UUV自航發(fā)射方法探究

楊 文，馬 亮

(海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266199)

UUV自航發(fā)射方法探究

楊 文，馬 亮

(海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266199)

針對(duì)通過魚雷發(fā)射管自航發(fā)射UUV，分析UUV自航出管的前提條件以及自航出管是否可行。UUV自航出管的可行性與其重力浮力差、最低出管速度及出管時(shí)的潛艇航速相關(guān)，探究典型口徑魚雷發(fā)射管適合自航發(fā)射的UUV。對(duì)無人水下航行器內(nèi)彈道建模，分析自航發(fā)射時(shí)不同的補(bǔ)水方式對(duì)自航發(fā)射UUV的影響，從理論上對(duì)UUV自航出管的可行性進(jìn)行論證。

自航發(fā)射；魚雷發(fā)射管；補(bǔ)水

0 引 言

UUV是一類無人控制、自帶能源、自主導(dǎo)航與控制、自動(dòng)力推進(jìn)和自主作業(yè)的水下機(jī)器人，可廣泛應(yīng)用于偵察監(jiān)視、情報(bào)搜索、跟蹤、預(yù)警、通信中繼、水下攻擊等各方面。UUV作為高新技術(shù)水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)，在情報(bào)監(jiān)視與偵查、反水雷、水下救援等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，其中潛艇和水面船只布放和回收UUV是使用UUV的重要環(huán)節(jié)。潛艇回收UUV不易受外界環(huán)境影響，可以隱蔽的對(duì)軍用UUV進(jìn)行回收[1-3]。利用潛艇上裝備的魚雷發(fā)射管布放UUV，可以減少對(duì)潛艇的改造，不增加額外布放UUV的裝置，是最佳的選擇布放UUV方式之一。自航發(fā)射UUV有低噪聲的顯著優(yōu)勢(shì)，可以使UUV利用螺旋槳產(chǎn)生的推力自航，降低布放的發(fā)射噪聲，提高UUV的隱蔽性[4]。

1 UUV 自航出管的前提條件分析

UUV自航發(fā)射具有噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠湟揽孔陨韯?dòng)力游出發(fā)射管，不會(huì)產(chǎn)生排氣噪聲。自航發(fā)射管中有時(shí)具有輔助裝置，如意大利的B512型發(fā)射管裝有輔助裝置，當(dāng)魚雷自航發(fā)射過程中出現(xiàn)問題，無法自航發(fā)射時(shí)，可以將其拋射出去，以免對(duì)潛艇及艇員生命安全造成威脅[5]。

實(shí)現(xiàn)自航發(fā)射一方面要保證UUV在發(fā)射管內(nèi)有良好的啟動(dòng)特性，在發(fā)射過程中不會(huì)對(duì)發(fā)射裝置、潛艇及UUV自身造成影響，另一方面要保證補(bǔ)水充足，不造成“空穴”，使UUV出管時(shí)能達(dá)到最低的航速要求。

自航發(fā)射時(shí)，UUV在發(fā)射管中的布局如圖1所示，在管內(nèi)啟動(dòng)UUV的動(dòng)力裝置，UUV靠螺旋槳的推力出管。UUV自航出管時(shí)螺旋槳的工作效率取決于補(bǔ)水的充足與否以及補(bǔ)水的方式，因此魚雷發(fā)射管應(yīng)具有較大的口徑，才能保證充足的海水進(jìn)入發(fā)射管后端，對(duì)管內(nèi)進(jìn)行有效補(bǔ)水，這是實(shí)現(xiàn)UUV自航所具備的前提條件。為保證艇外的海水能及時(shí)充足的進(jìn)入魚雷發(fā)射管，要求發(fā)射管的內(nèi)徑要比UUV的內(nèi)徑大。

如表1所示，美國的NMRS和LMRS型UUV直徑為533 mm口徑，在570 mm的魚雷發(fā)射管上不適合533mm口徑UUV自航發(fā)射，參考文獻(xiàn)[6]中對(duì)潛載無人水下航行器自航內(nèi)彈道進(jìn)行建模和仿真。當(dāng)直徑為533mm的UUV裝入魚雷發(fā)射管后，與發(fā)射管之間只有很小的縫隙。當(dāng)魚雷發(fā)射管裝入直徑為533 mm的魚雷時(shí)，會(huì)留出很小的間隙保證發(fā)射時(shí)魚雷不被卡死，從而使魚雷順利出管。同理，如果在570mm口徑的魚雷發(fā)射管進(jìn)行直徑533mm UUV自航發(fā)射，其縫隙很小，不能形成有效的補(bǔ)水通道，阻力太大，無法進(jìn)行自航發(fā)射。偶爾有操雷在發(fā)射管中啟動(dòng)后能游出發(fā)射管，因?yàn)椴倮缀蛻?zhàn)雷不同，一般其具有正浮力，意外啟動(dòng)后，通過發(fā)射管與魚雷之間間隙不能進(jìn)行有效補(bǔ)水，這種情況下魚雷出管速度很慢。目前國內(nèi)外的一些軍用UUV具有微弱的正浮力，其浮力大小主要根據(jù)排水量設(shè)定，而UUV出管要保證一定航速的情況下，還需要選用大口徑魚雷發(fā)射管，才能保證發(fā)射過程中補(bǔ)水充足。文獻(xiàn)[6]中利用 400mm，450mm，500mm，550mm口徑的無人水下航行器，在直徑為570mm的魚雷發(fā)射管進(jìn)行等截面魚雷發(fā)射管自航布放過程中的阻力總和仿真分析，仿真結(jié)果表明當(dāng)航行器口徑大于500mm以后，航行器的出管阻力明顯增加，不適合采用自航方式進(jìn)行布放。結(jié)果表明，可以在現(xiàn)役潛艇的魚雷發(fā)射管自航布放口徑為500mm的UUV。

