Interior Trajectory Characteristics of Underwater Ejection Using a Flexible Piston Rod Driven by Water Pressure

DINGYanchao, HEZhenmin, ZHANGZhe, HANWenji, WUWenting

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Acta Armamentarii ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (3) : 240087. DOI: 10.12382/bgxb.2024.0087

Interior Trajectory Characteristics of Underwater Ejection Using a Flexible Piston Rod Driven by Water Pressure

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Abstract

In order to meet the requirements of unmanned underwater vehicle (UUV) launching the torpedos,a new underwater ejection scheme with flexible piston rod is proposed.In the ejection scheme,the high pressure in large depth environment is used to drive the piston to launch a torpedo.An interior trajectory calculation model of torpedo launched from the ejection device with flexible piston rod is established.And the model is verified by the principle test in the high pressure water tank laboratory.The different launching schemes in the related literatures are comparatively studied based on the model.The results show that the ejection scheme with flexible piston rod has the characteristics of smooth acceleration without steep change,large effective acceleration stroke and high pipe exit speed compared with the traditional multistage cylinder launching scheme.Compared with the traditional high-pressure gas-driven piston scheme,the high-pressure water-driven piston scheme is simpler in structure without pressure storage device.A piston buffer scheme based on load reduction in steps proposed in the paper has better load reduction effect compared with the traditional throttle hole buffer scheme.And it won’t cause excessive pressure in the reverse cavity of piston cylinder.Under the ambient pressure of 1.1-6.1MPa,the predicted velocity of torpedo exiting tube varies from 7.0 to 11.6m/s,and the rear reference point of torpedo dose not collide with the tube wall.The results verify the feasibility of the underwater ejection scheme with flexible piston rod,which provides the design basis for the further development of ejection device.

Key words

unmanned underwater vehicle / torpedo / water drive / flexible piston rod / interior trajectory modeling

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DING Yanchao , HE Zhenmin , ZHANG Zhe , HAN Wenji , WU Wenting. Interior Trajectory Characteristics of Underwater Ejection Using a Flexible Piston Rod Driven by Water Pressure. Acta Armamentarii. 2025, 46(3): 240087 https://doi.org/10.12382/bgxb.2024.0087

0 引言

无人水下航行器(Unmanned Undersea Vehicle,UUV)作为一种小型水下鱼雷弹射平台,具有机动灵活、适用水深范围广和隐蔽性好的特点。UUV平台体积小、质量轻,鱼雷弹射装置的安装和使用将会对其空间、质量和稳定性等产生显著影响。现役鱼雷弹射装置主要包括气动不平衡式、水压平衡式和涡轮泵式等,这类装置存在体积大、结构复杂、舱室增压和弹射噪声大等不足[1],很难满足UUV小型平台水下隐蔽弹射的技术需求。因此需要研究一种能够适应大范围变水深、体积小、质量轻[2]、低过载、低噪声和无气泡产生的UUV弹射鱼雷方案。
UUV大深度水下隐蔽弹射装置研究的难点在于如何克服较大的环境背压、弹射装置的小型化和降低武器发射过程对平台的影响[3],目前小型弹射装置的研究方案主要有液压蓄能[4]、弹性蓄能[5]和电磁式弹射[6]等。这些新型动力源弹射方案均可实现水压平衡式弹射,隐蔽性能好,但是存在结构复杂、体积大和能耗高等问题,很难应用在UUV这类小型平台。活塞缸式弹射装置结构简单、体积小、弹射准备时间短,在UUV弹射鱼雷研究方面应用较多。传统的活塞式弹射装置一般采用高压气源或者高压燃气做功,需要设置专门的蓄能装置,存在体积大、结构复杂的问题。同时鱼雷弹射过程还可能存在发射噪声大以及产生气泡等问题。传统的活塞式弹射装置主要包括单级缸[7-9]、两级缸[10-11]和多级缸[12-17]。单级缸弹射装置存在加速行程较短、释放瞬间过载较大等不足。两级缸和多级缸弹射方案较单级缸方案具有效加速行程大、弹射过载小等优势[18],但是存在级间做功不连续、换级过程存在冲击和运动不同步等现象[11,13,16-18]。无活塞杆式弹射装置具有结构紧凑、行程长的显著优点,有效地节省了弹射装置的轴向空间,但是该方案动态密封性较差,存在一定气体泄漏现象[19],不适于高背压水下弹射环境;同时还受限于直线滑动密封的“临界速度”[20]
相对于无活塞杆式弹射方案,将传统的活塞杆替换为柔性活塞杆的弹射方案也逐渐受到研究者的青睐。闫晴霄等[21]开展了钢丝绳气缸式弹射装置试验研究,建立了考虑混合气体组分影响的燃气弹射内弹道计算模型,并开展了内弹道计算分析,研究结果表明该弹射方案可满足导弹大范围变深度安静弹射的要求。陈宗杨等[22]提出一种水下钢缆拖曳式UUV弹射鱼雷方案,开展了UUV航速、钢缆弹性等参数对鱼雷弹射内弹道的影响研究。上述柔性活塞杆式弹射方案具有结构简单、有效加速行程长等显著特点,但是仍存在钢丝绳通过活塞缸密封面的动态密封问题。活塞缸式弹射方案运动末期,还存在活塞机械撞击噪声较大的问题[23],需要开展专门的缓冲降噪研究。冯江涛等[24]采用迟滞因子的等效阻尼方法,基于数学仿真软件建立了多孔式液压缓冲模型,研究了孔径、间距、孔数对缓冲过程的影响。周文平等[25]采用动网格方法建立了活塞缸内部三维流场数值计算模型,开展了圆柱形缝隙节流方案缓冲效果和换级性能分析。文献[26-28]基于数学仿真软件建立了活塞运动过程摩擦力动态特性数学模型,并开展了活塞力学特性分析。
本文针对UUV平台水下隐蔽弹射鱼雷的技术需求,提出了一种基于水压驱动柔性活塞杆式弹射鱼雷方案。水压驱动方案弹射鱼雷过程不需要预先蓄能,而是直接利用大深度环境背压做功实现鱼雷出筒,弹射过程安静、无气泡产生,非常适合大深度环境弹射鱼雷的工作场景。同时相对传统活塞缸式弹射方案,柔性活塞杆式弹射方案具有加速行程长、做功过程平顺和初始过载较小等显著优势。本文柔性活塞杆式方案与水压驱动方案高度契合,不存在文献[21-22]钢丝绳通过活塞缸密封面的动态密封问题。基于水的弱可压缩性,考虑了活塞运动末期的缓冲降载影响,采用数学仿真软件建立了UUV弹射鱼雷出筒过程内弹道数学模型,仿真结果通过了压力水筒原理试验验证,可为相关研究提供借鉴。

