0 引　言

UUV是一类无人控制、自带能源、自主导航与控制、自动力推进和自主作业的水下机器人，可广泛应用于侦察监视、情报搜索、跟踪、预警、通信中继、水下攻击等各方面。UUV作为高新技术水下无人作战平台，在情报监视与侦查、反水雷、水下救援等领域发挥了重要作用，其中潜艇和水面船只布放和回收UUV是使用UUV的重要环节。潜艇回收UUV不易受外界环境影响，可以隐蔽的对军用UUV进行回收^[1-3]。利用潜艇上装备的鱼雷发射管布放UUV，可以减少对潜艇的改造，不增加额外布放UUV的装置，是最佳的选择布放UUV方式之一。自航发射UUV有低噪声的显著优势，可以使UUV利用螺旋桨产生的推力自航，降低布放的发射噪声，提高UUV的隐蔽性^[4]。

1 UUV自航出管的前提条件分析

UUV自航发射具有噪声低的优点，因为其依靠自身动力游出发射管，不会产生排气噪声。自航发射管中有时具有辅助装置，如意大利的B512型发射管装有辅助装置，当鱼雷自航发射过程中出现问题，无法自航发射时，可以将其抛射出去，以免对潜艇及艇员生命安全造成威胁^[5]。

实现自航发射一方面要保证UUV在发射管内有良好的启动特性，在发射过程中不会对发射装置、潜艇及UUV自身造成影响，另一方面要保证补水充足，不造成“空穴”，使UUV出管时能达到最低的航速要求。

自航发射时，UUV在发射管中的布局如图1所示，在管内启动UUV的动力装置，UUV靠螺旋桨的推力出管。UUV自航出管时螺旋桨的工作效率取决于补水的充足与否以及补水的方式，因此鱼雷发射管应具有较大的口径，才能保证充足的海水进入发射管后端，对管内进行有效补水，这是实现UUV自航所具备的前提条件。为保证艇外的海水能及时充足的进入鱼雷发射管，要求发射管的内径要比UUV的内径大。

如表1所示，美国的NMRS和LMRS型UUV直径为533 mm口径，在570 mm的鱼雷发射管上不适合533 mm口径UUV自航发射，参考文献[6]中对潜载无人水下航行器自航内弹道进行建模和仿真。当直径为533 mm的UUV装入鱼雷发射管后，与发射管之间只有很小的缝隙。当鱼雷发射管装入直径为533 mm的鱼雷时，会留出很小的间隙保证发射时鱼雷不被卡死，从而使鱼雷顺利出管。同理，如果在570 mm口径的鱼雷发射管进行直径533 mm UUV自航发射，其缝隙很小，不能形成有效的补水通道，阻力太大，无法进行自航发射。偶尔有操雷在发射管中启动后能游出发射管，因为操雷和战雷不同，一般其具有正浮力，意外启动后，通过发射管与鱼雷之间间隙不能进行有效补水，这种情况下鱼雷出管速度很慢。目前国内外的一些军用UUV具有微弱的正浮力，其浮力大小主要根据排水量设定，而UUV出管要保证一定航速的情况下，还需要选用大口径鱼雷发射管，才能保证发射过程中补水充足。文献[6]中利用400 mm，450 mm，500 mm，550 mm口径的无人水下航行器，在直径为570 mm的鱼雷发射管进行等截面鱼雷发射管自航布放过程中的阻力总和仿真分析，仿真结果表明当航行器口径大于500 mm以后，航行器的出管阻力明显增加，不适合采用自航方式进行布放。结果表明，可以在现役潜艇的鱼雷发射管自航布放口径为500 mm的UUV。

2 UUV自航出管内弹道模型

参考鱼雷自航的研究方法^{[7, 8]}，为简化计算，做出如下假设：1）采用定常假设求解UUV阻力、流体阻力；2）附加质量与理想流体中的运动时间取值相同；3）忽略行波阻力；4）假定无人水下航行器从开始运动起就处于紊流的流场中；5）UUV在发射管的导轨上运动，忽略其重力、浮力和流体动力对航行器姿态的影响；6）忽略UUV与导轨间的摩擦阻力。

文献[5]中干式自航发射装置内弹道建模与仿真，无人水下航行器在等截面鱼雷发射管进行受力分析，受力主要有主推进螺旋桨的推力、摩擦阻力和流体阻力，根据受力情况建立的无人水下航行器鱼雷管内运动方程为

${{{m}}_{{u}}} + {{\rm{\lambda }}_{\rm{i}}}\frac{{{\rm{d}}{{{v}}_{{u}}}}}{{{{\rm{d}}{t}}}} = {{{F}}_{{t}}} - {{{R}}_{{a}}} - {{{R}}_{{b}}} - {{{R}}_{{f}}} - {{{F}}_{{m}}} \text{。}$

