水下气动发射装置内弹道仿真和参数影响分析.pdf

J u n ．2 0 1 4 机床与液压 H y d m m e c h a t m n i c s E n g i n e e ri n g V o 1 ． 4 2 N o ．1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 0 1 I n t e r i 0 r b a l l i s t i c s i m u l a t i o n a n d p a r a m e t e r i n fl u e n c e a n a l y s i s o f a n u nd e r wa t e r p n e uma t i c l a u nc he r Q i n g y o n g N I U ． T i a n y u n L I s c 。 。 l o f N a 口 l A r c h i t e c mr e。 n d 0 c e 凡E n g i n e e r i n g ，H u a z h 。 n g U n i v e r s i t y o f S c i e eⅡ n d T e c h n o l 。 g Y ， n 4 30 0 7 4，C hi n a； 。 |s n n d Ma r i ne H y d r o d y n a m i c s K e y L a b 。 r a t 。 ， ．y o f Hu b e i P r o v i n c e ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a 1． I n t r o du c t i o n Ab s t r a c t An u n d e r wa t e r p n e u ma t ic l a u n c h e wa s s t u d ie d t o a n a ly z e i t s in t er i o r b a l l i s t ic c h a r a c t e r - i s t ic s ．Us in g ma t h e ma t i c a l mo d e l i n g me t h o d，t h e i n t e r i o r b a l l i s t ic mo d e l wa s e s t a b l i s h e d -Th e i n 。 f l u en c e s o f t h r e e p a r a me t e r s we r e d i s c u s s e d i n c l u d i n g t h e c r it i c a l mo v i n g r e s i s t a n t f o r c e，t h e ma x i mu m o p e n a r e a o f t h e la u n c h v a l v e a n d t h e in i t ia l i n f l a t i o n a i r 。 b o t t l e p r e s s u r e ．Th e r e s u lt s s h o w t h a t t h e ma x i mu m c h a mb e r p r e s s ur e i s ma i n l y d e t e r mi n e d b y t h e c r i t ic a l r e s is t a n t f o r c e， a n d t h e e x i t v e lo c i t y o f t h e we a p on o u t o f t h e la u n c h t u b e i s ma in l y d e t er mi n e d b y t h e i n it i a l i n fl a ’ l i o n a i r b o tt l e p r e s s u r e a n d t h e max i mu m o p e n a r e a o f t h e l a u n c h v a l v e． Ke y wo r d s L au n c h e r ，Ma t h e ma t ic a l mo d eli n g，I n t e r i o r b a l l i s t ic，P a r a me t e r in f l u e n c e an a l y s is F o r a c e r t a i n t y p e o f u n d e r w a t e r p n e u ma t i c l a u n c h e r ．c o mp r e s s e d a i r i s us e d a s e n e r g y s o u r c e t o t hr u s t t h e we a p o n o u t o f t h e l a u n c h t u b e a t a d e - s i g n e d v e l o c i t y ．T h e s t u d y o f t h e i n t e r i o r b a l l i s t i c h a s g r e a t s i g n i fi c a n c e i n t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f t h e l a u n c h e r a n d t h e p r e ． e s t i ma t i o n o f t h e l a u n c h e x p e r i me n t s ．Fo r c o n fid e n t i a l i t y r e a s o n s，l i t e r a t u r e s r e l a t e d t o t h i s t y p e o f】 a u nc h e r c o u l d r a r e l y be c o l l e c t e d ．Bu t o wi n g t o t h e s i mi l a rit y t o o t he r t y p e s o f l a u n c h e r s s u c h a s t o r p e d o l a un c h e r s i n s o me a s p e c t s ，t h i s t y p e o f l a u nc h e r c o u l d b e ma t he ma t i c a l l y mo d e l e d b y u s i n g t h e r e f e r e n c e s p r o v i d e d b y t o r p e d o l a u n c he rs． Co mp r e s s e d ． a i r t o r p e d o l a un c h e r ．