[原创]用于潜艇的鱼雷链式装填装置

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导读:类似英国马格纳姆(96年第六期《现代舰船》上所谓)的潜艇鱼雷装填发射一体化装置,但是我独立设计的,最初并未得知国外有类似设计。 这设计的初稿以前在西工大参加过比赛(不是保密的)拿过奖,后来也申请过专利,当时想入国防专利的,人家不批,入了个一般专利,sipo上能查得到。去年参加了个NXSTAR比赛,没什么结果,正文就是那次比赛的作品稿,所以格式有些别扭,不过现在也懒得再出个四版了,凑合看吧,意思不错就行,看铁血的高手们有什么指教。

用于潜艇的鱼雷链式装填装置

1. 设计目的

目前潜艇上鱼雷的放置位置都是在艇内,装填时才推入发射管,每一根发射管的尾部都在耐压壳体内,并且要穿出耐压壳体,在几百米深的水下艇内外的压差达几个兆帕,穿透部位若是处理不好很容易透水,而装填鱼雷时艇内与外界亦仅靠发射管外盖隔离,一旦外盖驱动装置误动作后果非常严重;在某些潜艇上通过专用的补雷通道补充鱼雷时,通道管也要穿透耐压壳体,这样下来耐压壳体上要有很多穿透部位,既增加结构重量、提高成本、延长建造周期,又留下很多应力集中点、降低安全性;并且鱼雷装在耐压壳体内,不易实现与人员、重要设备的隔离,一旦鱼雷爆炸后果不堪设想。战斗情况下装填时,由于潜艇处于不断机动中,有人介入的装填方式不能保证“安静”装填,这也增加了被敌方声纳截获的可能性;装填时间过长,造成需要较多的发射管,设备利用率低。俄式潜艇布局中发射管、鱼雷舱占据艇首宝贵空间,影响了艇首声纳的大型化,直接限制了潜艇侦察能力,美式潜艇发射管后移,艇首声纳尺寸较大,但武器距艇上重要部门过近,若鱼雷自炸破坏会更大。

为解决以上问题,提出此种潜艇用鱼雷装填装置,并与发射装置协调设计。但在完成初样设计后,发现基本方案还可获得更多的好处,因此进行了更多的设想,例如武器多样化、指挥舱兼作逃生舱等。

2. 设计背景

平衡式发射原理可以避免非平衡式发射原理在发射过程中动力消耗随潜艇深度增大而迅速增大的弊端,也更适合本方案中采用的武器放置位置,因此选择采用平衡式发射原理的发射装置(该设计为成熟技术)与本方案具体设计的装填装置配合,无论是活塞式或涡轮式、甚至皮囊式均可。该方式同时可避免采用气泡收集装置和发射瞬间舱内严重超压的问题,利于提高射速。

3. 设计思路

解决穿透问题必须用耐压壳体外布置,出于结构紧凑化的需要,能容纳相当数量武器的装填装置最好环绕耐压壳体布置,这样才能减小对潜艇水动力性能的影响。而让人无法直接操作的环境也就顺理成章地要求发展全自动的装填发射系统。用类似MK-41发射装置的固定独立式方案会大大增加非耐压壳体开口处,即增加流体噪声,并且极不便于对水线下发射管补充武器;若采用左轮手枪式的旋转装置,要将一个舱段(至少是其外周部分)整体旋转,对常规任务的潜艇来说尺寸太大(苏联用于发射SS-N-6导弹的旋转式发射装置只能用于7000吨以上的军舰,只装备了第一艘基洛夫级),我个人认为此种方案较适合特种作战中的微型潜艇(这也是我初始考虑旋转装填发射方式代替现用方式时的应用对象);若采用旋转环布置方式(内啮合齿轮副,原动机带动小齿轮,贮箱布置在大的内齿轮外面)实现,需要制造几乎同耐压壳体等径的特大内齿轮,以前看书知道有的舰用传动齿轮直径可以达到4米,但是本方案的运动副是处于海水润滑状态下,且要应付较复杂的使用环境(见5.5)),如果可以将内齿轮设计成柔性的以补偿变形,也可以使用齿轮传动方案,同时仍然需要内齿轮与贮箱箍间的弹性装置,但还需设计用于此特大内齿轮的支承轴承并安排此轴承的布置位置,有如此多的问题等待解决,我不认为这是合适的结构,故仅选择旋转弹链式装置进行较具体的设计描述。

