往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射能量調(diào)節(jié)方法仿真分析

(海軍潛艇學(xué)院戰(zhàn)略導(dǎo)彈與水中兵器系， 山東青島 266071)

引言

往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置誕生于19世紀(jì)50年代，由于其利用平衡發(fā)射原理實(shí)現(xiàn)了大深度發(fā)射，直到現(xiàn)在仍有許多潛艇裝備此類型的雷彈發(fā)射裝置[1]。潛艇雷彈發(fā)射裝置的功能就是給武器足夠的離艇初速度。水下武器的運(yùn)動(dòng)速度是為武器提供升力，保持舵效，并最終保證武器水下可操縱性的關(guān)鍵指標(biāo)[2]。往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置主要借助活塞運(yùn)動(dòng)完成能量從壓縮空氣到海水的轉(zhuǎn)化過程， 并最終借助海水推動(dòng)發(fā)射管中的武器出管，由于在發(fā)射完成后活塞需要返回到初始位置為下一次發(fā)射做好準(zhǔn)備，即活塞需往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以稱為往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置。壓縮空氣是此類發(fā)射裝置的發(fā)射能源，調(diào)節(jié)發(fā)射能量主要通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的供給量來實(shí)現(xiàn)[3]。裝備往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置的潛艇通常在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)之前預(yù)先校準(zhǔn)調(diào)節(jié)發(fā)射能量以滿足安全發(fā)射的要求。但在緊急情況下實(shí)現(xiàn)對發(fā)射能量的靈活調(diào)節(jié)，目前尚缺少足夠的理論依據(jù)和操作指引，本研究首先分析選擇可行的調(diào)節(jié)手段，然后對調(diào)節(jié)效果進(jìn)行仿真分析，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急條件下發(fā)射能量的靈活調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

1 往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置基本原理

往復(fù)泵液壓平衡式裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射氣瓶中存儲的壓縮空氣作為發(fā)射能源[4]，壓縮空氣在發(fā)射時(shí)不直接進(jìn)入發(fā)射管，推動(dòng)武器運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)入氣缸，推動(dòng)氣缸和水缸內(nèi)的同軸雙頭活塞運(yùn)動(dòng)，先將壓縮空氣內(nèi)能轉(zhuǎn)換為活塞運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，進(jìn)而通過水缸內(nèi)活塞推動(dòng)海水，轉(zhuǎn)換為海水動(dòng)能，最終借助海水推動(dòng)武器，轉(zhuǎn)化為發(fā)射管內(nèi)武器運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能[5]。往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置的實(shí)質(zhì)是利用同軸的雙頭活塞，將作為發(fā)射源動(dòng)力的氣缸和用于將舷外海水泵入發(fā)射管內(nèi)的水缸同軸連接，形成一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的泵。通過將海水靜壓引入水缸作為推動(dòng)水缸活塞運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，從而平衡阻礙管內(nèi)武器運(yùn)動(dòng)的海水靜壓力，實(shí)現(xiàn)了平衡發(fā)射，極大的提高了發(fā)射深度[6]。隨著發(fā)射過程的進(jìn)行，發(fā)射氣瓶壓力下降，自動(dòng)截止器工作及時(shí)關(guān)閉發(fā)射開關(guān)，截留發(fā)射氣瓶中的壓縮空氣用以推動(dòng)活塞回到初始位置[7]，工作流程如圖2所示。

圖1 往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置

2 往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射能量調(diào)節(jié)方法

往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射能量控制基本原理如圖3、圖4所示。在發(fā)射過程中(如圖3)，排氣閥打開，發(fā)射開關(guān)C腔的氣經(jīng)由自動(dòng)截止器2腔、3腔由排氣閥排入艙室，發(fā)射開關(guān)按照一定的速度打開，接通B腔與A腔的通路，控制發(fā)射氣瓶中的壓縮空氣適時(shí)適量的進(jìn)入氣缸開始發(fā)射過程。當(dāng)發(fā)射氣瓶壓力下降到一定值時(shí)，進(jìn)入截止過程(如圖4)，此時(shí)自動(dòng)截止器彈簧伸張使得滑閥和活塞位置改變，此時(shí)自動(dòng)截止器1腔、2腔相通，截止氣瓶中的壓縮空氣進(jìn)入發(fā)射開關(guān)C腔，C腔壓力上升推活塞向下關(guān)閉B腔與A腔的通路，發(fā)射開關(guān)關(guān)閉。