1 水压驱动弹射装置工作原理

水压驱动弹射方案释放鱼雷过程不需要预先蓄压和消耗任何化学能量,仅利用大深度环境背压直接驱动活塞做功,即可实现快速释放鱼雷的技术目的。
鱼雷装置释放前,活塞前后均为环境高压,弹射装置不承受额外的锁紧力。释放过程中,泄压罐与活塞缸反腔连通,活塞前后产生压力差。通过设置弹射装置的进水/排水面积、泄压罐压力等参数控制海水排入泄压罐内的流量,实现对鱼雷释放过程运动速度和过载的控制。
相较于单级或多级单侧提拉释放方案,借助于滑轮的转向功能,柔性活塞杆可以将活塞的直线运动转化为鱼雷的反向出筒运动(见图1)。柔性活塞杆式鱼雷弹射装置可以在出筒过程中全程加速,最大程度地平顺释放能量和降低释放瞬间载荷。
Fig.1 The working principle diagram of ejection device

图1 弹射装置工作原理示意图

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活塞收缩过程末期进入缓冲降载模式,在排水孔的节流效应作用下,活塞缸反腔压力快速升高。本文采用2组呈椭圆形分布的排水孔对活塞进行阶梯式缓冲降载(见图2)。这与传统的“笛孔型”分布的节流阻尼方案[12,27]不同,阶梯式降载方案节流孔分布更为集中,缓冲效果更好,且不会引起活塞缸反腔压力过高的问题。在活塞缓冲过程中,活塞缸正腔的高压水及时地通过第1组节流孔直接排到泄压罐内部,大幅度降低了活塞受到的正向驱动力。阶梯式活塞缓冲降载方案在实现活塞快速缓冲的同时,可以保持活塞缸正腔内部水流持续流动,避免活塞缓冲过程出现压力突变引起的“水锤”现象。
Fig.2 Schematic diagram of throttle hole buffering

图2 节流孔缓冲原理图

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2 鱼雷出筒动力学模型

2.1 基本假设

1)排水孔控制阀开阀过程为匀速线性开启,控制阀截流系数为常数;
2) 泄压罐内部气体为干燥空气,弹射过程较短,忽略气体传热影响;
3) 柔性缆弹性模量足够大,忽略柔性缆弹性变形对内弹道的影响[22]

2.2 活塞缸内水流流动数学模型

基于水的弱可压缩性,建立弹射过程活塞缸内水流流动变化的数学模型。

2.2.1 活塞缸内海水流动模型

海水在活塞缸内、外压力差的作用下,由进水口流入活塞缸正腔。图3所示为活塞缸内水流流动示意图。图3中,S1为活塞缸进水孔面积,S2为活塞缸内截面面积,S3为活塞缸排水孔面积,u为活塞缸运动速度,Δ1为活塞缸正腔体积,Δ2为活塞缸反腔体积,p1为活塞缸正腔压力,p2为活塞缸反腔压力,p3为泄压罐压力,pa为环境压力。
Fig.3 Schematic diagram of water flow in piston cylinder

图3 活塞缸内水流流动示意图

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活塞缸正腔进水体积流量方程为
Qin=k1S1 2/ρ(pa-p1)
(1)
式中:Qin为活塞缸正腔进水体积流量;k1为活塞缸进水孔阻塞系数;ρ为海水密度。
活塞缸正腔压力变化方程为
p ·1=(Qin-S2u)E/Δ1
(2)
式中:E为水的体积弹性模量。
活塞缸反腔压力变化方程为
p ·2=(S2u-Qout)E/Δ2
(3)
式中:Qout为活塞缸反腔排水体积流量,
Qout=k2S3 2/ρ(p2-p3)
(4)
k2为活塞缸排水孔阻塞系数。
活塞缸采用节流孔式缓冲降载方案,在弹射过程末期对活塞进行缓冲。在活塞缓冲过程中,排水面积逐渐减小,如式(5)所示。活塞缸反腔压力快速升高,导致活塞逐渐减速并停止运动。
S3=nπd24,xx1i=0nπ4di,xx1
(5)
式中:n为未遮挡排水孔数目;d为排水孔直径;di为第i个未被遮挡的排水孔直径;x为活塞运动位移;x1为活塞前端运动至排水孔时的轴向位移。

2.2.2 泄压罐内部气体流动数学模型

泄压罐内部初始状态为空气,弹射过程活塞缸反腔的高压水不断排入泄压罐内部。泄压罐内部空腔气体质量保持不变,气体体积由于高压水的挤压作用逐渐减小。忽略气体温度变化,泄压罐内部气体压力变化采用理想气体状态方程式(6)描述。
p3Δ3=mqRT
(6)
式中:Δ3为泄压罐体积;mq为封闭容腔内气体质量;R为气体常数;T为气体热力学温度。

2.3 鱼雷出筒过程内弹道模型

出筒过程主要包括活塞和鱼雷一起加速运动阶段、活塞缓冲制动与鱼雷脱离过程和鱼雷依靠惯性出筒过程。
1) 弹射装置组件动力学模型
对弹射装置组件进行运动学和动力学分析,得到各组件动力学方程。
活塞动力学方程为
m1a1=Ft-Ff1-Fh
(7)
Ft=(p1-p2)S2
(8)
式中:m1为活塞质量;a1为活塞轴向加速度;Ft为高压水对活塞的推力;Ff1为活塞受到活塞缸壁的摩擦力;Fh为柔性缆对活塞的作用力,
Fh= Ma1-Fx+Ff2+Fd0, , xx2xx2
(9)
M为鱼雷质量,Fx为鱼雷受到的x向惯性力,Ff2为鱼雷受到栅状管的摩擦力,Fd为鱼雷水中运动轴向阻力,x2为鱼雷与挂钩脱离时的位移。
2) 鱼雷出筒过程动力学模型
出筒过程鱼雷受力和坐标系定义如图4所示。图4中:发射坐标系Oxyz原点O位于弹射筒口下沿,Z向由右手螺旋定则确定;弹体坐标系Obxbybzb原点Ob位于鱼雷质心,Zb向由右手螺旋定则确定;鱼雷尾鳍上端部为点A,计算过程需要监测尾鳍端部点A与上筒壁的位置关系;B为浮力,G为重力,l为鱼雷质心离开管口位移,θ为鱼雷俯仰角,ω为俯仰角速度。
Fig.4 Schematic diagram of forces on a torpedo