目前裝備應(yīng)用的自航式魚雷發(fā)射管有2種，一種是以美國、日本為代表，采用等截面533mm標(biāo)準(zhǔn)口徑發(fā)射管，發(fā)射直徑482mm的小型魚雷；一種是以德國、意大利為代表，采用專門的大口徑、變截面發(fā)射管，發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)的533mm的魚雷。后者代表了當(dāng)今自航式發(fā)射管的較高水平和發(fā)展趨勢(shì)。自航發(fā)射裝置普遍采用大口徑發(fā)射管前端補(bǔ)水方式以達(dá)到相應(yīng)的出管速度，因此自航發(fā)射無人水下航行器首先要考慮前端補(bǔ)水的可能性。以ΓC-45型氣動(dòng)不平衡式發(fā)射裝置為例，其發(fā)射管內(nèi)徑為570mm，氣密環(huán)和導(dǎo)軌鏜孔內(nèi)徑為536+0.5mm，若自航發(fā)射直徑為533mm的無人水下航行器，僅僅靠前端補(bǔ)水自航發(fā)射，由于氣密環(huán)作用，發(fā)射管與UUV之間的間隙不到1 cm，顯然不能形成有效的補(bǔ)水通道。

表1 美國典型軍用UUV主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)Tab.1 Performance index ofmain tacticsand technique for America representative UUV

2 UUV 自航出管內(nèi)彈道模型

參考魚雷自航的研究方法[7,8]，為簡化計(jì)算，做出如下假設(shè)：1）采用定常假設(shè)求解UUV阻力、流體阻力；2）附加質(zhì)量與理想流體中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間取值相同；3）忽略行波阻力；4）假定無人水下航行器從開始運(yùn)動(dòng)起就處于紊流的流場(chǎng)中；5）UUV在發(fā)射管的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，忽略其重力、浮力和流體動(dòng)力對(duì)航行器姿態(tài)的影響；6）忽略UUV與導(dǎo)軌間的摩擦阻力。

文獻(xiàn)[5]中干式自航發(fā)射裝置內(nèi)彈道建模與仿真，無人水下航行器在等截面魚雷發(fā)射管進(jìn)行受力分析，受力主要有主推進(jìn)螺旋槳的推力、摩擦阻力和流體阻力，根據(jù)受力情況建立的無人水下航行器魚雷管內(nèi)運(yùn)動(dòng)方程為

式中：mu為UUV質(zhì)量，kg；λi為UUV軸上附連水的質(zhì)量，kg；vu為無人水下航行器速度，m/s；Ft為主推進(jìn)螺旋槳推力的瞬時(shí)值，N；Ra為補(bǔ)水壓差引起的阻力瞬時(shí)值，N；Rb為UUV運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻力瞬時(shí)值，N；Rf為由魚雷發(fā)射管內(nèi)流體沿程損失引起的附加阻力瞬時(shí)值，N；Fm為魚雷發(fā)射管內(nèi)流體局部引起的附加阻力瞬時(shí)值，N。

3 UUV 自航出管方法探究

對(duì)于自航發(fā)射來說，螺旋槳產(chǎn)生的推力大小主要取決于補(bǔ)水的效果，因此在魚雷發(fā)射管中進(jìn)行無人水下航行器的自航發(fā)射研究必須有效解決補(bǔ)水通道問題。

3.1 采用前端補(bǔ)水的自航發(fā)射方式

國外資料對(duì)采用前端補(bǔ)水發(fā)射時(shí)的發(fā)射管內(nèi)徑的論述為“自航發(fā)射魚雷發(fā)射管的內(nèi)徑一定要使水（發(fā)射時(shí)，水補(bǔ)進(jìn)發(fā)射管，使魚雷螺旋槳在其中運(yùn)轉(zhuǎn)）從發(fā)射管前端經(jīng)過魚雷周圍（環(huán)形間隙）流進(jìn)管里來[10]”，同理自航發(fā)射UUV時(shí)，能否形成有效的補(bǔ)水通道是實(shí)現(xiàn)自航發(fā)射的前提。