圖3 發(fā)射過程能量控制原理圖

圖4 截止過程能量控制原理圖

調(diào)節(jié)發(fā)射能量的主要方法為：降低發(fā)射氣瓶壓力,調(diào)節(jié)發(fā)射開關(guān)打開速度，調(diào)節(jié)自動(dòng)截止器改變截止壓力。其中調(diào)節(jié)發(fā)射開關(guān)打開速度操作較為繁瑣， 且調(diào)節(jié)后必須依靠特殊測量設(shè)備才能獲知調(diào)節(jié)幅度，潛艇在水下遂行作戰(zhàn)任務(wù)期間無法使用該方法。調(diào)節(jié)發(fā)射氣瓶壓力操作較為簡單，通過觀察發(fā)射氣瓶氣壓表變化，即可立即獲知壓力調(diào)節(jié)的結(jié)果。調(diào)節(jié)自動(dòng)截止器改變截止壓力，主要通過調(diào)節(jié)自動(dòng)截止器彈簧張力實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)截止器結(jié)構(gòu)如圖5所示。旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺帽可以壓縮或放松彈簧調(diào)節(jié)彈簧張力，彈簧張力改變，進(jìn)而推動(dòng)活塞和滑閥動(dòng)作的時(shí)機(jī)改變，截止壓力隨即發(fā)生變化，調(diào)節(jié)完成后，可通過發(fā)射裝置空放，觀察發(fā)射氣瓶氣壓表獲得截止壓力的調(diào)節(jié)結(jié)果。調(diào)節(jié)截止壓力和發(fā)射氣瓶壓力雖然調(diào)節(jié)的結(jié)果容易獲知，但對管中武器發(fā)射過程的影響卻無法直接得知，即對發(fā)射能量的調(diào)節(jié)效果無法獲知[7-9]。解決這一問題必須通過建立發(fā)射裝置發(fā)射模型，仿真分析調(diào)節(jié)截止壓力和發(fā)射氣瓶壓力對發(fā)射過程的影響，為調(diào)節(jié)發(fā)射能量提供理論依據(jù)。

圖2 往復(fù)泵液壓平衡發(fā)射裝置工作流程

圖5 自動(dòng)截止器結(jié)構(gòu)簡圖

3 往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射模型

要確定發(fā)射能量變化過程，必須建立往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型，對發(fā)射過程進(jìn)行仿真分析。

假設(shè)氣體為理想氣體；熱力學(xué)過程為絕熱過程；壓力和溫度均勻分布[7]。

1) 發(fā)射氣瓶氣體狀態(tài)模型

(1)

(2)

(3)

式中，mB為發(fā)射氣瓶內(nèi)壓縮空氣質(zhì)量；pB為發(fā)射氣瓶壓力；TB為發(fā)射氣瓶溫度；mi為進(jìn)入氣缸的氣體質(zhì)量。

2) 發(fā)射閥數(shù)學(xué)模型

發(fā)射閥通過控制開啟面積控制發(fā)射過程中的壓縮空氣供給量，以使氣體流量保持在所需的數(shù)值。發(fā)射閥的面積變化規(guī)律為先慢后快，逐漸增大，直至達(dá)到最大開啟面積。發(fā)射閥特形孔形狀如圖6所示，特形孔面積的大小由發(fā)射閥特形孔形狀與閥芯移動(dòng)位移決定。在閥孔特形孔形狀固定的情況下，它是閥芯移動(dòng)位移x的函數(shù)，可表示為：

(4)

式中,pBj為自動(dòng)截止器動(dòng)作關(guān)閉發(fā)射開關(guān)時(shí)發(fā)射氣瓶的壓力。

圖6 特形孔形狀

(5)

式中，x0為發(fā)射閥閥芯開始運(yùn)動(dòng)到特形孔開啟時(shí)閥芯所運(yùn)動(dòng)的距離；a,b,c,h0為特形孔形狀參數(shù)。

3) 氣缸運(yùn)動(dòng)模型

氣缸內(nèi)氣體狀態(tài)方程與質(zhì)量守恒方程為：

(6)

(7)

選擇氣缸活塞始端為坐標(biāo)原點(diǎn)，則有：

Vqg=Vqg0+(Spq-Sps)·xp

(8)