图4 鱼雷受力示意图

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鱼雷在弹射筒内受到的力主要有柔性缆作用力Fh、重力G、浮力B、阻力Fd、惯性力(FxFy)和极坐标系广义力(FlFθ)。
Fl=(Fy+GB)(sinθrcosθ)(Fx+FhFd)(cosθ+rsinθ)
(10)
Fθ=(Fy+GB)(lcosθ+rsinθ)+(Fx+FhFd)(rcosθlsinθ)
(11)
r'=dr/dl
(12)
式中:r为鱼雷最大截面半径。
出筒过程动力学方程组为
H11l¨+H12θ¨H13θ˙2=F1m
(13)
H21l¨+H22θ¨+H23l˙θ˙=Fθm
(14)
H11=1+r'2H12=r-r'lH13=l+rr'H21=r-r'lH22=l2+r2+JH23=2(l+rr')
(15)
式中:J为鱼雷转动惯量。
运动学方程组为
dldt=udθdt=ω
(16)
式中:u为鱼雷轴向速度。
采用自编程序开展鱼雷出筒过程弹道计算,仿真流程如图5所示。程序分别以活塞缸正、反腔内流体为控制体开展流动分析,与活塞运动模型交互传递腔内压力、活塞运动参数等。活塞运动模型将运动及受力参数传输给鱼雷运动模型,仿真程序综合判断两者的运动状态,开展动力学和运动学仿真。
Fig.5 Schematic diagram of data exchange

图5 数据交换原理图

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3 柔性活塞杆式鱼雷弹射过程运动仿真

在鱼雷出筒过程动力学模型考核的基础上,开展活塞缓冲降载和环境压力影响仿真,并给出鱼雷出筒过程与弹射筒的碰撞情况分析。通过分别设置三挡节流孔面积S3参数,研究节流孔面积对活塞缓冲降载过程的影响规律。基于柔性活塞杆式鱼雷弹射过程仿真模型,进一步开展环境压力pap1p2变化(分三挡)对鱼雷弹射过程的影响分析。活塞缓冲降载过程算例环境压力为1.1MPa,环境压力影响分析算例排水孔直径为6mm。弹射装置和控制参数变量如表1表2所示,仿真算例结束时刻为鱼雷出筒时刻。
Table 1 The parameters of ejection device

表1 弹射装置参数

参数 原理试验数值 水下弹射仿真数值
L/m 2.5 2.5
S1/cm2 50.3 50.3
S2/cm2 50.3 50.3
S3/cm2 39.3 32.2 46.4 63.1
t/s 0.2 0.2
注:L为鱼雷长度。
Table 2 Initial values of input variables

表2 控制变量参数初值

参数 原理试验数值 水下弹射仿真数值
pap1p2/MPa 0.22 1.1 3.1 6.1
p3/MPa 0.1 0.1
Δ1/cm3 0 0
Δ2/cm3 12566 12566
dt/s 0.15 0.15

3.1 活塞缓冲降载过程仿真

在活塞运动末期,本文采用缓冲组件对活塞进行阶梯式缓冲降载。活塞缓冲组件为2组呈椭圆形分布的排水孔构成,每组82个排水孔(见图2)。椭圆形排水孔沿活塞缸轴向分布长度为120mm,沿周向分布长度为65mm,两组排水孔间距为100mm。已有研究结果表明,节流孔数目、直径和孔距是影响缓冲效果的主要设计参数[24]
图6图7为活塞缸反腔压力和排水孔流速变化曲线。图7中,vw为排水孔水流速度。活塞加速运动过程中,不同排水孔方案的活塞缸反腔压力均呈现下降趋势,直径较小状态的压力下降趋势相对平缓。活塞缓冲过程中,活塞缸反腔压力急剧增大,排水孔流速也瞬间增大,但是增大后的压力和流速均远小于其初始最大值状态。这表明活塞缓冲降载过程是相对缓和的。缓冲过程排水孔较大状态的压力和流速变化幅值均较大,缓冲结束时,不同工况活塞缸反腔内的水流运动均未停止。
Fig.6 Pressure p2 in reverse cavity of piston cylinder in different drainage hole schemes

图6 不同排水孔方案活塞缸反腔压力p2曲线

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Fig.7 Velocity vw of water flow in different drainage hole schemes

图7 不同排水孔方案水流的流速vw变化曲线

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图8~图10为不同排水孔方案活塞运动参数对比。由图8可知:活塞缓冲过程加速度ap呈现急剧变化,两个加速度峰值分别对应活塞通过两组排水孔的运动过程;活塞通过第1组排水孔时运动速度较高,节流效应导致的加速度变化幅度较大,直径7mm状态的负向加速度最大达到540m/s2;两组加速度峰值间隔一定的平缓期,整个缓冲过程中活塞的动能呈现阶梯式逐级释放的规律,从而避免了较大的加速度峰值和过高的活塞缸反腔压力出现;缓冲过程中排水孔直径较大状态的加速度变化幅值明显大于排水孔直径较小状态,两组加速度峰值呈现同样的变化规律。这表明活塞运动速度越大(见图8),缓冲过程加速度变化越剧烈。
Fig.8 Acceleration ap of piston in different drainage hole schemes

图8 不同排水孔方案活塞加速度ap变化曲线

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Fig.9 Velocity vp of piston in different drainage hole schemes

图9 不同排水孔方案活塞运动速度vp曲线

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Fig.10 Displacement xp of piston in different drainage hole schemes

图10 不同排水孔方案活塞运动位移xp曲线

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图9所示活塞运动速度vp计算结果表明,活塞的缓冲减速过程明显分为两个阶段,这与图8加速度变化过程一致。排水孔直径较大状态的活塞运动速度较大,不同排水孔方案的活塞都平稳过渡到了静止状态,且活塞均无反弹现象发生。
图10所示活塞运动位移xp变化曲线可知,排水孔直径较大状态的活塞缓冲距离相对较短,3种工况的活塞均越过第1组排水孔(距活塞运动起点2.1m处),停止于两组排水孔之间。活塞缓冲过程未出现与活塞缸末端直接撞击问题(活塞缸总行程2.5m)。
综合活塞组件的动力学特征,本文选取直径6mm排水孔为排水方案的设计参数。

3.2 环境压力影响分析

弹射装置的环境压力随水深而变化,在不调整泄压罐初始设置压力的条件下,环境压力与泄压罐之间的压力差将增大,鱼雷出筒速度也随之增大。在实际使用过程中,可根据弹射环境的变化不断调整泄压罐压力,使泄压罐压力与环境压力之差保持为设定值,可确保鱼雷出筒速度满足设计要求。
设定鱼雷与弹射筒内壁单边间隙为1.0mm,弹射时鱼雷位于鱼雷管内的下沿。出筒过程中,当鱼雷模型尾部参考点的y轴方向位移大于2mm时视作两者发生了碰撞。
图11图12为不同环境压力条件下活塞运动参数对比,从中可见:环境压力较高状态的活塞运动速度也较高,缓冲距离也相对较短;经过第1组排水孔的节流作用,不同环境压力状态的活塞运动速度降低50%左右;经过两次缓冲阻尼作用,活塞都平稳过渡到了静止状态。
Fig.11 Velocity vp of piston under different ambient pressures

