魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)探討

帥智浩, 徐新棟, 李 兵, 趙 琪

魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)探討

帥智浩, 徐新棟, 李 兵, 趙 琪

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

傳統(tǒng)魚雷空投附件單一根據(jù)平臺(tái)或雷型開展研制工作, 其研制周期長、成本高、使用保障困難。為解決以上問題, 文章首先對魚雷空投附件吊掛魚雷、穩(wěn)定減速、解除待發(fā)繩約束、解除設(shè)定插頭約束、空中止轉(zhuǎn)和緩沖減阻等功能接口進(jìn)行了梳理分析; 并借鑒產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法, 按照功能模塊劃分、模塊系列化、模塊組合的設(shè)計(jì)步驟, 分別形成了直升機(jī)、固定翼飛機(jī)和助飛平臺(tái)帶載不同魚雷時(shí)的空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案; 最后給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)思路可為空投附件工程研制提供參考。

魚雷; 空投附件; 模塊化

0 引言

魚雷是由攜載作戰(zhàn)的平臺(tái)在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后發(fā)射入水, 在受控狀態(tài)下自動(dòng)航行, 用以攻擊摧毀目標(biāo)的水中武器[1]。隨著制空權(quán)爭奪的加劇和空中平臺(tái)的蓬勃發(fā)展, 從空中到達(dá)預(yù)定水域進(jìn)行反潛的空投魚雷愈發(fā)受到重視[2]。魚雷空投附件作為魚雷同空中使用平臺(tái)的連接紐帶, 關(guān)乎到魚雷能否從空中正常投放、按規(guī)定的參數(shù)入水, 進(jìn)而完成其戰(zhàn)斗使命。

魚雷空投附件具有五方面的高使用要求: 魚雷空投附件需要在特定高度及速度的組合條件下完成魚雷與平臺(tái)的分離, 同時(shí)保證魚雷具有良好的初始分離狀態(tài), 為后續(xù)的空中彈道提供良好的輸入條件, 投放/分離條件的確定直接影響魚雷入水參數(shù), 即投放/分離條件要求高; 魚雷與平臺(tái)分離后, 受雷體氣動(dòng)布局和氣象風(fēng)影響, 雷體會(huì)出現(xiàn)一定程度的俯仰、橫滾和側(cè)移, 隨著各拉繩動(dòng)作、降落傘打開, 雷傘系統(tǒng)(魚雷和降落傘系統(tǒng))需要在克服各種外力的耦合作用下, 實(shí)現(xiàn)雷體穩(wěn)定減速降落, 即空中彈道穩(wěn)定性要求高; 魚雷入水時(shí), 為保證魚雷正常航行、雷內(nèi)各組件可承受入水沖擊過載, 空投附件需要完全同魚雷分離, 并以規(guī)定的入水速度和入水角度入水, 入水后的姿態(tài)將直接影響到魚雷能否順利完成水下航行[3], 即入水姿態(tài)要求高; 在空投附件整個(gè)使用過程中, 除經(jīng)歷運(yùn)輸、貯存等環(huán)境外, 還要經(jīng)歷氣象風(fēng)、低溫、起飛和降落、入水沖擊等多種復(fù)雜環(huán)境, 能否耐受多種力學(xué)及氣候環(huán)境直接關(guān)系到空投附件的功能實(shí)現(xiàn)[4], 即使用環(huán)境要求高; 魚雷空投附件各組件安裝在雷體不同位置, 在投放后必須按照一定的時(shí)序動(dòng)作, 避免組件之間、空投附件同平臺(tái)之間的交聯(lián)干涉, 否則會(huì)直接威脅平臺(tái)人員、使用平臺(tái)和魚雷安全, 即工作安全性要求高。

根據(jù)反潛作戰(zhàn)需要, 魚雷空投附件還需要滿足直升機(jī)平臺(tái)、固定翼飛機(jī)平臺(tái)和助飛平臺(tái)的搭載需求, 各平臺(tái)的工作模式、掛載方式、接口形式以及投放/分離條件等均有所差別, 具體見表1。為滿足各平臺(tái)的使用需求, 形成了直升機(jī)用空投附件、固定翼飛機(jī)用空投附件和助飛魚雷用空投附件3個(gè)系列。相比而言, 直升機(jī)用空投附件和固定翼飛機(jī)用空投附件組成相近, 因投放條件及工作模式不同, 組件的性能參數(shù)有所差異; 助飛魚雷采用分離艙包覆魚雷的方式替代了飛機(jī)吊裝魚雷飛行的方式, 并且受限于分離條件, 在飛行和入水過程中必須采取相應(yīng)措施減阻緩沖, 所以助飛魚雷用空投附件同飛機(jī)用空投附件在組成、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等方面均有區(qū)別。