4) 活塞運(yùn)動(dòng)方程

氣、水缸活塞為同軸活塞在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析時(shí)視為一體。經(jīng)受力分析得活塞組件力平衡方程為：

pw(Spw-Sps)-Fp

(9)

5) 水缸內(nèi)海水壓力模型

根據(jù)流體力學(xué)理論經(jīng)推導(dǎo)得到水缸壓力方程如下：

(10)

當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)位移為xp時(shí)，水缸體積為：

Vw=Vwo-(Spw-Sps)·xp-Vdw

(11)

式中，Vwo為水缸控制體初始體積。

由以上兩式可得：

(12)

6) 發(fā)射管內(nèi)海水壓力模型

(13)

式中,pg為發(fā)射管內(nèi)海水壓強(qiáng)；vT為武器在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度；Vg0為發(fā)射管內(nèi)武器后部海水初始體積；S為發(fā)射管橫截面積；qgi為發(fā)射水艙進(jìn)入發(fā)射管海水流量；qg0為發(fā)射管間隙流量。

7) 武器在發(fā)射管內(nèi)運(yùn)動(dòng)模型

發(fā)射武器過程中，武器運(yùn)動(dòng)離管空出的容積由發(fā)射水缸的海水不斷補(bǔ)充。武器后部的海水，以與武器相同的速度向管外運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)海水質(zhì)量不斷增加。把運(yùn)動(dòng)的海水與武器視為整體，其運(yùn)動(dòng)方程為：

(14)

式中,m=mw+mT=mwo+ρhSgl+mT，其中mT為武器質(zhì)量；mw為隨武器一起運(yùn)動(dòng)的海水的質(zhì)量；mwo為隨武器運(yùn)動(dòng)的海水質(zhì)量的初始值；Sg為武器橫截面積；Rx為武器流體運(yùn)動(dòng)阻力；Fm為武器與管壁之間的摩擦力；pHST為發(fā)射管口外部海水壓力。

4 仿真過程及結(jié)果分析

建立發(fā)射過程Simulink仿真模型，程序主要由6個(gè)子模塊組成，如圖7所示。仿真選定魚雷作為發(fā)射武器。在仿真求解器的選取上，考慮到方程的剛性并通過試算最后確定選取變步長ode23tb解算器[10]。

圖7 發(fā)射過程Simulink仿真模型

發(fā)射氣瓶標(biāo)準(zhǔn)壓力13 MPa。選取發(fā)射氣瓶壓力為13， 12， 11， 10， 9.5 MPa繪制魚雷出管速度時(shí)間曲線、膛壓時(shí)間曲線、氣缸壓力時(shí)間曲線、水缸壓力時(shí)間曲線如圖8～圖11所示，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同發(fā)射氣瓶壓力發(fā)射數(shù)據(jù)表

從圖中可知，發(fā)射氣瓶壓力13 MPa即正常發(fā)射時(shí)出管速度為14.8 m/s，膛壓、氣缸壓力、水缸壓力變化曲線符合往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置的發(fā)射能量變化規(guī)律，仿真模型與實(shí)際過程較為貼近。

對比不同發(fā)射氣瓶壓力發(fā)現(xiàn)：出管速度隨著發(fā)射氣瓶的壓力降低逐漸減小，當(dāng)發(fā)射氣瓶壓力下降到9.5 MPa時(shí)，出管速度11.8 m/s，接近發(fā)射魚雷最低出管速度12 m/s，如發(fā)射氣瓶壓力繼續(xù)降低，將無法滿足安全發(fā)射需求。從圖中可看出膛壓、氣缸、水缸壓力數(shù)值隨著發(fā)射氣瓶的壓力降低呈現(xiàn)整體降低，但變化趨勢基本類似。

圖8 不同發(fā)射氣瓶壓力魚雷速度時(shí)間曲線

圖9 不同發(fā)射氣瓶壓力膛壓時(shí)間曲線

圖10 不同發(fā)射氣瓶壓力氣缸壓力時(shí)間曲線

圖11 不同發(fā)射氣瓶壓力水缸壓力時(shí)間曲線

標(biāo)準(zhǔn)截止壓力3 MPa，改變自動(dòng)截止器截止壓力，選取截止壓力為3， 5， 7， 9 MPa繪制魚雷出管速度時(shí)間曲線、膛壓時(shí)間曲線、氣缸壓力時(shí)間曲線、水缸壓力時(shí)間曲線如圖12～圖15所示。