4. 设计过程

大部分预设功能的设计都是纯工程性的,与使用什么设计平台没有关系。由于我使用UG的水平不高,未进行强度分析与优化设计,只使用了UG的部分建模功能作为三维表示手段,帮助进行机械原理方面的检查。尽管如此,UG直观的功能图标和智能化的尺寸输入形式对加速设计过程的贡献仍功不可没。只是UG不能区分变量符号的大小写,给变量命名造成了一些麻烦,对此深感不解。

5. 结构特点(设计创新点)

1) 使用类似机枪闭式弹链的装置将鱼雷(置于贮箱中)布置在潜艇耐压壳与非耐压壳之间的水舱中,贮箱既作为鱼雷的艇上贮存容器(鱼雷在艇上时是不进行维修的),内部保持适宜的湿度、压强,并有足够耐压能力(随潜艇最大潜深而定),又作为发射装置的一部分,其内并有制止器(类似箱装导弹所用)。弹链由合适的动力(如电机)带动绕耐压壳旋转,使贮箱(鱼雷)依次对准发射管(代替现有的装填方式)。这种贮存方式同样适用于更多的具有合适尺寸的武器。

用于潜艇的鱼雷链式装填装置


图 1 总体布置

2) 平时,弹链由发射管和发射动力管上能活动的定位套固定,发射时亦藉此保证贮箱(鱼雷或其它武器载具)确实对准发射管,弹链旋转时移开活动套。发射前贮箱两头盖子打开,武器由外动力从贮箱经由发射管推出艇外(也可自航出管),此时发射系统类似多管转膛炮(采用多管方案以增加弹链不进行旋转最多能发射的武器数量,并可避免单管方案中发射管必须绝对可靠的要求。只要武器布置合理,可以减少弹链旋转次数)。

3) 发射过程中利用定位套保证贮箱与发射管、发射动力装置的紧密牢固连接,并通过控制专配的阀组,利用发射动力装置提供的一定动力完成贮箱从储存到待发的转换动作;为在非耐压壳破损的情况下仍能完成该转换动作,用一个环形水舱容纳整个弹链,发射管尾部接入该水舱前端,而发射动力装置的两套海水出口接入其后端。


用于潜艇的鱼雷链式装填装置


图 2 环形水舱剖面


4) 由于本方案中武器布置在海水环境中的贮箱内,潜航状态下几乎不可能由人直接接触,必须发展一套全自动的武器识别——读/写数据——检测系统,又由于贮箱装入发射系统后即处于海水浸泡环境中,且贮箱要随弹链旋转,不能用有线电缆方式连接,故考虑采用光电方式完成此项功能,即在贮箱上设一光电窗口,并在贮箱旋转至发射位置时使此窗口与潜艇耐压壳上对应位置的光电窗口对准,以实现潜艇与贮箱之间的数据交流;而在贮箱与其内武器间的数据交流方式可依武器形式而定,不受采用本发射系统影响。该特征也提供了系统对包括鱼雷在内的多种武器的软件适应柔性,因此便于使用其它尺寸适合的武器。

5) 为了补偿由于水压产生的艇体变形和制造、装配误差和必须的间隙,在弹链与贮箱箍间设计弹性装置,该弹性约束使贮箱箍能相对其所在的链节略微活动以保证固定套动作的可靠性。图6虽为该部分的详细图示,但并未突出强调弹性装置,虽然如此,并不妨碍本特点。

6) 在贮箱尺寸一致的情况下,最好将活动套组设计为联动的,以减少作动部件、简化检测装置。而在贮箱大小不一时则无此种便利。

7) 由于潜艇排水量与主尺度为三次方关系,本方案提高武器携带数量的能力在大型潜艇上逐渐趋弱。考虑单个装填发射系统占用长度大约为10m,大型潜艇的长度足够布置4个以上,只是无法使用完全串级的安装形式。若采用“交错露头”的方式(类似千手观音),可在一个发射系统后布置另一个发射系统,挖掘大型潜艇的携带潜力。图3显示了两种交错方式,左面的是角度偏离式的,武器从潜艇侧面斜向发射出去;右面的是位置偏离式的,因此需要更长的发射管。从图中可见,两者都减小了内部舱段的容积。


用于潜艇的鱼雷链式装填装置


图 3 类似“千手观音”的两级发射系统

8) 为了便于更换受损链节,弹链和驱动链使用双销结构更有利。因驱动链链节内环面与小直径链轮配合而需要有较大的弧角(弓形高度较大),这种形状会在与链轮、托带轮等接触时因撞击而加大噪声,故应在内环面和链轮、托带轮、张紧轮圆柱面处采用形状互补的台阶结构以保证各处的平稳接触,为减轻图形的繁杂程度,图6中省略了驱动链系统的这些结构细节,特在此作补充说明。