表1 魚雷空投附件在不同平臺(tái)使用特點(diǎn)對比

隨著各平臺(tái)不斷研發(fā)改進(jìn), 形成了一系列技術(shù)狀態(tài)有所差異的魚雷搭載平臺(tái), 從而對魚雷空投附件的兼容性提出了更高的要求。以直升機(jī)平臺(tái)為例, 2類最大起飛質(zhì)量不同的直升機(jī)在投放高度、掛載方式、止動(dòng)臂形式、掛載魚雷數(shù)量等方面均不相同, 上述因素關(guān)系到魚雷空投附件的質(zhì)量、各拉繩長度、吊帶解脫時(shí)機(jī)和各組件動(dòng)作時(shí)序, 直接影響空投附件參數(shù)設(shè)計(jì)。

同時(shí), 隨著魚雷型號(hào)的不斷發(fā)展, 空投附件需要滿足多平臺(tái)帶載多型魚雷的使用需求, 單純按平臺(tái)或雷型進(jìn)行空投附件的研制, 無疑會(huì)加長研制周期, 增加研制成本, 在造成資源浪費(fèi)的同時(shí), 給部隊(duì)使用和保障帶來諸多不便。目前國內(nèi)缺乏關(guān)于魚雷空投附件設(shè)計(jì)方法的研究, 作者結(jié)合工程研制經(jīng)驗(yàn), 提出了一種基于模塊化的魚雷空投附件設(shè)計(jì)思路, 在詳細(xì)分析空投附件功能接口的基礎(chǔ)上, 按照功能模塊通用化、系列化和組合化的方式, 形成了不同平臺(tái)帶載不同魚雷的空投附件設(shè)計(jì)方案, 為后續(xù)魚雷空投附件的研制提供了借鑒。

1 功能接口分析

1.1 吊掛魚雷

在直升機(jī)和固定翼飛機(jī)帶載魚雷起飛、飛行及降落過程中, 空投附件需將魚雷穩(wěn)固可靠地掛載在飛機(jī)掛架上, 為此設(shè)計(jì)有吊掛部件。

常用的吊掛部件形式有吊耳、導(dǎo)子和吊帶, 如圖1所示。吊耳固定在殼體上, 投放后吊耳翻轉(zhuǎn)或縮回預(yù)留的凹槽內(nèi), 此吊掛部件需占用一定的雷體空間; 導(dǎo)子為直接固定在雷體表面上的橫梁形式, 通過掛架上的抓手實(shí)現(xiàn)魚雷掛載, 此吊掛部件會(huì)影響魚雷的流體布局且要求發(fā)射管設(shè)計(jì)有相應(yīng)的導(dǎo)向槽; 吊帶為環(huán)繞雷體一周的彈性帶, 在魚雷投放后通過吊帶拉繩拉脫鎖緊機(jī)構(gòu)的方式解除吊帶對雷體的束縛, 吊帶在彈力作用下遠(yuǎn)離魚雷, 此吊掛部件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜, 但不占用雷體空間和質(zhì)量。對空間和質(zhì)量有限、多平臺(tái)使用的現(xiàn)代魚雷而言, 空間和質(zhì)量的節(jié)約可為雷內(nèi)功能模塊的使用提供更多可能, 故目前多采用吊帶的吊掛方式。文中以吊帶為例, 研究不同平臺(tái)吊掛不同魚雷時(shí)的功能需求差異。

圖1 常用吊掛部件形式

吊帶主要承力件為彈性帶, 其應(yīng)能承受螺栓拉緊時(shí)的預(yù)緊力和垂向過載, 且和魚雷不發(fā)生軸向的相對竄動(dòng)。彈性帶主截面應(yīng)力按式(1)進(jìn)行計(jì)算, 軸向最小摩擦力按式(2)進(jìn)行計(jì)算。彈性帶主截面應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力, 軸向最小摩擦力應(yīng)大于魚雷軸向過載, 且兩者均留有足夠的安全余量。