图11 不同环境压力状态活塞运动速度vp变化曲线

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Fig.12 Displacement xp of piston under different ambient pressures

图12 不同环境压力状态活塞位移xp变化曲线

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图13~图15为鱼雷模型内弹道参数和安全性对比分析。由计算结果可知,环境压力在1.1~6.1MPa的范围内,鱼雷出筒速度vt变化范围为7.0~15.5m/s,鱼雷模型俯仰角速度变化量值较小。出筒过程鱼雷尾部参考点向上运动位移量ya最大约为0.2mm,明显小于2mm的间隙设计值,鱼雷尾部未与弹射筒上壁发生碰撞现象(见图15)。
Fig.13 Velocity vt curves of torpedo under different ambient pressures

图13 不同环境压力状态鱼雷运动速度vt变化曲线

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Fig.14 The rate of pitch angle ω of torpedo under different ambient pressures

图14 不同环境压力状态鱼雷俯仰角速度ω变化曲线

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Fig.15 Displacement ya of torpedo tail under different ambient pressures

图15 不同环境压力状态鱼雷尾部位移变化曲线

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计算结果表明,相对传统的高压燃气变深度发射方案[29],水压驱动柔性活塞杆式水下弹射方案可以较好地适应大范围变深度环境鱼雷弹射技术要求。
鱼雷弹射过程运动仿真结果表明,相对于传统的多级缸式弹射方案,柔性活塞杆式弹射方案具有加速过程平缓、无陡变和有效加速行程大等显著特点。水压驱动柔性活塞杆式水下弹射方案可以很好地适应大深度鱼雷发射技术要求,特别是对于舷外发射具有显著优势。
在鱼雷弹射过程运动仿真的基础上,本文进一步开展一种水压驱动柔性活塞杆式弹射装置原理样机研制。基于鱼雷模型发射装置原理样机,完成鱼雷出筒过程动力学模型的试验验证。

4 水压驱动柔性活塞杆式弹射装置原理样机

4.1 弹射装置结构组成

水压驱动柔性活塞杆式弹射装置结构组件如图16所示。弹射装置主要由弹射筒、活塞缸、流量调节阀、柔性缆、滑轮和泄压罐等主要部件组成。
Fig.16 Schematic diagram of ejection device

图16 弹射装置结构原理图

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4.2 弹射装置工作流程

弹射筒为栅状管,平时鱼雷处于海水环境,通海平衡阀和进水口均处于打开状态(见图1),活塞前、后处于压力平衡状态,弹射装置不需要额外的制动力。弹射准备阶段,关闭通海平衡阀。
鱼雷弹射工作流程如下:
1) 弹射时,根据设定控制时序依次打开流量调节阀的两个排水通道,活塞在正、反腔压力差的作用下推动鱼雷向前运动;
2) 当活塞运动到第1道排水孔时,排水面积被逐渐堵塞,活塞缸反腔压力急剧升高,活塞运动速度快速降低;
3)鱼雷与挂钩脱离依靠惯性完成出筒,活塞负载瞬间释放;
4)当活塞越过第1道排水孔时,海水直接通过第1道排水孔进入泄压罐,活塞缸正、反腔压力差大幅度减小;
5)在活塞与第2道排水孔逐渐重合的过程中,活塞缸反腔压力快速升高,活塞逐渐停止运动。
在整个活塞运动直至停止过程中,活塞缸正腔中的海水一直处于流动状态,直到泄压罐内部压力与环境高压趋于一致时才缓慢停止流动。活塞缸内部海水没有出现突然停止流动引起的水锤现象。
弹射过程中鱼雷在持续的补水作用下始终处于环境压力。

5 鱼雷出筒动力学模型试验验证

5.1 弹射装置压力水筒原理试验

压力水筒原理试验采用高压容器模拟深海环境高压(设计压力为0.6MPa,容积为25m3),容器内上方为高压空气,下方为水(见图17)。压力水筒设置有加压/泄压阀及注/排水系统,试验过程可以对筒内加压,模拟鱼雷弹射过程的高压环境。弹射鱼雷模型时,电磁阀控制两道排水孔依次打开,活塞通过柔性缆带动鱼雷试验模型快速出筒。为保护鱼雷试验模型,在鱼雷出筒后采用辅助导轨和拦截网捕获回收。
Fig.17 Schematic diagram of principle experiment in high pressure water tank laboratory

图17 压力水筒原理试验示意图

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采用图18所示弹射装置原理样机对鱼雷出筒过程动力学模型进行试验验证。试验选用的弹射装置参数见表1,试验控制参数变量见表2。栅状管长度L为2.5m,鱼雷模型长度为2.2m,质量为37.5kg。鱼雷模型内部设置一套六轴惯性组合仪,其中3个加速度传感器频响30Hz,精度0.2%,3个角速度陀螺频响30Hz,精度0.5%;电磁阀开阀时间t为0.2s,两阀开启间隔延时dt为0.15s。
Fig.18 The picture of principle test ejection device

图18 原理试验弹射装置实物图

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5.2 出筒动力学模型试验考核

采用鱼雷出筒动力学模型开展压力筒原理试验工况运动仿真,仿真参数见表1表2
图19给出了活塞缸正、反腔内压力变化曲线。
Fig.19 Pressure curve of piston cylinder

图19 活塞缸环腔压力变化曲线

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图19计算结果可知:活塞缓冲过程,活塞缸正、反腔压力均发生了急剧变化;泄压罐压力有所上升,但其压力明显低于活塞缸环腔压力;压力水筒内容积相对活塞缸腔体积足够大,环境压力一直保持为设定值。
图20~图22为压力水筒原理试验鱼雷模型出筒过程仿真计算结果与试验结果的对比分析。
压力水筒原理试验结果表明,鱼雷出筒过程加速度、速度计算结果与试验数据变化趋势一致,量值比较接近,验证了鱼雷出筒动力学模型的合理性。由图20图21可知,鱼雷弹射瞬间加速度峰值约为7.5m/s2,鱼雷模型加速启动过程较为平缓。鱼雷x轴方向运动位移约为2.1m时,活塞进入缓冲模式,与挂钩脱离后鱼雷依靠惯性出筒。与挂钩脱离之前,鱼雷模型加速度at一直为非负,表明柔性活塞杆式弹射方案具有加速行程较大的优势。压力水筒原理试验环境背压较低,若提高鱼雷弹射环境压力和排水面积,则鱼雷出筒速度会进一步提高。
Fig.20 Acceleration at of torpedo