h y d r a u l i c b a l a n c e a b l e t o r p e d o l a u n c h e r a n d a i r ． t u r b i n e p u mp l a u n c h e r w e r e e x t e n s i v e l y s t u d i e d b y WA N G S h u z o n g[ 1 ] ， HU B a i - s h u n [ 2 ] ，T I A N B i n g a n d L I A N Y o n g q i n g Re c e i v e d2 01 40 31 5 P r o j e c t s u p p o r t e d b y N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a N o ． 5 1 0 7 8 3 7 5 十Q i n g y o n g N I U， P h D． E - mal l q y n i u 1 6 3 ． c o m [ 3 ． 5 ] ， wu Z h a o - h u i ，e t a l l 6 ] ．A mo n g t h e s e s t u d i e s ，e a c h c o mpo n e n t o f t he l a u n c h s y s t e m wa s s e p a r a t e l y ma t h e ma t i c a l l y mo d e l e d a n d t h e n t h e 1 a un c h s y s t e m w a s a n a l y z e d a s a wh o l e ． Ho we v e r．b e c a u s e o f t he d i ff e r e n c e i n s e a l i n g me c h a n i s m a n d t h e we a p o n e x t e r n a l g e o me t r y， t h e i n t e rio r ba l l i s t i c p e r f o r ma n c e o f t h i s t y p e o f p ne u ma t i c l a u n c h e r d i s t i n g u i s he s f r o m t ha t o f t o rp e d o l a un c h e r s ． I n t h i s r e s e a r c h t h e r ma l a n d d y n a mi c t h e o rie s a r e u s e d t o e s t a b l i s h t h e i n t e r i o r b a l l i s t i c mo d e 1 o f t h i s l a u n c h e r ． Fo r j n t e r i o r b a l l i s t i c p a r a me t e r s whi c h f e e t t h e ma x i mu m c h a mb e r p r e s s u r e a n d t h e e x i t v e ． 1 o c i t y o f we a p o n．t h e i r i n flu e n c e 1 a w i s d i s c u s s e d a n d s o me u s e f u 1 c o nc l u s i o n s a r e o b t a i n e d． 2． M a t h e ma t i c a l mo d e l A t y p e o f u n d e rw a t e r p n e u ma t i c l a u n c h，wh i c h i s s h o wn i n Fi g u r e 1，ha s a s e a l i n g c o v e r a t i t s e n d ． Th e me t a l fil m ．wh i c h p r e v e n t s t h e we a p o n i n s i de t he l a u n c h t u b e f r o m b e i n g s o a k e d we t ，w o u l d b e c u t o ff d u ri n g l a u n c h ．T h e i n i t i al r e s i s t a n c e f o r c e n e e d e d t o c ut o ff t he s e a l i n g me t al fil m e n s u r e s a c e rta i n e x i t v e l o c i t y o f t h e we a p o n o u t o f t h e l a u n c h t u b e ． Ba s e d 2 ．H．．． y d r o．m e c h a t r o n i c s En g i n e e r i n g o n t h e r ma l a nd d y n a mi c e q u a t i o n s f o r t h e a i r ． bo t t l e ， t h e l a u n c h v a l v e，t h e l a u n c h t u b e ， t h e we a p o n a n d t h e l a u n c h s y s t e m c o u l d b e ma t h e ma t i c a l l y mo d e l e d a n d a n a l y z e d． F i g u r e 1 ． S c h e ma t i c d i a g r a m o f a n u n d e r w a t e r p n e u ma t i c l a u n c h e r 2． 