由式(1)和式(2)可知, 彈性帶承載能力設(shè)計(jì)同魚雷質(zhì)量和預(yù)緊力矩直接相關(guān), 而預(yù)緊力矩則由飛行條件決定。對于振動(dòng)環(huán)境較好、起降及飛行過載偏小、投放速度較低的平臺(tái), 可選擇厚度偏薄、主截面寬度較窄的彈性帶; 對于振動(dòng)環(huán)境惡劣、起降及飛行過載偏大、投放速度較高的平臺(tái), 可選擇厚度偏厚、主截面寬度較寬的彈性帶。在相同的飛行條件且魚雷質(zhì)量較大的情況下, 為降低主截面應(yīng)力, 應(yīng)選擇厚度和寬度均較大的彈性帶。

吊帶通過其上固定的吊耳同飛機(jī)掛架連接。吊帶拉繩一端連接在吊帶的鎖緊機(jī)構(gòu)上, 另一端連接在飛機(jī)掛架上。在魚雷投放后, 吊帶拉繩解除吊帶對雷體的束縛, 吊帶彈離雷體, 吊帶拉繩系留在掛架上。

1.2 穩(wěn)定減速

由于魚雷按水下航行性能設(shè)計(jì)流體布局, 在平臺(tái)投放后雷體處于不穩(wěn)定狀態(tài), 如不加以控制可能危害平臺(tái)安全。且魚雷以一定初速度投放, 在重力作用下雷體會(huì)不斷加速, 以較大的速度入水, 從而造成雷內(nèi)組件損壞, 必須通過增加穩(wěn)定裝置的方式實(shí)現(xiàn)開傘前及空中彈道段的穩(wěn)定及減速, 使魚雷按照規(guī)定的參數(shù)入水。以織物為主體的降落傘是常用的穩(wěn)定減速部件[5-6], 因此穩(wěn)定裝置的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降落傘設(shè)計(jì), 而降落傘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是傘型選擇和傘衣面積確定。

無論使用何種平臺(tái)進(jìn)行魚雷投放, 均希望獲得較短的留空時(shí)間和穩(wěn)定的減速效果, 因此應(yīng)首先考慮穩(wěn)定性好的降落傘。由于直升機(jī)投放魚雷速度較低, 開傘沖擊載荷較小, 為了在短時(shí)間內(nèi)獲得滿意的減速效果, 直升機(jī)用空投附件通常采用阻力系數(shù)較大、易于加工的十字形傘, 無肋導(dǎo)向面?zhèn)慊虮P縫帶傘等; 固定翼飛機(jī)和助飛平臺(tái)同魚雷分離時(shí)速度較高, 開傘沖擊載荷較大, 所用空投附件多采用阻力系數(shù)和開傘動(dòng)載系數(shù)均較小的平面帶條傘。

在傘型確定之后, 降落傘的減速效果主要取決于降落傘傘衣面積。為獲得滿意的穩(wěn)定減速效果, 保證魚雷入水參數(shù)符合要求, 傘衣面積越大越好; 為增加攻擊隱蔽性, 盡可能縮短魚雷的留空時(shí)間, 且雷傘連接部位所承受的載荷在許可范圍之內(nèi), 傘衣面積越小越好。在設(shè)計(jì)過程中, 通常按以下3個(gè)條件確定降落傘傘衣面積。

1) 按最不利入水條件確定傘衣面積, 即魚雷以許可的最大入水角入水, 此時(shí)需要的最小傘衣面積為

2) 按最低投放高度下滿足入水參數(shù)確定傘衣面積, 即魚雷在最低高度投放并以要求的入水速度入水, 此時(shí)需要的最小傘衣面積為

3) 按瞬間開傘過載滿足尾軸承載能力確定傘衣面積, 即在魚雷開傘瞬間產(chǎn)生的最大軸向沖擊力小于魚雷尾軸的軸向承載能力, 此時(shí)允許的最大傘衣面積為

由式(3)~式(5)可知, 降落傘傘衣面積的確定同投放/分離條件、入水條件、魚雷質(zhì)量息息相關(guān)。直升機(jī)用空投附件選擇較小的傘衣面積可滿足減速入水要求, 固定翼飛機(jī)用空投附件需要更大的傘衣面積來實(shí)現(xiàn)高速、大高度投放條件下的魚雷減速, 而助飛魚雷用空投附件則需要在考慮高速分離過程中尾軸承載能力的情況下確定是否采用多級(jí)開傘方式。在尾軸承載能力允許的情況下, 隨著魚雷質(zhì)量的增加, 傘衣面積應(yīng)相應(yīng)增大。