图20 鱼雷加速度at 变化曲线

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Fig.21 Velocity vt of torpedo

图21 鱼雷运动速度vt变化曲线

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Fig.22 Displacement curves

图22 位移变化曲线

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6 与文献计算结果对比分析

6.1 与两级活塞式弹射方案对比分析

采用文献[10]地面机理试验相同的试验模型和弹射条件,开展两种弹射方式的出筒过程内弹道参数对比分析。
图23~图25为两种弹射方式模型加速度、速度和环腔压力计算结果对比。
Fig.23 Acceleration at of torpedo in different ejection schemes

图23 不同弹射方案鱼雷加速度at变化曲线

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Fig.24 Velocity vt of torpedo in different ejection schemes

图24 不同弹射方案鱼雷运动速度vt变化曲线

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Fig.25 Pressure curves of piston cylinder in different ejection schemes

图25 不同弹射方案活塞缸正腔压力变化曲线

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图23图24计算结果可知,本文柔性活塞杆式模型加速度在整个出筒过程分布较两级活塞缸式更为平缓,且无加速度陡变现象。在相同的弹射压力下,本文弹射方案的模型出筒过程一直处于加速状态,模型加速行程较文献[10]增大约50%,且出筒速度较文献[10]增大60%左右。如图25所示,两级活塞缸式弹射方式模型出筒过程需要采用3个控制阀分别控制3道进水孔才能满足活塞缸正腔进水流量需求,且出筒过程活塞缸腔内压力波动幅值较大。本文将活塞缸一端设置为进水口,保证了模型出筒过程活塞缸正腔补水充足。如图25所示,柔性活塞杆式方案腔内压力变化平缓且作用距离显著增长。

6.2 与基于气体工质的弹射方案对比分析

采用与文献[22]基准仿真工况相同的鱼雷模型和弹射条件,开展两种弹射方式的出筒过程内弹道参数对比分析。
由于文献[22]未给出控制阀参数和控制时序参数,本文通过调整控制阀参数和开阀时序,在确保两种弹射方案内弹道加速度变化趋势一致和出筒时刻鱼雷速度相同的基础上,开展两种方案的活塞缸环腔压力及加速度量值的对比分析。
图26~图28为不同工质方案鱼雷弹射内弹道计算结果对比。
Fig.26 Pressure curves of piston cylinders with different working media

图26 不同工质活塞缸腔内压力变化曲线

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Fig.27 Acceleration at of torpedos with different working media

图27 不同工质鱼雷加速度at变化曲线

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Fig.28 Velocity vt of torpedos with different working media

图28 不同工质鱼雷运动速度vt变化曲线

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由活塞缸环腔压力计算结果可知,文献[22]高压气弹射方案活塞缸内压力波动明显,存在明显的二次补气过程。本文高压水方案环境背压及活塞缸腔内压力初值设定为3.5MPa,活塞缸正腔压力随着活塞的运动逐渐降低,其最大值稍大于高压气方案的最大压力3MPa。高压水方案通过合理调节开阀参数可以有效控制弹射瞬间过载,同时实现了较高压气方案更为平缓的加速度变化趋势,如图27所示。在相近的弹射条件下,两种弹射方案可以达到较为一致的内弹道控制效果,这与文献[10]的研究结论一致。

7 结论

本文提出了一种基于水压驱动的柔性活塞杆式水下弹射方案,并研制了相应的原理样机。据此建立了鱼雷出筒过程动力学模型,并通过了压力水筒原理试验验证。相对于传统的多级缸式弹射方案,柔性活塞杆式弹射方案具有加速过程平缓无陡变、有效加速行程大、出筒速度高等显著特点;相对于传统的高压气体驱动活塞方案,高压水方案结构更为简单。基于鱼雷出筒过程动力学模型,分别开展了排水孔参数和环境压力对鱼雷出筒过程的影响研究。得出主要结论如下:
1) 水压驱动柔性活塞杆式水下弹射方案合理可行,可以满足无泡、低噪声弹射技术要求,且可以适应较大范围变水深弹射技术要求。
2) 阶梯式活塞节流孔缓冲方案较笛孔型节流孔缓冲方案缓冲效果更好,且不会造成活塞缸反腔压力过高,同时有效避免了水锤现象。
3) 在1.1~6.1MPa的环境背压下,鱼雷出筒速度变化范围为7.0~15.5m/s,出筒过程未与弹射筒壁发生碰撞。
本文研究可为水压驱动柔性活塞杆式水下弹射装置的进一步研制开发提供参考。