(1)

式中：m_u为UUV质量，kg；λ_i为UUV轴上附连水的质量，kg；v_u为无人水下航行器速度，m/s；F_t为主推进螺旋桨推力的瞬时值，N；R_a为补水压差引起的阻力瞬时值，N；R_b为UUV运动时产生的运动阻力瞬时值，N；R_f为由鱼雷发射管内流体沿程损失引起的附加阻力瞬时值，N；F_m为鱼雷发射管内流体局部引起的附加阻力瞬时值，N。

3 UUV自航出管方法探究

对于自航发射来说，螺旋桨产生的推力大小主要取决于补水的效果，因此在鱼雷发射管中进行无人水下航行器的自航发射研究必须有效解决补水通道问题。

3.1 采用前端补水的自航发射方式

目前装备应用的自航式鱼雷发射管有2种，一种是以美国、日本为代表，采用等截面533 mm标准口径发射管，发射直径482 mm的小型鱼雷；一种是以德国、意大利为代表，采用专门的大口径、变截面发射管，发射标准的533 mm的鱼雷。后者代表了当今自航式发射管的较高水平和发展趋势。自航发射装置普遍采用大口径发射管前端补水方式以达到相应的出管速度，因此自航发射无人水下航行器首先要考虑前端补水的可能性。以ΓC-45型气动不平衡式发射装置为例，其发射管内径为570 mm，气密环和导轨镗孔内径为536+0.5 mm ，若自航发射直径为533 mm的无人水下航行器，仅仅靠前端补水自航发射，由于气密环作用，发射管与UUV之间的间隙不到1 cm，显然不能形成有效的补水通道。

国外资料对采用前端补水发射时的发射管内径的论述为“自航发射鱼雷发射管的内径一定要使水（发射时，水补进发射管，使鱼雷螺旋桨在其中运转）从发射管前端经过鱼雷周围（环形间隙）流进管里来^[10]”，同理自航发射UUV时，能否形成有效的补水通道是实现自航发射的前提。

3.2 采用后端自流补水的自航发射方式

既然单靠前端补水自航发射不能形成有效的补水通道，仅仅采用前端补水不可能实现自航发射^[11]。设想在发射管中启动动力系统，带动推进器工作，鱼雷前移导致的发射管内增大的空间通过水道进来的海水补充，从而实现补水。该文献实验结果表明采用后端自流补水自航发射鱼雷出管速度较低，而UUV自航出管的航速要求较低^[12]，文献中实验结果表明UUV在航行出发射管时，其航速大于最低的出管速度，满足自航出管条件。或设计一种对UUV转速约束装置，使螺旋桨达到额定转速时解除制动，能增加UUV的出管速度，实现自航发射。

如图2所示，在UUV自航发射的初始阶段，螺旋桨位于进水口的后端，此时螺旋桨泵水的方向与其补水的方向一致，UUV加速向前运动。当UUV向前运动越过进水口时，如图3所示，此时的补水方向与螺旋桨泵水方向相反，推进器的工作会降低鱼雷的运动速度。

3.3 采用有动力后端补水的自航发射方式

采用后端自流补水的自航发射UUV的出管速度偏低且管内运动的时间较长，设想利用液压平衡式发射管后端进水通道实现有动力补水，通过高压气瓶推动气缸活塞进而拉动水缸活塞，推动海水进入发射管后端。与后端自流补水的自航发射方式类似，采用有动力后端补水的自航发射方式，无人水下航行器在管中启动动力系统对其发射无益处，决定UUV出管速度的是海水进入发射管的流动速度，而推进器“泵水”方向与补水方向相反，从而增大后端补水的阻力，降低UUV出管速度。管内启动动力系统还可能使发射管的锈蚀部分导轨产生变形，可能导致UUV无法正常发射，影响任务的进行。无人水下航行器在管内启动会增大发射噪声，因为推进器启动增加了后端补水阻力，为保证出管速度则需要增加发射能量克服这部分阻力；无人水下航行器启动还会叠加噪声源，不利于保持潜艇的隐蔽性，反而增大了发射噪声，违背了自航发射的初衷。

4 结　语

UUV在未来的反潜水下信息战中将发挥重要的作用，加速研究和发展UUV将对建设我国海军至关重要^[13]。本文通过对无人水下航行器出管条件分析、内弹道模型建立，分析自航发射无人水下航行器的方法，前端补水和后端自流补水及采用有动力后端补水的自航发射方式都需要解决补水的问题，而采用有动力后端补水自航发射并不适用。大口径发射管是实现自航发射的必备条件，或者在533 mm口径的鱼雷发射管自航发射口径小于500 mm的鱼雷，才能保证补水充足，发射时保证UUV能安全出管。