1 ． M o de l o f t he a i r ． b o t t l e Ac c o r di n g t o t h e i d e a l g a s e q u a t i o n o f s t a t e a n d t he a d i a ba t i c p r o c e s s e q u a t i o n，t h e p r e s s u r e a n d [ e m p e r a t u r e i n s i d e t h e a i r bo t t l e d ur i n g l a u nc h c o u l d be writ t e n i n f o r ms o f 一p T s 0 m m 加 8 1 2 i n wh i c h Ts o， PB o ， m哟 a n d TB， PB， mB a r e t h e a i r b o t - t l e t e mp e r a t u r e K ， p r e s s u r e P a a n d m a s s m g a t t h e i n i t i a l t i m e d e fi n e d a s t h e t i m e a t w h i c h t h e l a u n c h v a l v e b e g i n s t o o p e n a n d d u r i n g t h e l a u n c h p r o c e s s ．， c r e f e r s t o t h e a d i a ba t i c i n d e x． 2． 2． M a s s flo w t hr o ug h t he l a un c h v a l v e I g n o r i n g t h e a i r l e a k a g e d u rin g t h e l a u n c h i n g p r o c e s s，t he ma s s flo w f r o m t he l a u n c h v a l v e i n t o t he l a u n c h t u b e h a s a n e mp i r i c a l e x p r e s s i o n [ 7 ] d m ． 3 wh e r e D i s t h e flo w c o e m c i e n t o f t he l a u nc h v a l v e． r a ng i n g f r o m 0． 6 t o 0． 6 5； p i s t h e a i r d e n s i t y a t t he o u t l e t s e c t i o n o f t h e l a u n c h v a l v e k g ／ m ； “ i s t h e a i r v e l o c i t y a t t h e o u t l e t s e c t i o n o f t h e l a un c h v a l v e k g ／ m ．A c c o r d i n g t o t h e t h e o r y o f t h e n o z z l e fl o w l 8 l ， t h e v e l o c i t y a n d a i r d e n s i t y a t t h e o u t l e t o f t h e v a l v e a r e wr i t t e n a s f o l l o ws U 2 KRT ． 一 ] 、』2 R T R f w h e n { [ RT w ． ⋯⋯ 1 pc W nen p B wh e n PB 8 ≤ 丝8 p 8 5 丝 ≤8 Pe ‘ i n w h i c h R2 8 7 J ／ k g‘ Ki s t h e g a s c o n s t a n t ； P c i s t h e a i r p r e s s u r e i n s i d e t h e l a u n c h t u b e d ur i n g l a u n c h P a ； IB[ 1 ／ ， c 1 ] ‘ i s t h e c r i t i c a l p r e s s u r e r a t i o ．T h e t e mp e r a t u r e a t t h e o u t l e t o f t h e l a u n c h v a l v e i s ‘ PB i n w h i c h P i s t h e c o r r e s p o n d i n g p r e s s u r e P a 2． 3． Ope n i ng l aw o f t he va l v e 6 Th e o pe n i n g l a w o f t he l a u n c h v a l v e p l a y s i m． p o r t a n t r o l e i n t he c o n t r o l o f t h e i n t e r i o r b a l l i s t i c ． Ge n e r a l l y，t h e o p e n l a w c o ul d b e e x p r e s s e d a s a c o n t i n u o u s f un c t i o n o r pi e c e wi s e f u n c t i o n o f t i me ． W LOG． t h e v a l v e c o u l d be a s s u me d a s a n i d e a I q u i c k o p e n i n g v a l v e wh o s e o p e n l a w i s s h o wn i n F i g u r e 2 ．I n F i g u r e 2，t 0 i s t h e f u l l - o p e n t i me o f t h e v a l v e，a n d AⅧ i s t h e ma x i mu m o p e n a r e a ． Op e n a r e a A／ m。 』 4 砷 t o F i gu r e 2．Op e n a r e a o f t he l a u nc h v a l v e 2． 