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Abstract
为研究新型上浮式水面发射筒弹射内弹道特性及其影响因素,采用Realizable k-ε湍流模型、Mixture多相流模型以及动态分层技术,建立考虑上浮速度影响的弹、筒弹射模型。对弹筒模型在水面与地面上的弹射过程分别进行数值模拟,对比分析二者的内弹道性能与筒内流动变化规律,并研究发射筒出水速度对水面发射内弹道性能的影响。对比结果表明,水面发射的弹、筒相对运动快于地面发射的相对运动,使得水面发射的燃气做功用时比地面发射的用时少14%,水面发射弹体受到的最大载荷比地面发射小20%;由于水面发射中发射筒具有相对较高的设定出水速度,水面发射弹体的出筒速度大于地面发射的出筒速度。流动分析表明:在设定的出水速度条件下,水面发射过程中燃气不会直接与水面发生作用,无相变耗能过程。影响因素分析表明,在安全发射条件下,出水速度主要通过改变水对筒的作用力来影响弹、筒的相对运动速度,但燃气对筒的作用力远远大于水对筒的作用力,使得出水速度对弹、筒相对运动的非线性影响几乎可以忽略,出水速度的改变几乎不会影响弹体的出筒速度增量。
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The Realizable k-ε turbulence model,the mixture multiphase model and the dynamic layering mesh update method are used to investigate the interior ballistics of a new independent water-surface launching canister,and analyze its influencing factors by modeling the relative motion between the missile and the canister. The interior ballistics and the internal flow characteristics of canister launcher on water-surface and ground are analyzed and compared numerically,and the influence of the canister emerging velocity on the interior ballistics is investigated. Results show that the launchers on water-surface and ground have the similar flow characteristics in the gaps and in the pressures in the low pressure chambers. The exit velocity of the missile on water-surface is faster than that on ground,the maximum missile load on water-surface is 20% less than that on ground,and the launch time for the water-surface launching is 14% less than that on ground.The flow results show that the gas does not directly interact with the water surface,therefore the phase change energy dissipation does not happen.The emerging velocity changes the ejection velocity increment by affecting the force of water on the canister.The nonlinear effect of the emerging velocity on the increment of ejection velocity can be ignored because the buoyancy variation is far less than the gas force,so the exit velocity of missile is a linear superposition of the emerging velocity and the increment of ejection velocity.
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Abstract
为解决水面舰艇鱼雷发射作战准备时间长,载弹保障能力差的问题,提出了一种水面舰艇提拉缸式鱼雷发射装置方案。采用Simulink和Adams联合仿真的方式,建立发射装置高压空气发射过程的动力学模型,进行仿真分析,并基于小型原理样机对仿真结果进行了试验验证。仿真和试验结果表明:在气瓶压力为25 MPa时,发射过程中提拉缸峰值压力为9.3 MPa,整个装置零部件间最大接触力为66.6 kN,鱼雷出管速度达到14.7 m/s,最大加速度为236 m/s<sup>2</sup>,发射时间为0.14 s;研究结果验证了以提拉缸为动力组件的轻型鱼雷发射方案是可行的。
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丁彦超, 王宝寿, 吴文婷, 等. 水压驱动两级提拉式水下弹射内弹道建模[J]. 兵工学报, 2024, 45(2):594-605.
Abstract
针对大深度环境水下发射技术需求,提出一种利用水压驱动两级提拉式水下新型发射方案。利用大深度环境高压水驱动两级活塞实现武器快速发射。建立武器出管过程动力学模型,开展高压水驱动方案原理验证试验,并与高压气体驱动方案进行了对比分析。研究结果表明:水压驱动与气体驱动方案的内弹道结果基本一致,高压水发射方案在大深度环境具有显著优势;加速度峰值出现在发射瞬时和级间转换过程,级间转换过程武器加速度存在显著的陡变现象;水下发射武器出管过程弹道预报结果得出,在发射水深100~500m条件下,武器出管过程最大速度范围为 7.4~15.3m/s,最大加速度小于100m/s<sup>2</sup>;研究结果验证了水压驱动两级活塞式发射方案的可行性,为装置的进一步研制开发提供了设计依据。
DING Y C, WANG B S, WU W T, et al. Modeling of internal trajectory of the water-driven underwater launch device with two-stage piston[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(2):594-605. (in Chinese)
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姚琳, 马大为, 马吴宁, 等. 两级提拉式单侧弹射装置内弹道建模与优化[J]. 兵工学报, 2017, 38(3):466-475.
Abstract
为延长导弹压缩空气弹射的有效推力行程,提出一种新型两级提拉式单侧冷弹射方案。采用Peng-Robinson真实气体方程,建立了弹射内弹道模型;在Simulink中搭建内弹道求解模块、在ADAMS中建立了冷弹射方案的虚拟样机,以气缸输出力、气缸位移和速度为状态变量,实现联合仿真,获得了内弹道参量的变化规律,并基于小型原理样机试验对仿真结果进行了验证。验证结果表明:第1级低压室压强先升后降;气缸换级过程中,低压室温度、压强与导弹加速度发生突变,但对导弹速度、位移影响较小。以气源容积最小为目标函数,选定约束条件和设计变量,应用遗传算法进行优化设计。优化后的气源容积降低了64.5%,优化结果大大提高了发射装置的机动性。研究结果验证了新型两级提拉式单侧冷弹射方案的可行性。
YAO L, MA D W, MA W N, et al. Interior ballistics modeling and optimization of one-side ejection device with two-step cylinder[J]. Acta Armamentarii, 2017, 38 (3):466-475. (in Chinese)
A kind of one-side ejection device with two-step cylinder is proposed to increase the effective thrust travel of missile pneumatic launching system. The real gas state equation, Peng-Robinson equation, is used as theoretical basis. The mathematical expressions of pneumatic interior ballistics model are deduced on the basis of 'P-R' state equation for the two-step cylinder. The interior ballistics equation is solved by using Simulink software, and the one-side launching ejection is built by means of ADAMS. The co-simulation model of device is achieved. The results show that the pressure of first-order lower-chamber rises first and then falls. It can be seen from the calculated result that both the thermodynamic parameters and the missile acceleration obviously fluctuate in the process of cylinder changing, but their influences on missile speed and displacement are very small. To reduce the equipment volume, the air source volume is selected as the objective function. The air source volume optimized by genetic algorithm is decreased by 64.5%, thus improving greatly the mobility of launcher. Key
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宋满存, 李国强, 朱熠, 等. 一种多级结构的浮力调节装置及其精度分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2021, 49(9):120-125.
Abstract
浮力调节装置可用于无人潜航器的浮力控制,使其节能地实现上浮、下潜或悬停等功能。文中基于5级缸结构设计了一款大容积高精度的液压油容积式浮力调节装置,通过位移传感器监控活塞位置并对多级缸伸缩特性进行假设,得到了浮力分段解算方法和最大可能误差范围;通过样机研制与试验,验证了多级缸在磨合后趋于伸缩特性假设的事实,同时对浮力分段解算方法进行了优化拟合,大幅提高了该浮力调节装置的精度。试验证明,文中样机可以满足0~80L浮力连续可调、1L最小调节步长、综合调节精度不低于0.5%FS的指标要求。
SONG M C, LI G Q, ZHU Y, et al. Design and precision analysis of buoyancy-regulating device with multicylinder structure[J]. Journal of south China university of technology(Natural Science Edition), 2021, 49(9):120-125. (in Chinese)
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郭锦炎, 竺伊文, 王华吉, 等. 某多级杆式空气弹射系统内弹道仿真与试验研究[J]. 弹道学报, 2022, 34(1):72-76.
Abstract
为了满足某多级杆式空气发射系统的研制需要,建立了多空气瓶动力源时序开阀供气的多级杆发射系统的内弹道仿真模型,设计了模型正确性验证试验方案,开展了该系统的内弹道仿真与试验研究。描述了多级杆式空气发射系统的设计原理,根据该发射系统的工作原理,借鉴经典枪炮零维内弹道模型,建立了该空气发射系统弹射过程的内弹道模型,进行了通用工况的仿真模型研究。设计了多级杆式空气发射系统内弹道模型正确性校验试验方案,开展了3 000 kg配重的弹射试验,测量了弹射过程中的内弹道压力参数,结合试验开展情况讨论了该发射系统的内弹道特点,提出了空气发射系统中管路及阀门应注意的事项。将仿真计算的结果与试验测试数据进行对比分析,结果表明计算结果与试验结果吻合较好,满足多级杆式空气发射系统的研制需要。所建立的内弹道模型可指导特定发射需求气瓶初始压力及开阀控制时序的参数制定,对某多级杆式空气发射系统的研制具有参考意义。