降落傘安裝在穩(wěn)定裝置的傘包內(nèi), 在魚雷投放后, 通過拉繩解除傘包束縛, 實(shí)現(xiàn)規(guī)定時(shí)刻開傘。直升機(jī)和固定翼飛機(jī)均采用開傘拉繩的形式, 開傘拉繩一端連接在傘包上, 另一端連接在掛架上, 在投放后開傘拉繩系留在掛架上; 助飛魚雷用拉繩集成在開傘機(jī)構(gòu)上, 使用時(shí)直接安裝在分離艙殼體上, 在分離后拉繩系留在分離艙上。

穩(wěn)定裝置安裝在魚雷尾部的雷傘連接部件上, 連接方式隨穩(wěn)定裝置解脫原理而有所差異。直升機(jī)投放速度較低, 所用降落傘體積較小, 通常選擇對開式脫傘機(jī)構(gòu), 在保證小體量的同時(shí)利用入水沖擊實(shí)現(xiàn)入水解脫, 連接方式為螺釘緊固。固定翼飛機(jī)和助飛魚雷投放/分離速度較高, 在開傘時(shí)可能產(chǎn)生大于入水沖擊的過載, 因此采用帶延時(shí)保險(xiǎn)的脫傘機(jī)構(gòu), 在規(guī)避開傘最大過載后解除脫傘保險(xiǎn), 通過敏感入水沖擊實(shí)現(xiàn)入水解脫, 連接方式為鋼珠緊固。

為滿足魚雷投放后姿態(tài)和入水參數(shù)要求, 考慮到直升機(jī)用降落傘作用時(shí)間有限, 直升機(jī)用空投附件還需設(shè)計(jì)提供尾部拉力的施力組件。施力組件安裝在穩(wěn)定裝置上, 可根據(jù)需求調(diào)整在魚雷尾部施加的拉力值以提供不同的初始俯仰力矩, 進(jìn)而滿足多型魚雷的入水角度需求。施力組件另外一端連接在掛架上, 在魚雷下落時(shí), 通過拉繩完成尾部力矩施加。在魚雷投放后, 施力組件拉繩部分系留在掛架上, 其余部分隨穩(wěn)定裝置同魚雷分離。

1.3 解除待發(fā)繩約束

雷上動(dòng)力點(diǎn)火、控制系統(tǒng)啟控及引信動(dòng)作, 均需確認(rèn)魚雷與平臺(tái)已經(jīng)分離, 這就需要空投魚雷同平臺(tái)分離時(shí)拔出雷體上母線處的待發(fā)繩, 為雷內(nèi)各系統(tǒng)提供分離信號(hào), 因此空投附件應(yīng)具備拉拔待發(fā)繩的功能。

通常采用開關(guān)拉繩直接拉拔待發(fā)繩的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述功能, 開關(guān)拉繩一端同待發(fā)繩相連, 另一端連接在掛架的爆控機(jī)構(gòu)或分離艙殼體上。在魚雷與平臺(tái)分離后, 開關(guān)拉繩系留在掛架或分離艙上。

1.4 解除設(shè)定插頭約束

平臺(tái)帶載魚雷后, 通過機(jī)載武器系統(tǒng)的設(shè)定插頭與魚雷上的設(shè)定插座連接, 完成射前參數(shù)裝訂, 在魚雷投放后需拉脫設(shè)定插頭, 為此設(shè)計(jì)有設(shè)定拉繩。

通過控制設(shè)定拉繩系留點(diǎn)位置和長度, 可在滿足規(guī)定拉拔力和拉拔角度的情況下拉脫設(shè)定插頭。設(shè)定拉繩一端安裝在魚雷掛架或分離艙上, 一端固定在設(shè)定插座上, 在魚雷與平臺(tái)分離時(shí), 借助魚雷下墜的力完成設(shè)定插頭拉拔。在魚雷與平臺(tái)分離后, 開關(guān)拉繩系留在掛架或分離艙上。

1.5 空中止轉(zhuǎn)

在魚雷投放后的空中彈道段, 應(yīng)避免推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)造成魚雷無法正常工作, 因此需要制止部件防止推進(jìn)器空中轉(zhuǎn)動(dòng), 兼顧改善雷體氣動(dòng)外形。

考慮直升機(jī)低速前飛及懸停投放的特點(diǎn), 制止部件通常采用簡易的制止圈形式, 而固定翼飛機(jī)投放和助飛魚雷分離時(shí)需要抵抗更大的氣動(dòng)作用力, 制止部件通常采用整體成型的制止器形式, 通過制止器翼面設(shè)計(jì)可改善雷體氣動(dòng)布局。制止部件安裝在魚雷推進(jìn)器上, 并固定在穩(wěn)定裝置上, 在入水時(shí)隨穩(wěn)定裝置一起同魚雷分離。