4． M o de l o f t he l a u nc h t u be t s De fin i n g t h e i n i t i a l i n fla t e d v o l u me a s t h e s u m v o l u me o f t he v a l v e，p i p e a n d t he c h a mbe r o f t h e l a u n c h t u b e a n d i g n o rin g t h e h e a t e x c h a n g e b e t we e n a i r a nd t h e t u b e wa l l ，t h e p r o p e y o f a i r i n s i d e t h e l a u n c h t ub e i s d e s c r i b e d b y t h e fi r s t l a w o f t h e r mo d y - n a mi c s U c U c 0H W 7 i n w h i c h U c i s t h e i n t e r n a l e n e r g y J l e ft i n s i d e t h e l a u n c h t u b e，wh e r e a s Uc o i s t h e i n i t i a l i n t e r n a l e n e r g y J ； H i s t h e t h e r mo d y n a m i c e n t h a l p y J o f t h e a i r fl o w e d f r o m t h e l a u n c h v a l v e t o t h e l a u n c h t u b e ；W i s t h e w o r k J o f t h e t h r u s t f o r c e a c t i n g o n t h e w e a p o n．I n s i d e t he l a u n c h t u be，t h e t e mp e r a t u r e Tc a n d p r e s s u r e Pc a r e e x p r e s s e d a s Tc 一 mcc mc R pc 8 9 w h e r e mc i s t h e a i r ma s s k g i n s i d e t h e l a u n c h t u b e ； C i s t h e s p e c i fi c h e a t a t c o n s t a n t v o l u m e J ／ k g 、 8 ， ．．．．．．．．．．． ， 、 ．。 ． ．． L Q i n g y o n g N I U，e t a l I n t e r i o r b a l l i s t i c s i mu l a t i o n a n d p a r a m e t e r i n fl u e n c e a n a l y s i s o f a n u n d e r wa t e r pn e u ma t i c l a u n c h e r 3 。 K； i s t h e i n s t a n t a n e o u s a i r i n fl a t e d v o l u me o f t h e l a u n c h t u b e m ．T h e i n j e c t i o n r a t e o f t h e h e a t e n t h a l py t h r o u g h t h e l a u n c h v a l v e t o t he l a u nc h t u be i s d il l ／ d t c d m ／d ， w h e r e C p i s t h e s p e c i fi c h e a t a t c o n s t a n t p r e s s u r e J ／ k g K ． C o n s i d e r i n g t h e t h r o t t l i n g a c t i o n o f t h e l a u n c h v a l v e ，t h e s t a g n a t i o n t e mp e r a t u r e de c r e a s e s s l i g h t l y T BT B一0 ． 2 7 x 1 0 P 日一P c 1 0 Th e r e for e， d Hi c T B d mi 一。 Th e c h a n g e r a t e o f a i r ma s s i n s i d e t h e l a u nc h t u b e i s d mi 1 2 d d Af t e r t he o p e n o f t h e l a un c h v a l v e，t h e p r e s s u r e i n s i d e t h e t u b e i nc r e a s e s r a p i d l y a nd t he we a po n i s p u s h e d o u t wa r d b y t h e t h r u s t f o r c e ． I n t h i s p r o c e s s， t he c h a n g e r a t e o f t h e a i r i n fl a t e d v o l u me V c i n s i d e t h e l a u n c h t u b e i s d r 0 w h e n p c S≤ ， d t l s w h e n p c S ， 1 3 i n wh i c h S i s t h e i n t e r s e c t i o n a r e a o f t h e we a p o n m ； g i s t h e m o v i n g v e l o c i t y o f t h e w e a p o n m ／ s ； i s t h e c r i t i c a l f o r c e t h e w e a p o n n e e d e d t o o v e r c o m e a s i t s t a r t s t o mo v e N ． 2 ． 5． M o t i o n l a w o f t he we a po n Th e mo t i o n o f t h e we a p o n s a t i s f i e s d y n a mi c e q u a t i o n 【 0 whe n ％ 0 a nd Pc S ≤ F cr { 墅 二 ￡w h e n 0 L m 1 4 i n wh i c h mg i s t h e we a p o n ma ．