GUO J Y, ZHU Y W, WANG H J, et al. Simulation and experimental study on the interior ballistics of multistage pistion cylinder air launching equipment[J]. Journal of Ballistics, 2022, 34(1):72-76. (in Chinese)
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潘霄, 姜毅, 王博漫, 等. 火箭多级筒燃气弹射动力学特性及影响因素[J]. 兵工学报, 2022, 43(6):1277-1287.
Abstract
为提高火箭弹射的性能,研究一种新型改进火箭多级筒燃气弹射装置的安全性,对其弹射过程中结构的动力学特性及发射过程中的影响因素进行比较分析。使用有限元方法对该弹射装置的弹射过程进行仿真,将弹射出的火箭位移、速度、俯仰角等结果与实验结果进行对比,验证有限元计算模型的有效性。在有限元模型基础上分析筒节间隙、推力偏心和发射角度对多级筒弹射安全性的影响。分析结果表明:发射角度是弹射安全性的主要影响因素,筒节间隙和推力偏心是次要影响因素,火箭弹射偏转、筒节间相互作用力和横向最大位移增大都是这些因素影响弹射安全性的主要表现;当活塞筒筒节间隙扩大到0.3 mm或发射角度偏转到3°时,会对发射安全性产生较大的威胁。
PAN X, JIANG Y, WANG B M, et al. Dynamics characteristics and influencing factors of multistage canister gas ejection of rockets[J]. Acta Armamentarii, 2022, 43(6):1277-1287. (in Chinese)
The dynamic characteristics of a multistage canister gas ejection structure and the influencing factors during ejection are analyzed to improve the ejection performance of rockets and to study the safety of gas ejection structure. The structural composition,topological relationship and excitation load of the rocket multistage canister ejection system are analyzed,and a finite element model of the ejection system are established for simulation analysis. Through experiments,it is verified that the simulation accuracy of finite element model meets the simulation requirements. The influences of the gap of cylinder section,the thrust eccentricity and the launch angle on the safety of multistage canister gas ejection structure are analyzed based on the finite element model. It's found that the launch angle is the main influencing factor that affects the ejection safety,and the gap between the cylinder sections and the thrust eccentricity have also effect on the ejection safety. he influencing factors lead to the ejection deflection of rocket,the interaction force between the canister sections and the increase in the maximum lateral displacement. When the gap between the canister sections is increased to 0.3 mm or the launch angle is deflected to 3°,a greater threat will be posed to ejection safety.
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王璟慧, 姜毅, 杨昌志, 等. 模块燃气压强差异对多级杆弹射影响[J]. 弹箭与制导学报, 2022, 42(3):78-84.
Abstract
针对多模块多级活塞杆冷弹射过程中燃气压强差异导致的弹射模块不同步问题,研究模块同步性对弹射装置性能和火箭动力学响应的影响。建立数学模型推导分析多级活塞杆模块运动同步性与动力同步性的关系;搭建三模块八级活塞杆动力学模型,考虑燃气压强差异导致的动力不同步,研究弹射装置的运动同步性、结构安全性和火箭的动力学响应。结果表明:由于实际火箭质量约为动力模块质量的20倍,满足运动同步性的质量条件,火箭与弹射模块总是保持运动同步性;缓冲装置压缩变形量累积使得各模块有效行程不同,弹射时长不同;三模块动力同步性差异越大对弹射装置安全性与火箭离轨姿态越不利,多级活塞杆最大应力增大,火箭的离轨时间增加,离轨时刻的俯仰角速度和偏航角速度增大。
WANG J H, JIANG Y, YANG C Z, et al. Influence of module gas pressure difference on ejection of multistage piston cylinder ejection[J]. Journal of Projectiles,Rockets,Missile and Guidance, 2022, 42(3):78-84.(in Chinese)
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Abstract
分析气动液压弹射方式的两种弹射装置类型,研究一种以压缩空气为动力源、油液为传动介质,且具备油液自缓冲结构的多级气动液压弹射装置的弹射性能。针对弹射过程中气腔气体复杂多变过程、封闭油腔油液流动非线性、多级缸运动关系的不确定性及油液缓冲结构,结合真实气体热力学效应,推导封闭油腔油液的压力动态变化模型及多级缸动力学非线性模型,建立描述多级气动液压弹射过程的数学模型;通过数值求解方法,分析该多级气动液压弹射缸的运动规律及弹射性能。研究结果表明:该多级气动液压弹射缸建压过程迅速,并能在0.2 s内以2.4 m有效弹射行程,将重1.5 t负载加速至19 m/s,弹射最大过载不超过16 g,且相邻两级缸的相对速度不超过15 m/s. 分析气动液压弹射方式的两种弹射装置类型,研究一种以压缩空气为动力源、油液为传动介质,且具备油液自缓冲结构的多级气动液压弹射装置的弹射性能。针对弹射过程中气腔气体复杂多变过程、封闭油腔油液流动非线性、多级缸运动关系的不确定性及油液缓冲结构,结合真实气体热力学效应,推导封闭油腔油液的压力动态变化模型及多级缸动力学非线性模型,建立描述多级气动液压弹射过程的数学模型;通过数值求解方法,分析该多级气动液压弹射缸的运动规律及弹射性能。研究结果表明:该多级气动液压弹射缸建压过程迅速,并能在0.2 s内以2.4 m有效弹射行程,将重1.5 t负载加速至19 m/s,弹射最大过载不超过16 g,且相邻两级缸的相对速度不超过15 m/s.
REN R, MA D W, YAO L, et al. Theoretical modeling and performance research on multi-stage pneumatic and hydraulic catapult device[J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(8):1365-1372.
A novel multi-stage pneumatic and hydraulic catapult device with oil buffering structure,which utilizes compressed air as impetus and hydraulic fluid as transmission medium, is introduced and its ejection performance is researched by analyzing two typical catapult devices involving pneumatic and hydraulic catapult. According to the complex polytropic process of gas, the flow nonlinearity of hydraulic fluid in enclosed chamber, motion uncertainty of multi-stage cylinders and the self-buffering structure, a mathematical model describing multi-stage pneumatic and hydraulic catapult process is established based on real gas thermodynamic effect. Meanwhile, the dynamic variation model of oil pressure in enclosed chamber and the nonlinear dynamic model of multi-stage cylinders are constructed. The motion laws and working performance of multi-stage pneumatic and hydraulic catapult cylinder are obtained through numerical simulation. The results show that the proposed multi-stage pneumatic and hydraulic catapult device can generate the appropriate pressure quickly and accelerate the load up to 19 m/s within 0.2 s with the speed-up distance of 2.4 m, and thus the overload is less than 16 g and the relative velocity between two adjacent cylinders is less than 15 m/s.
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王雪琴, 马吴宁, 马大为, 等. 考虑泄露的无杆式高压气动弹射器内弹道精确建模就试验[J]. 兵工学报, 2023, 44(7):1867-1880.
Abstract
无杆式高压气动弹射器因开口的固有结构决定其存在一定量的泄漏,为此设计并开展样机泄漏测试试验。基于由实验数据拟合的标准干空气热力学状态方程,分别按理想气体和真实气体对比计算泄漏率,并拟合泄漏率随压力、行程变化的经验公式。建立考虑动态泄漏、真实气体效应及真实开阀规律的精确内弹道模型,对考虑和不考虑泄漏两种工况的结果进行对比,并详细分析考虑泄漏的弹射过程中热力学参数与负载运动参数的变化规律,将其与弹射试验数据、流体仿真结果进行对比。研究结果表明:按理想气体计算的泄漏率比真实气体偏小约4%;泄漏率不超过4%/s;考虑泄漏的精确内弹道模型计算结果与弹射试验数据、流体仿真结果均基本一致,具有较高的计算精度。
WANG X Q, MA W N, MA D W, et al. Accurate internal ballistics modeling and testing of rodless high pressure pneumatic catapult considering leakage[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(7):1867-1880.(in Chinese)