圖12 不同截止壓力魚雷速度時(shí)間曲線

圖13 不同截止壓力膛壓時(shí)間曲線

圖14 不同截止壓力氣缸壓力時(shí)間曲線

圖15 不同截止壓力水缸壓力時(shí)間曲線

改變截止壓力時(shí)，出管速度明顯降低，截止壓力選取3， 5， 7 MPa時(shí)的出管速度分別為14.8， 14.0， 12.8 m/s，當(dāng)截止壓力為9 MPa時(shí)，出管速度僅為11.7 m/s，如繼續(xù)提升截止壓力，則無法滿足安全發(fā)射的要求。

從圖中可看出膛壓、氣缸壓力、水缸壓力峰值未發(fā)生變化，但在截止過程開始后，各項(xiàng)壓力數(shù)值迅速下降，且截止壓力越高，壓力下降越迅速。膛壓、氣缸壓力、水缸壓力最小值隨著截止壓力的上升逐漸減小。

當(dāng)單獨(dú)改變發(fā)射氣瓶壓力或截止壓力時(shí)，仿真結(jié)果表明，發(fā)射氣瓶壓力下降低于9.5 MPa時(shí)無法繼續(xù)發(fā)射，截止壓力升高超過9 MPa時(shí)，出管速度無法滿足安全發(fā)射要求。在調(diào)整發(fā)射能量時(shí)須注意不要超過安全上限造成發(fā)射事故。

個(gè)別緊急情況需對發(fā)射氣瓶壓力和截止壓力進(jìn)行聯(lián)合調(diào)整，例如發(fā)射氣瓶壓力下降到達(dá)極限，必須降低截止壓力保證發(fā)射安全。設(shè)定發(fā)射氣瓶壓力9 MPa時(shí)，降低截止壓力至1 MPa，得到魚雷出管速度時(shí)間曲線、膛壓時(shí)間曲線、氣缸壓力時(shí)間曲線、水缸壓力時(shí)間曲線如圖16～圖19所示。

圖16 魚雷速度時(shí)間曲線

圖17 膛壓時(shí)間曲線

結(jié)果表明，在發(fā)射氣瓶壓力下降情況下，降低截止壓力，可以改變發(fā)射能量，滿足安全發(fā)射需求。發(fā)射出管速度為12.4 m/s，高于最低出管速度。膛壓峰值降低至0.43 MPa，氣缸壓力峰值降低至2.33 MPa，水缸壓力峰值降低至1.12 MPa，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足安全要求，變化規(guī)律符合實(shí)際發(fā)射規(guī)律。

圖18 氣缸壓力時(shí)間曲線

圖19 水缸壓力時(shí)間曲線

5 結(jié)論

在對往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置能量控制原理和調(diào)節(jié)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，為確定調(diào)節(jié)發(fā)射氣瓶壓力和改變截止壓力對發(fā)射過程的影響，應(yīng)用控制體分析方法，建立往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型。通過該模型對發(fā)射能量調(diào)節(jié)過程進(jìn)行仿真分析。利用Simulink軟件模塊化設(shè)計(jì)方法，建立了武器發(fā)射過程仿真模型，與實(shí)際發(fā)射參數(shù)比對，證實(shí)了模型的可行性[11]。利用模型對不同發(fā)射氣瓶壓力、不同截止壓力的發(fā)射過程進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，使用調(diào)節(jié)發(fā)射氣瓶壓力控制發(fā)射能量，發(fā)射氣瓶壓力不能低于9.5 MPa；改變截止壓力控制發(fā)射能量，截止壓力不能高于9 MPa，否則出管速度將無法滿足安全發(fā)射要求。當(dāng)發(fā)射氣瓶壓力下降時(shí)，可采用降低截止壓力方法保證發(fā)射，根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)發(fā)射氣瓶壓力下降到達(dá)9 MPa時(shí)，降低截止壓力至1 MPa可實(shí)現(xiàn)安全發(fā)射。建立的仿真模型反映發(fā)射裝置發(fā)射過程內(nèi)在規(guī)律[12]，運(yùn)行可靠，仿真結(jié)果為實(shí)現(xiàn)往復(fù)泵液壓平衡式發(fā)射裝置能量調(diào)節(jié)提供了有力的理論依據(jù)。