研究

马琪，曹晓明，魏勇

（海军潜艇学院战略导弹与水中兵器系，山东青岛，266071）

0 引言

俄罗斯的Гс-240发射装置通过大幅增加机械强度和发射能量，以及截面调节等技术使其发射深度达到240m[1]。为保证在不同深度无泡无倾差发射，且使武器具有安全出管速度，定时调节器发挥至关重要的作用。定时调节器控制泄放过程泄放阀开启时机和泄放阀开启持续时间，控制在不同发射深度泄入无泡水柜压缩空气和海水量一致，使武器具有安全出管速度的同时，确保潜艇操纵安全性。

1 定时调节器工作原理

定时调节器实际上是由定时送气阀、定时放气阀两个气动延时阀组成，结构如图1所示。

图1 定时调节器结构简图

发射气瓶未充气时，在各自弹簧弹力作用下，定时送气活塞位于下面位置，定时放气活塞位于上面位置。无泡气瓶至泄放阀上腔通路打开，放气活塞上端面至放气孔通路打开。

发射时，发射气瓶压强下降，由发射气瓶作用在活塞下腔压力和深度气瓶气体作用在活塞上压的合力不足以维持活塞关闭通路时，定时送气阀活塞向下运动，气路打开。无泡气瓶至泄放阀上腔通路打开，气体进入泄放阀上腔，压强达到一定值时，泄放阀打开。此时，在无泡气瓶至泄放阀气路间的定量气孔，不断排气。当无泡气瓶压强下降到一定值时，在定时放气阀部分，无泡气瓶气体作用在活塞上端压力不足以克服弹簧弹力，活塞向上运动，打开泄放阀至定时放气阀部分通路，作用在泄放阀上腔气体从放气孔放出，泄放阀关闭。同时，无泡气瓶、定时放气阀前腔压缩气体也经放气孔放出。定时调节器恢复初始状态。

2 数学模型

2.1 定时送气阀模型

对定时送气阀活塞进行受力分析，可得到运动方程。

式中：ms为送气部分阀芯质量；xs为送气部分阀芯位移；Cs为送气部分弹簧刚度；x0为弹簧预压缩量；pwp为无泡气瓶压强；pxfs为泄放阀上腔压强；Psd为深度气瓶压强；Pf为发射气瓶压强；g为重力加速度；S1为活塞面积；S2为阀芯受气压面积；S3为弹簧座部分受气压面积；Rc1为活塞密封环受到摩擦阻力；Rc2为阀芯密封环受到摩擦阻力；Rbs为活塞、阀芯运动受到粘性阻力。

送气阀阀体运动后，无泡气瓶内的压缩气体流入送气阀，有一小部分气体经定量气孔排出，经放气阀定量气孔流出气体质量流量为：

式中：ϕdl为定量气孔流量系数；Sdl为定量气孔流通面积；pxfs为泄放阀上腔压强；Txfs为泄放阀上腔温度。

送气阀上腔压强强变化可表示为：

式中：Tk为送气阀上腔温度；Vk为管路和送气阀上腔总容积；Qmk为自动截止器6腔管路定量气孔和排气阀排出气体质量流量。

2.2 定时放气阀模型

对定时放气阀活塞进行受力分析，可得到运动方程。

在开展省级宣传的同时，充分发挥基层水保部门的力量开展宣传，做到了统一部署、协调并进、上下联动、全面拓展。州县利用赛马会、物资交流会等活动，通过展板、发放宣传材料、开展现场知识讲解、手机群发公益宣传信息等多种形式，广泛宣传水土保持法律法规及相关知识，不断强化农牧民群众水土保持意识，增强了参与生态建设的自觉性，为促进生态文明建设奠定了基础。

式中：mf为放气阀部分阀芯质量；xf为放气阀部分阀芯位移；Cf为放气阀部分弹簧刚度；xf0为弹簧预压缩量；pxfs为泄放阀上腔压强；pwp为无泡气瓶压强；S4为放气阀部分阀芯受无泡气瓶气压面积；S5为阀口面积；S6为阀杆面积；Rc4为活塞密封环受到摩擦阻力；Rc6为阀芯密封环受到摩擦阻力；Rbf为放气阀部分活塞、阀芯运动受到粘性阻力。