1.6 緩沖減阻

現(xiàn)代魚雷多為自導(dǎo)魚雷, 雷頭的聲學(xué)裝置布置有換能器陣元?？紤]到陣元布置空間的需求, 雷頭線型只能設(shè)計(jì)為平端頭形狀。受限于此, 助飛魚雷在高空完成魚雷同平臺(tái)的高速分離后, 雷頭線型使得魚雷在分離后的空中飛行階段面臨較大的氣動(dòng)阻力、在入水階段面臨較大的沖擊力, 因此需要減少氣動(dòng)阻力、緩沖入水壓力以保護(hù)雷內(nèi)組件, 頭帽應(yīng)需而生。

頭帽安裝在魚雷頭部, 采用整流造型, 可有效降低飛行過程中的氣動(dòng)阻力和入水時(shí)頭段承受的入水沖擊。頭帽在入水時(shí)碎裂, 實(shí)現(xiàn)同魚雷分離。

2 模塊化設(shè)計(jì)

2.1 模塊化設(shè)計(jì)思路

模塊是構(gòu)成系統(tǒng)的具有某種特定功能和接口結(jié)構(gòu)的典型通用獨(dú)立單元, 具有相對獨(dú)立性、相互柔性化及便于批產(chǎn)等特點(diǎn)[7-8]。模塊化設(shè)計(jì)是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊, 通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品, 以滿足不同需求的設(shè)計(jì)方法[9-10]。

通過功能接口分析可知, 魚雷空投附件具有相對獨(dú)立的功能單元, 即實(shí)現(xiàn)掛載魚雷的吊掛部件、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)姿減速的穩(wěn)定裝置、解除待發(fā)繩約束的開關(guān)拉繩、解除設(shè)定插頭約束的設(shè)定拉繩、空中止轉(zhuǎn)的制止部件、緩沖減阻的頭帽、實(shí)現(xiàn)吊掛部件分離的吊帶拉繩。同時(shí), 魚雷空投附件與魚雷和平臺(tái)的接口具有典型性, 在魚雷和平臺(tái)的研制過程中變化不大, 這為魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)提供了可能。

借鑒上述設(shè)計(jì)理念, 結(jié)合空投附件實(shí)際研制情況, 總結(jié)得出了魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)思路(見圖2), 即: 首先依據(jù)使用需求進(jìn)行功能劃分, 明確空投附件應(yīng)具備的全部功能, 并據(jù)此形成初步的功能模塊; 結(jié)合平臺(tái)使用特點(diǎn), 將可以開展適應(yīng)性改進(jìn)的功能模塊形成系列; 根據(jù)不同平臺(tái)投放不同魚雷的實(shí)際情況, 形成相適應(yīng)的組合化設(shè)計(jì)方案。

圖2 模塊化設(shè)計(jì)思路

2.2 功能模塊劃分

根據(jù)功能接口分析, 對魚雷空投附件進(jìn)行功能模塊劃分, 結(jié)果見圖3。劃分好的魚雷空投附件模塊包括吊掛部件模塊、吊帶拉繩模塊、開關(guān)拉繩模塊、設(shè)定拉繩模塊、開傘拉繩模塊、穩(wěn)定裝置模塊、施力組件模塊、制止模塊和頭帽模塊。

由于助飛魚雷用于解脫傘包束縛的拉繩和固定翼飛機(jī)用開傘拉繩功能一致、接口相似, 因此將助飛魚雷用拉繩從穩(wěn)定裝置上獨(dú)立出來, 與固定翼飛機(jī)用開傘拉繩和直升機(jī)用開傘拉繩統(tǒng)一為開傘拉繩模塊。

常用的魚雷推進(jìn)器有螺旋槳推進(jìn)器和泵噴射推進(jìn)器, 兩者結(jié)構(gòu)形式迥異, 制止部件無法直接滿足兩型推進(jìn)器的止轉(zhuǎn)需求, 需根據(jù)推進(jìn)器形式進(jìn)行安裝上的適應(yīng)性設(shè)計(jì), 因此制止模塊包括適用于螺旋槳推進(jìn)器的制止模塊和適用于泵噴射推進(jìn)器的制止模塊。