The rodless high-pressure pneumatic catapult experiences a certain amount of leakage due to the inherent structure of the opening. In this study, a prototype leakage test is designed and conducted. Based on the standard dry air thermodynamic equation of state fitted by the experimental data, the leakage rate is calculated and compared under the hypothesis of ideal gas and real gas. The empirical formula of leakage rate varying with pressure and stroke is fitted. An accurate interior ballistic model considering dynamic leakage, real gas effects, and the real valve opening law is established. The two working conditions with and without leakage are solved numerically and compared. Then, the variation laws of thermodynamic parameters and load motion parameters in the ejection process with leakage are analyzed in detail and compared with the ejection test data and fluid simulation results. The results show that the leakage rate calculated under ideal gas assumption is about 4% lower than that under real gas assumption. Moreover, the calculated leakage rate shall not exceed 4%/s. The calculation results of the accurate interior ballistic model considering leakage are basically consistent with the ejection test data and the fluid simulation results, indicating high calculation accuracy.

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孟艳, 王玺, 郭锦炎, 等. 多级活塞缸式弹射装置结构安全性分析[J]. 弹道学报, 2020, 32(2):56-61.
Abstract
多级活塞缸式发射装置作为新型冷发射方式之一,具有兼容不同弹径、免装填等优点。为研究多级活塞缸式发射装置的结构安全性,通过理论分析、数值仿真等方法对多级活塞缸式发射装置的运动过程进行了梳理,分析了多级活塞缸式发射装置中缓冲材料的吸能需求,并揭示了结构质量特性偏差、装配姿态偏差、燃气动力偏差、缓冲材料特性偏差等因素对导弹离台姿态的影响规律。多级活塞缸式发射装置的运动规律由各级缸筒的几何参数和被推动导弹的质量参数决定,对缓冲吸能的需求较高,多模块的多级活塞缸式发射装置中导弹的离台姿态更加稳定。研究结果可为多级活塞缸式发射装置安全性设计提供理论支撑,为多级活塞缸式发射武器系统提供指标分解依据。
MENG Y, WANG X, GUO J Y, et al. Analysis on structure safety of multi-stage piston cylinder launching equipment[J]. Journal of Ballistics, 2020, 32(2):56-61. (in Chinese)
As one of the new cold launching methods,the multi-stage piston cylinder launching equipment has the advantages of compatibility with different sizes of missile and loading free. In order to analyze structure safety of multi-stage piston cylinder launching equipment,the kinematic mechanism of the multi-stage piston cylinder launching equipment was studied by theoretical analysis and numerical simulation method,and the critical demands in energy absorbing of multi-stage piston cylinders were established. Influences of mass properties deviation,assembly posture deviation,gas power deviation,and cushioning material deviation on the attitude of missile were studied. The kinematic mechanism of the multi-stage piston cylinder launching equipment is determined by the geometry of the cylinder and the mass properties of the propelled missile. There is a high demand of energy absorbing in multi-stage piston cylinders. The off-platform attitude of missile is more stable in multi-module multi-stage piston cylinder launching equipment. The results can provide theoretical support for safety design of multi-stage piston cylinder launching equipment structure and weapon system index decomposition.
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冯江涛, 高钦和, 管文良, 等. 多级液压缸建模及级间缓冲研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(12):2268-2276.
Abstract
大型起竖装置普遍采用多级液压缸驱动,在缸体初始长度相同的情况下,多级缸较单级缸行程更长,但是其结构也更复杂。为得到多级缸的特性,基于容腔节点法建立了多级缸的运动模型,考虑润滑油膜的信息改进了LuGre摩擦力模型,采用迟滞因子的等效阻尼模型改进了接触力模型,完成了多级缸驱动起竖过程的仿真。多级缸换级时作用面积突变,导致压力和速度突变,产生过大的冲击,为减小换级冲击,在缸筒上布置多个缓冲小孔。仿真结果表明:采用缓冲结构后,换级时缸筒同步运动,将压力突变转化为缓变,提前将压力增大至下一级缸筒工作压力,大幅度减小了换级时的速度和加速度波动。
FENG J T, GAO Q H, GUAN W L, et al. Modeling of telescopic hydraulic cylinder and research on inter-stage buffer[J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(12):2268-2276. (in Chinese)
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Abstract
多级液压缸换级时的级间缓冲性能会对液压系统工作的平稳性及安全性产生影响。以某三级液压缸为例,采用基于动网格及UDF (用户自定义函数)的三维非稳态计算流体力学方法,并计入活塞与缸筒的摩擦力,对收回阶段的液压油流动及活塞运动特性进行计算,分析液压缸的缓冲和换级性能。结果表明:采用圆柱形缝隙节流效果明显,但单个活塞收回时间较长,存在两级活塞同时运动的情况;换级时会产生较大的压力及加速度突变,导致系统产生液压冲击和振动。模拟结果能够为多级液压缸缓冲结构的优化设计提供参考。
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何小英, 彭雪明, 王惠军. 基于多燃气动力的水下变深度发射内弹道[J]. 弹道学报, 2019, 31(2):14-18.
Abstract
为研究水下变深度发射导弹的内弹道问题,通过由多个燃气发生器组成的弹射动力系统,建立了水下发射的内弹道计算模型,介绍了可同时满足多种深度发射的内弹道仿真方法,进行了仿真计算。结果表明:在20~60 m的深度范围发射,可以通过调节3个燃气发生器的点火时序,得到18.9 m/s±3.4 m/s的出筒速度调节范围。由多燃气发生器组成的弹射动力系统是解决变深度发射导弹的有效途径。
HE X Y, PENG X M, WANG H J. Interior ballistics of variable-depth underwater launch based on multi-gas power system[J]. Journal of Ballistics, 2019, 31(2):14-18. (in Chinese)
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