当放气阀打开后，无泡气瓶至泄放阀上腔气路中气体经放气孔放出，经排气孔流出气体流量为：

式中：ϕpq为排气孔流量系数；Spq为排气孔流通面积；pxfs为泄放阀上腔压强；Txfs为泄放阀上腔温度。

2.3 泄放阀模型

对泄放阀阀盘进行受力分析，由牛顿第二定律可得：

式中：mxf为泄放阀活塞及弹簧质量；xxf为泄放阀阀盘位移；pxfs为泄放阀上腔压强；S7为阀杆面积；S8为活塞面积；S9为阀盘面积；pg为发射管内压强；Rxc为活塞运动所受摩擦阻力；Rxf为粘性阻力。

由于泄放阀上腔与放气阀上腔连通，泄放阀上腔的压强与放气阀上腔压强相等。送气阀阀体运动后，无泡气瓶内气体经内气路流入放气阀，同时又有部分气体经定量气孔排出。因此，泄放阀上腔压强变化可表示为：

式中：Vxfs为泄放阀上腔、放气阀上腔容积总和；Txks为泄放阀上腔温度。

当泄放阀上腔压力大于一定值时，泄放阀打开，通过节流阀流出气体的流量为：

式中：ϕlc为气体流出口流量系数；Slc为泄放时气体流通最小面积；ρlc为气体流出口气体密度；vlc为气体流出口气体流速。

通过泄放阀的热焓排出率为：

2.4 武器运动模型

对武器进行受力分析，由牛顿第二定律可得武器运动方程：

式中：vT为武器速度；mT为武器质量；ST为武器截面积；RT为武器受到阻力和。

3 仿真计算

在simulink环境下，采用ode45，分别对不同发射深度、不同弹簧预压缩量的武器出管速度进行仿真计算。

3.1 定时送气阀弹簧预压缩量对武器出管速度影响

改变定时送气阀弹簧预压缩量xs0=22.0mm、23.5mm、25.0mm，保持定时放气阀弹簧预压缩量不变，得到发射深度h=50m、80m、100m武器速度随行程变化曲线，如图2、3、4所示。

图2 50m发射深度武器速度行程曲线

图3 80m发射深度武器速度行程曲线

图4 100m发射深度武器速度行程曲线

改变弹簧预压缩量，一定程度上影响武器出管速度。武器出管速度随定时送气阀弹簧预压缩量增大而减小。弹簧压缩量的改变，直接影响定时送气活塞动作的响应时间，定时送气活塞响应时间会改变泄放阀开启的时刻，进而造成武器速度的改变。

3.2 定时放气阀弹簧预压缩量对武器出管速度影响

改变定时放气阀弹簧预压缩量xf0=14.5mm、15.2mm、15.9mm，保持定时送气阀弹簧预压缩量不变，得到发射深度h=50m、80m、100m武器速度随行程变化曲线，如图5、6、7所示。

图5 50m发射深度武器速度行程曲线

图6 80m发射深度武器速度行程曲线

图7 100m发射深度武器速度行程曲线

与小深度发射相比，在大深度发射，改变定时放气阀弹簧预压缩量，对武器出管速度影响不明显。改变弹簧预压缩量，影响了放气活塞动作点的压力，进而改变泄放阀开启时间长短。根据泄放阀开启时，发射行程与深度对应关系可知，当发射深度大于100m时，泄放阀在武器位移达7.5m后开启。对大深度发射而言，改变放气阀弹簧预压缩量，主要影响发射后气水回收过程，气体海水回收量，弹簧压缩量过大，泄放时间过短，会导致泄放不完全，造成发射“冒泡”现象。

4 结论

（1）调整定时送气阀弹簧预压缩量，会影响定时送气活塞响应时间，从而改变泄放阀开启时刻。定时调节器送气阀预压缩量越大，武器出管速度越小。

（2）调整定时放气阀弹簧预压缩量，会影响定时放气活塞动作点压强，从而改变泄放阀开启持续时间。小深度发射时，定时放气阀弹簧预压缩量越大，武器出管速度越大，大深度发射时，定时放气阀弹簧预压缩量对武器出管速度影响甚微。