6. 向潜艇补给武器时的操作

由于武器布置在潜艇耐压壳外,只须打开非耐压壳体和环形水舱上的预留开口,再打开链节上的贮箱箍,即可换上新的贮箱,通过操纵弹链旋转完成对整条弹链的补充。此种方式应该比目前必须穿过耐压壳的补充方式更为简单快捷,更适合海上补给。

7. 发射流程

由于本方案实现的是全自动装填发射工作模式,发射、装填过程无人直接操作的特性要求流程必须合理顺畅,该流程显示如图4。


用于潜艇的鱼雷链式装填装置


图 4 发射流程

其中打开贮箱两头盖子的过程是这样的:由于发射武器时可能处于不同潜深,贮箱盖外部压强可能远大于箱内初始压强,靠箱内动力很难直接开盖,故考虑将海水引入贮箱,以减小开盖过程的动力需求。具体途径是选定的贮箱接到“准备发射”指令后用其内部动力打开箱体上的通海阀,使海水得以进入箱内平衡盖内外静压差,进而用不大的动力打开盖子。前盖经发射管出艇落入海中,后盖经发射动力管进入贮箱后面的收集器。打开盖子的动力有两种备选方案,(1)盖下预装弹簧,并用由易被海水溶解的材料制成的销子压住弹簧,海水灌入一段时间后销子溶解,盖子和弹簧被弹离贮箱;(2)选用液压平衡式发射装置时,可以在其发射水道上另设一根歧管通到贮箱通海阀附近,歧管和发射动力管与干(音gàn)管之间用二位三通阀连接以进行切换,贮箱与歧管出口均位于可承受一定压强的环形水舱中,以在歧管来水时协助建立贮箱内压强,冲开贮箱盖子。方案(1)似乎不太适合较长的行程,方案(2)在使用导向装置后可以保证两个盖子离开发射通道(3D模型是按方案(2)做的)。在两个盖子都成功打开后,通过贮箱光电信号口发送信号关闭待射贮箱的通海阀,即可随时发射。关闭待射贮箱通海阀可避免环形水舱在发射过程中承受内压,并为后续的发射提供合适的条件。


用于潜艇的鱼雷链式装填装置


图 5 开盖动作(贮箱后盖)

收集器后方的二位二通阀只有在打开贮箱后盖的过程中才打开,其它时候都是关闭的,这样才能在打开贮箱前盖和发射武器的过程中建立超压。另外,贮箱内的保护气体最好在海水中有较大的溶解度,以使海水能够较快地充满贮箱。(若武器可在低气压甚至一定真空度下长期保存,此项要求可以放弃)

8. 系统优点

1) 虽然旋转装置的动力轴也需要穿透耐压壳(直接置于海水中的电机技术难度太高),但只有一处,并且与尾部螺旋桨轴、平衡式发射的动力传递轴属同类形式。这样,发射系统较大的穿透点只有两处,其余都是光、电缆线的小直径穿透点,潜艇耐压壳上开洞减少,且剩余的直径也都很小,提高工艺性降低制造成本;

2) 可大大提高射速,且避免装填手人工操作,有利减少艇员;

3) 艇内可用空间增大,便于安装大型艇首声纳及改善生活条件,如果设计时通过总体考虑(贮箱本身、内贮投射体、盖子等)使发射前的贮箱与发射后灌满海水的贮箱总重大致相等,并且重心大致重合,不仅可以减小弹链驱动系统的负荷,还可以降低来自武器发射对潜艇调平系统造成的负担,即可以减小调平水舱,获得更大的艇内空间。

4) 整艇备弹量增大,耐压壳体外径为5m、贮箱箍和固定套外径为700mm时单环武器数可达25,多环布置后效果更明显,增加单艘次最大交战次数;

5) 同样结构也可用于艇尾提供后射能力,并且不会影响动力舱布置,但此时不能使用螺旋桨方式推进,否则不能使用线导武器,如果推进器直径太大,挡住正后方射界,还可以将弹链整体设计成圆台形或单叶双曲面形代替原来的圆柱形,这两种形状可以使射向外偏,躲开推进器,不过会使耐压艇体呈现“蜂腰”形,载弹量可能因此减少一半。另外尾环的开盖动力和发射动力可以改为由推进器轴通过离合器带动的布置在自由水舱(潜艇发动机冷却系统必须)中的海水泵提供,以降低成本并从根本上消除向后发射时产生的超压。