3.2 采用后端自流補(bǔ)水的自航發(fā)射方式

既然單靠前端補(bǔ)水自航發(fā)射不能形成有效的補(bǔ)水通道，僅僅采用前端補(bǔ)水不可能實(shí)現(xiàn)自航發(fā)射[11]。設(shè)想在發(fā)射管中啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，帶動(dòng)推進(jìn)器工作，魚雷前移導(dǎo)致的發(fā)射管內(nèi)增大的空間通過水道進(jìn)來的海水補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水。該文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用后端自流補(bǔ)水自航發(fā)射魚雷出管速度較低，而UUV自航出管的航速要求較低[12]，文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明UUV在航行出發(fā)射管時(shí)，其航速大于最低的出管速度，滿足自航出管條件?；蛟O(shè)計(jì)一種對(duì)UUV轉(zhuǎn)速約束裝置，使螺旋槳達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)解除制動(dòng)，能增加UUV的出管速度，實(shí)現(xiàn)自航發(fā)射。

如圖2所示，在UUV自航發(fā)射的初始階段，螺旋槳位于進(jìn)水口的后端，此時(shí)螺旋槳泵水的方向與其補(bǔ)水的方向一致，UUV加速向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)UUV向前運(yùn)動(dòng)越過進(jìn)水口時(shí)，如圖3所示，此時(shí)的補(bǔ)水方向與螺旋槳泵水方向相反，推進(jìn)器的工作會(huì)降低魚雷的運(yùn)動(dòng)速度。

3.3 采用有動(dòng)力后端補(bǔ)水的自航發(fā)射方式

采用后端自流補(bǔ)水的自航發(fā)射UUV的出管速度偏低且管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間較長，設(shè)想利用液壓平衡式發(fā)射管后端進(jìn)水通道實(shí)現(xiàn)有動(dòng)力補(bǔ)水，通過高壓氣瓶推動(dòng)氣缸活塞進(jìn)而拉動(dòng)水缸活塞，推動(dòng)海水進(jìn)入發(fā)射管后端。與后端自流補(bǔ)水的自航發(fā)射方式類似，采用有動(dòng)力后端補(bǔ)水的自航發(fā)射方式，無人水下航行器在管中啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)其發(fā)射無益處，決定UUV出管速度的是海水進(jìn)入發(fā)射管的流動(dòng)速度，而推進(jìn)器“泵水”方向與補(bǔ)水方向相反，從而增大后端補(bǔ)水的阻力，降低UUV出管速度。管內(nèi)啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)還可能使發(fā)射管的銹蝕部分導(dǎo)軌產(chǎn)生變形，可能導(dǎo)致UUV無法正常發(fā)射，影響任務(wù)的進(jìn)行。無人水下航行器在管內(nèi)啟動(dòng)會(huì)增大發(fā)射噪聲，因?yàn)橥七M(jìn)器啟動(dòng)增加了后端補(bǔ)水阻力，為保證出管速度則需要增加發(fā)射能量克服這部分阻力；無人水下航行器啟動(dòng)還會(huì)疊加噪聲源，不利于保持潛艇的隱蔽性，反而增大了發(fā)射噪聲，違背了自航發(fā)射的初衷。

4 結(jié) 語

UUV在未來的反潛水下信息戰(zhàn)中將發(fā)揮重要的作用，加速研究和發(fā)展UUV將對(duì)建設(shè)我國海軍至關(guān)重要[13]。本文通過對(duì)無人水下航行器出管條件分析、內(nèi)彈道模型建立，分析自航發(fā)射無人水下航行器的方法，前端補(bǔ)水和后端自流補(bǔ)水及采用有動(dòng)力后端補(bǔ)水的自航發(fā)射方式都需要解決補(bǔ)水的問題，而采用有動(dòng)力后端補(bǔ)水自航發(fā)射并不適用。大口徑發(fā)射管是實(shí)現(xiàn)自航發(fā)射的必備條件，或者在533mm口徑的魚雷發(fā)射管自航發(fā)射口徑小于500mm的魚雷，才能保證補(bǔ)水充足，發(fā)射時(shí)保證UUV能安全出管。

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Research on technology of self-prorelled launching UUV

YANGWen,MA Liang
(Naval Submarine Academy,Qingdao 266199,China)

The paper isaboutself-proprelled launching unmanned underwater vehicles(UUV)by torpedo launch tube,analyze the prerequisite of swim-out launching.Launching process is affected by buoyancy,weight,and the velocity of submarine and UUV,explore what kind of UUV that is suitable for typical torpedo tube self-prorelled launching,build the interior trajectory model,analyze the influence of different water supplement to self-prorelled launching,prove the theoretical feasibility of swim-out launching.

swim-out launching；torpedo tube；water replenishing

TP391.4

A

1672–7649(2017)12–0114–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.024

2017–07–03；

2017–07–27

楊文(1992–)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楸靼l(fā)射理論與技術(shù)。