s s k g ； i s t h e d i s p l a c e me n t i n s i d e t h e t u b e；R i s t he r e s i s t a n t f o r c e o f t h e me t a l s e a l i n g fi l m whi c h i s n e e d e d t o o v e r c o me a s t h e we a p o n s t a r t s t o mo v e 1 Rg C D s p 2 g七 G 七s p h 1 5 w h e r e P i s t h e d e n s i t y o f w a t e r k g ／ m ；C D i s t h e mo v i n g d r a g c o e f f i c i e n t o f t h e w e a p o n； i s t h e f r i c t i o n c o e f fic i e n t be t we e n t h e we a p o n a n d t h e l a u nc h e r w a l l ；G i s t h e w e i g h t o f t h e w e a p o n N ； P i s t h e flu i d p r e s s u r e o u t s i d e t h e l a u n c h t ub e ． T h e p o we r o f t h e t h rus t f o r c e a c t e d o n t h e w e a p o n i s dS p 。 t g ， L 1 6 3． Ty p i c a l l a unc h a na l y s i s a n d v a l i d a t i o n E q u a t i o n s 1 一 1 6 f o r m a ma t h e m a t i c al mo d e l de s c rib i n g t h e l a u n c h p r o c e s s ．Gi v e n t h e o pe n l a w o f t he l a un c h v a l v e，t h e l a un c h i n g p r o c e s s c o u l d b e c a l c u l a t e d ．Us i n g MAT L AB，t h e d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s i s nu me ric a l l y s i mu l a t e d． I n o M e r t o v a l i d a t e t h e r e a s o n a b i l i t y o f t h e ma t h． e ma t i c a l mo d e l ，wa t e r t a n k e x p e r i me n t s a r e c a r r i e d o u t ．T h e ma i n e x p e rime n t p a r a me t e r s a r e a s f o l l o w s a i r ． b o t t l e v o l u me 0 ．0 4 m ． i n i t i a l v o l u me o f t h e l a un c h t u b e 0． 0 3 2 m。．s p e c i fic h e a t a t c o n s t a n t p r e s ． s u r e c 。 1 0 0 6 J ／ k gK ，s p e c i fi c h e a t a t c o n s t a n t v o l u me c 7 1 9 J ／ k g K ， a n d w e i g h t o f t h e w e a p o n 1 0 0 N． Th e i n t e r n a l t r a v e l l e n g t h o f we a p o n i n s i d e t h e l a u n c h t u be i s 0． 8 m ．The c rit i c a l r e s i s t a n t f o r c e o f t h e we a p o n F c r i s 9 0 0 0 N d e t e r mi n e d by e x p e r t me n t s ． T he o p e n t i me o f t h e v a l v e i s 5 0 ms ．a n d t h e ma x i mu m o p e n a r e a i s 20 mm ．Th e mo v i n g d r a g c o - e f f i c i e n t Cn i s 0． 8 ． S t e p s i z e At f o r n u me ric a l c a l c u． 1 a t i o n i s 0． 0 01 s ．The a i r ． b o t t l e i n i t i a l i n fla t i o n p r e s ． s u r e i s 2． 5 0 MPa ． T h e r e s u l t s o f t h e t h e o r e t i c a l mo d e l w i t h t h e s a me p a r a me t e r s a s e x p e r i me n t s ，c o n t r a s t i n g w i t h t h e r e s u l t s o f e x p e r i me n t s ．a r e l i s t e d i n T a b l e 1 ． Ta b l e 1 ．Re s u lt s c o n t r a s t b e t we e n t h e or e t ic a l a n a l y s is a n d e x p e r ime n t s I t c a n be s e e n f r o m Ta b l e 1 t ha t t h e r e s u l t s b e ． t we e n t h e t he o r e t i c a l mo d e l a n d t h e e x p e r i me n t s a g r e e we l l wi t h e a c h o t he r ． Th e e f f e c t i v e n e s s o f t h e mo de l s i mu l a t i o n i s v a l i da t e d ． 4． Pa r a me t e r a na l y s i s o f t h e i nt e r i o r b a l l i s - t i c Fo r t h e l a u n c he r ， t h e ma x i