出于水密并具有良好水聲性能的需要, 雷頭外部硫化有透聲橡膠, 為了保證良好的噪聲性能, 硫化的透聲橡膠沿魚雷長度進(jìn)行了延伸, 這為頭帽安裝帶來了困難。為適應(yīng)不同長度透聲橡膠的魚雷, 需對頭帽在雷體上的限位形式進(jìn)行改進(jìn), 為此將頭帽模塊分為滾輪頭帽模塊和固定墊頭帽模塊。滾輪頭帽模塊可通過滾輪將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦, 降低頭帽工作過程中自導(dǎo)頭的承載壓力, 避免損傷透聲橡膠, 適用于長自導(dǎo)頭(透聲橡膠大); 固定墊頭帽模塊通過固定墊作用于非硫化橡膠表面, 可保證在一定軸向沖擊載荷作用下的穩(wěn)定連接, 適用于短自導(dǎo)頭(透聲橡膠面積小)。

圖3 魚雷空投附件功能模塊劃分

2.3 功能模塊系列化

由于各平臺(tái)在掛載方式、接口形式、投放/分離條件等方面有所差別, 只是進(jìn)行功能模塊劃分, 無法完全滿足各平臺(tái)的使用需求。結(jié)合魚雷空投附件研制現(xiàn)狀, 可采用壓縮精干方式[11]開展功能模塊的系列化設(shè)計(jì), 即在原有空投附件各組件的基礎(chǔ)上進(jìn)行壓縮, 形成精干的規(guī)格系列。

直升機(jī)和固定翼飛機(jī)用空投附件均需要吊掛部件模塊, 雖然直升機(jī)和固定翼飛機(jī)飛行和投雷條件不同, 但吊掛部件接口和功能一致, 通過合理的彈性帶厚度和寬度設(shè)計(jì), 在尺寸和質(zhì)量允許的條件下可用較厚、較寬的彈性帶替代較薄、較窄的彈性帶, 即采用通用的吊帶模塊實(shí)現(xiàn)2種平臺(tái)吊掛功能的兼容。

吊帶通過吊帶拉繩解脫其在雷體上的束縛, 直升機(jī)投放魚雷時(shí), 由于其攜帶武器較為單一, 在魚雷下落一定距離后吊帶拉繩直接拉脫鎖緊機(jī)構(gòu)、釋放吊帶即可; 固定翼飛機(jī)投放魚雷時(shí), 由于其武器艙內(nèi)懸掛物較多, 且武器艙空間較大, 采用吊帶拉繩直拉的方式會(huì)在武器艙內(nèi)遺留較長的一段拉繩, 影響飛行安全, 為此借助降落傘打開時(shí)的氣動(dòng)力, 將吊帶拉繩連接在降落傘和吊帶鎖緊機(jī)構(gòu)之間, 采用傘開吊帶的方式實(shí)現(xiàn)吊帶釋放。因此, 吊帶拉繩模塊包括適用于直接解脫吊帶的吊帶拉繩Ⅰ型和適用于傘開吊帶的吊帶拉繩Ⅱ型。

由于待發(fā)繩的拉拔具有拉拔力和拉拔角度要求, 在直升機(jī)使用時(shí), 需要兼顧內(nèi)掛、外掛2種掛載方式, 開關(guān)拉繩需要在雷體下落一定高度后拉脫待發(fā)繩且又不能在武器艙內(nèi)留下過長的長度, 故開關(guān)拉繩主體設(shè)計(jì)為可伸縮形式; 在固定翼飛機(jī)使用時(shí), 需要避免同掛架及吊帶干涉, 開關(guān)拉繩主體設(shè)計(jì)為可彎折形式; 在助飛魚雷使用時(shí), 需要滿足狹小空間的安裝要求, 開關(guān)拉繩主體設(shè)計(jì)為直拉式。因此, 受限于平臺(tái)掛載方式和接口形式的差異, 開關(guān)拉繩模塊包括適用于直升機(jī)內(nèi)掛和外掛的可伸縮式開關(guān)拉繩、適用于固定翼飛機(jī)的可彎折式開關(guān)拉繩和適用于助飛魚雷的直拉式開關(guān)拉繩3個(gè)系列。

直升機(jī)和固定翼飛機(jī)使用時(shí), 設(shè)定拉繩均連接在掛架上, 且2種狀態(tài)下系留點(diǎn)位置同設(shè)定插座中心的距離相近, 考慮到設(shè)定拉繩在分離艙上的系留點(diǎn)位置可調(diào)整, 因此可通過設(shè)定拉繩系留點(diǎn)位置和長度設(shè)計(jì)兼容3種平臺(tái)使用需求。