6) 简化向潜艇补充武器的操作,利于远洋作战;

7) 在标准贮箱尺寸许可范围内可装多直径武器,必要时可换用更大角度的链节和贮箱以携带超大尺寸(在环形水舱许可范围内)载荷,此时需要修改非耐压壳上孔的尺寸、换用合适尺寸的发射管及修改相关接口部件的尺寸,虽然有相当的工程量,但因为不涉及耐压壳体,工作量和难度都比传统方式的小得多。还因为相对来说比较容易给潜艇——贮箱间的数据传输装置加入备用数据通道,可以为未来的更多武器留出可扩展的空间,只需设计专门的贮箱——武器间的数据传输装置即可上艇,因此可以改善任务灵活性,便于更新装备;

8) 因武器系统操作自动化,可实现人员和关键设备与武器的分离,并可在武器舱段与有人舱段间设置隔离舱段,避免武器爆炸造成的重大人员伤亡。两舱段及在其远端的舱段内放置的设备要具有完全自动化、可靠性高、维护量小的特点,并且不能是决定艇员生存的关键设备,内部仅留有检修通道,以尽量缩短艇员在这些舱段中的必要活动时间。在尾部也布置发射装置时也照此办理,毕竟动力装置也具备可远程操纵的特性了。人员集中布置在指挥舱和住舱部位,隔离舱段中设置应急分离装置,便于艇员抛弃受损舱段,乘兼具逃生功能的指挥舱集体逃生。向各舱段内装置设备时要注意兼顾艇的平衡。

9) 本方案对双壳体和单壳体结构的潜艇都适用,在双壳体结构的潜艇上使用时更可降低其储备浮力(占用了部分压载水舱的空间),对缩短下潜时间有利。

9. 需先期解决的问题

1) 本方案中链式系统与目前所用的链式机构的环绕面不同,是圆形的,因此不能直接采用常规链驱动形式(否则就成了前述的左轮手枪式)。需要使用节距转换机构(这样可以用小链轮带动),不知目前有无此种机构,在此我初步设计一种转换节距用的链节(见图6,其中托带轮等未画),以供参考,设计时注意使弹链节角是驱动链节角的整数倍;


用于潜艇的鱼雷链式装填装置


图 6 带节距转换功能的链传动机构与弹链的配合工作示意

2) 弹链机构处在海水长期浸泡环境中,可能受到附着生物(如藤壶)的影响,并且防海水腐蚀也是个大问题,至少要能将维护清理周期延长到两、三年以上,否则设备清理成本会影响采购意向;

3) 由于武器入箱后不可能由人直接接触,并且在发射准备时要完全依赖机电设备间接操作,这对整个保养、使用系统都是一个全新的问题,解决不好会直接影响作战效能。对此问题,不但要提高生产工艺水平、部队人员技术水平,还要研制新的检验设备、发展新的检验标准,这方面可能可以参照固体燃料导弹的标准执行(对电雷应该比较容易)。

10. 缺点及可能的解决途径:

1) 由于武器贮箱置于水舱中,武器抵抗外部破坏的屏障由艇壳变为贮箱,可能造成武器生存力下降,但贮箱尺寸较小,受压不均现象不会太严重,略为加大壁厚即可,重量代价也不大;

2) 目前的发射管已经标准化,不会随潜艇尺寸有大的变化,而本方案中的链节尺寸随艇径变化,会在一定程度上给后勤部门造成不便,这是采用本方案的必然结果,不可能解决(除非潜艇直径也标准化),但考虑到本方案也能减轻另外一些后勤压力,并且安装、维修弹链的间隔较长,而且一国装备的潜艇型号有限,该缺点应该是可以容忍的;

3) 在使用线导武器时无法在切断导线前旋转弹链,此时非但无法发挥射速优势,更因为发射管数量而限制了最多可同时使用的武器数量。该缺点可通过将装线导武器的贮箱集中排放得到部分解决;

4) 如要在贮箱注水后取消发射,因贮箱排水困难,武器(或其运载具)会继续浸泡在海水中,若在武器允许的浸泡时间内还找不到目标进行射击,会造成其报废。也许可以在贮箱中加入气体发生器排水,但因不能擦拭,不能根本解决问题,且又造成贮箱结构复杂化、提高成本,而在打开盖子后就更无法挽回损失。

11. 设计难点

1) 发射流程设计;

2) 贮箱开盖原理设计;

3) 具有节距转换功能的驱动链装置原理设计。


本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

[ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]

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