由于投放/分離條件和傘衣面積不同, 直升機(jī)用空投附件采用開傘拉繩直接拉開降落傘的方式, 即可保證雷機(jī)分離安全; 固定翼飛機(jī)和助飛魚雷用空投附件采用開傘拉繩拉動(dòng)延時(shí)開傘機(jī)構(gòu)的延時(shí)開傘方式, 在雷傘系統(tǒng)離開平臺(tái)一定距離后再打開降落傘?？紤]到分離艙內(nèi)部安裝空間有限, 助飛魚雷用開傘拉繩需采取一定的設(shè)計(jì)措施,以確保可從外部安裝開傘拉繩且拉繩不打結(jié)。因此, 受限于投放/分離速度、傘衣面積和接口形式, 開傘拉繩模塊包括適用于低速開傘的開傘拉繩Ⅰ型、適用于延時(shí)開傘的開傘拉繩Ⅱ型和適用于分離艙外部安裝的開傘拉繩Ⅲ型。

由于投放條件不同, 直升機(jī)用穩(wěn)定裝置同固定翼飛機(jī)用穩(wěn)定裝置在降落傘設(shè)計(jì)、解脫原理等方面均不相同。固定翼飛機(jī)用穩(wěn)定裝置和助飛魚雷用穩(wěn)定裝置在傘型選擇、解脫原理等方面相一致, 主要差異在于是否采用多級(jí)開傘方式。因此, 穩(wěn)定裝置模塊包括適用于低空、低速的穩(wěn)定裝置Ⅰ型, 適用于高度偏高、速度偏高的穩(wěn)定裝置Ⅱ型和適用于高空、高速的穩(wěn)定裝置Ⅲ型。

施力組件需滿足不同雷型投放時(shí)的俯仰力矩需求, 故根據(jù)其施力大小形成系列。

由于直升機(jī)投放條件同固定翼飛機(jī)和助飛魚雷的分離條件相差較大, 制止圈難以滿足高速下的推進(jìn)器制止需求, 而如果在低速下采用制止器制止形式, 則存在入水分離困難, 因此制止模塊包括適用于低速的制止圈模塊和適用于高速的制止器模塊。

隨著助飛魚雷運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展, 超音速飛行成為頭帽研制直接面臨的問題, 現(xiàn)有頭帽難以有效抵抗高馬赫數(shù)飛行時(shí)的氣流作用, 存在異常碎裂風(fēng)險(xiǎn), 需通過頭帽局部增強(qiáng)設(shè)計(jì), 兼顧發(fā)射及飛行過程對魚雷頭部的保護(hù)作用和入水碎裂分離的功能。因此, 根據(jù)分離條件, 頭帽模塊包括跨音速頭帽和超音速頭帽。

綜上, 魚雷空投附件功能模塊系列化的結(jié)果見表2。

表2 魚雷空投附件模塊系列化設(shè)計(jì)結(jié)果

2.4 組合化的魚雷空投附件方案

在上述模塊化和系列化的基礎(chǔ)上, 分析得到了不同平臺(tái)帶載不同魚雷時(shí)的魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案, 具體見表3~表5。

上述組合化的魚雷空投附件方案可以最大限度的利用通用化產(chǎn)品, 統(tǒng)籌設(shè)計(jì)資源, 提高產(chǎn)品的繼承性。隨著后續(xù)魚雷和使用平臺(tái)的發(fā)展, 可以快速便捷地形成新的空投附件方案, 便于空投附件的使用和保障。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)通過設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)說明魚雷模塊化空投附件設(shè)計(jì)思路對實(shí)際設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)意義。

1) 確定設(shè)計(jì)實(shí)例用飛機(jī)帶載魚雷的具體要求

根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)例用飛機(jī)使用特點(diǎn)確定其帶載魚雷的具體要求, 見表6。

表3 直升機(jī)帶載不同魚雷時(shí)的魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案

表4 固定翼飛機(jī)帶載不同魚雷時(shí)的魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案

表5 助飛平臺(tái)帶載不同魚雷時(shí)的魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案

表6 固定翼飛機(jī)帶載魚雷具體要求

2) 確定空投附件功能模塊

根據(jù)上述要求, 結(jié)合不同平臺(tái)使用特點(diǎn), 可知該實(shí)例應(yīng)根據(jù)固定翼飛機(jī)用空投附件開展設(shè)計(jì)工作。結(jié)合固定翼飛機(jī)用魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案, 設(shè)計(jì)實(shí)例用飛機(jī)的空投附件應(yīng)包括吊掛部件模塊、吊帶拉繩模塊、開關(guān)拉繩模塊、設(shè)定拉繩模塊、穩(wěn)定裝置模塊、制止模塊和開傘拉繩模塊。

3) 對比分析形成初步方案

對比表中規(guī)定的設(shè)計(jì)要求與現(xiàn)有固定翼飛機(jī)用空投附件的設(shè)計(jì)要求(見表1), 分析各功能模塊是否滿足使用要求, 以形成初步設(shè)計(jì)方案。

對吊掛部件模塊使用需求進(jìn)行分析, 由于該型飛機(jī)掛載載荷同典型空投魚雷相一致, 接口形式同樣為掛架連接, 投放速度不超過固定翼飛機(jī)投放速度, 因此采用通用的吊帶可滿足該型飛機(jī)掛載需求。對穩(wěn)定裝置模塊使用需求進(jìn)行分析, 由于該型飛機(jī)投放高度范圍大于固定翼飛機(jī)投放高度范圍, 且投放速度普遍低于固定翼飛機(jī)投放速度, 因此需要對穩(wěn)定裝置Ⅱ型的適應(yīng)性進(jìn)行分析, 包括降落傘漲滿過程分析、彈道穩(wěn)定性分析、入水參數(shù)分析等。如在降落傘漲滿過程分析時(shí)發(fā)現(xiàn)降落傘漲滿力不足以打開吊帶的鎖緊機(jī)構(gòu), 則優(yōu)先考慮采用吊帶拉繩Ⅰ型, 反之則選擇吊帶拉繩Ⅱ型。根據(jù)該型飛機(jī)投放條件及推進(jìn)器特點(diǎn), 優(yōu)先選擇適用于高空、高速的制止器。結(jié)合掛載方式、接口形式及載荷要求可初步判斷, 可彎折式開關(guān)拉繩、通用設(shè)定拉繩、開傘拉繩Ⅱ型可滿足使用需求。

4) 確定最終設(shè)計(jì)方案

通過仿真分析、臺(tái)架試驗(yàn)、匹配試驗(yàn)等方式驗(yàn)證上述初步方案是否可行。對需要改進(jìn)的模塊, 按照“基礎(chǔ)改進(jìn)、向前兼容”原則開展具體的設(shè)計(jì)工作, 即盡可能的在現(xiàn)有空投附件模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì), 并在設(shè)計(jì)時(shí)考慮兼容已有模塊的功能、接口, 實(shí)現(xiàn)模塊的繼承式發(fā)展, 進(jìn)而形成最終的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)束語

為解決魚雷空投附件適用多平臺(tái)帶載多型雷使用的難題, 提出了基于模塊化的魚雷空投附件設(shè)計(jì)方法, 形成了直升機(jī)投放不同魚雷的空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案、固定翼飛機(jī)投放不同魚雷的空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案和助飛平臺(tái)帶載不同魚雷的空投附件模塊化設(shè)計(jì)方案, 并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例, 對魚雷空投附件研制具有一定的指導(dǎo)意義。后續(xù)將對產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)方法在魚雷空投附件設(shè)計(jì)上的應(yīng)用開展進(jìn)一步研究。

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Discussion on Modular Design of Airborne Torpedo Accessories

SHUAI Zhi-hao, XU Xin-Dong, LI Bing, ZHAO Qi

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Traditional design procedures of airborne torpedo accessories are only based on platforms or torpedoes, which will bring problems such as longer lead time, higher cost, and difficult use and maintenance. This paper analyzes the functional interfaces of airborne torpedo accessories for such as suspending torpedo, stable deceleration, releasing rope constraint, relieving plug, scotching rotation of torpedo in the air, buffering, and reducing drag. According to the modular design method of products, the modular design schemes of airborne torpedo accessories are proposed following the design procedures of functional modules’ partition, serialization, and combination. Hence, the modular design schemes of airborne torpedo accessories for different types of torpedoes are obtained for helicopter, fixed-wing aircraft, and fly-assisting platform. Generic products can be used and design resources can be coordinated furthest. In addition, a design example is given using the modular design schemes.

torpedo; airborne torpedo accessories; modularization

TJ631.7; TJ630.2

A

2096-3920(2019)05-0580-09

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.015

帥智浩, 徐新棟, 李兵, 等. 魚雷空投附件模塊化設(shè)計(jì)探討[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 580-588.

2019-01-21;

2019-03-08.

帥智浩(1991-), 男, 碩士,研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)