0 引　言

水下无人作战系统是海军作战体系的重要组成部分，具有造价低廉、使用灵活、隐蔽性强等特点，可承担侦察、监测、攻击等多样化作战任务，其中部分负载需要搭载在水下无人航行器等作业平台，在执行任务时通过发射装置将负载弹射出去。受搭载平台续航能力、布置空间、机动性等限制，水下发射装置应满足轻量化、小尺寸、低保障等要求^[1]。

水下发射装置可用于鱼雷、小型UUV等有效负载的发射。其发射方式大体上可分为自航式发射装置、气动不平衡式发射、水压平衡式发射、气动冲压式发射和电磁式发射等^[2-3]。

针对发射装置轻量化及承受海水压力的要求，本文选用水压平衡式发射，避免发射装置整体密封而重量大的问题。采用绳索式气缸作为弹射动力，提出水下弹射与解锁一体化设计思路，降低了平台保障，简化了负载发射流程，提高了发射反应速度，为水下无人平台弹射负载奠定了技术基础。

本文介绍弹射与解锁一体化发射装置的总体结构，对锁定机构进行详细设计，并在AMESim环境下建立绳索式气缸及解锁气缸的仿真模型，验证了解锁气缸结构参数与一体化设计的一致性，实现了先解锁后弹射负载的时序匹配。最后，对解锁气缸的结构特性参数对解锁时间的影响进行综合分析，为水下无人系统负载弹射和解锁一体化设计及应用提供理论指导。

1 结构设计 1.1 总体结构

本文的水下发射装置根据水压平衡式发射原理，发射过程中负载的前后不存在海水压差，有利于保持不同发射深度的发射内弹道稳定性。某发射装置主要由固定架、绳索式气缸^[4]、锁定机构、气管等结构组成，其中固定架采用透水栅格结构，能够保证负载在弹射过程中周围区域的水流畅通，防止负压产生；绳索式气缸主要由缸筒、活塞、滑轮组、绳索、推力滑块、缓冲块、储气瓶等结构组成，采用绳索式气缸可减小发射装置的轴向尺寸，同时有效降低了发射装置的重量。锁定机构与负载的导向块进行配合，当负载装填到位后，锁定机构挡住导向块前进的通道，实现负载的锁定。水下发射装置简图如图1所示，绳索式气缸的结构如图2所示。

1.2 锁定机构

锁定机构主要用于负载的固定，防止负载在平台航行过程中意外向前移动。其主要有解锁气缸、气缸底座、滚动轴承、防护罩、弹簧、解锁销、安装基座等组成，锁定机构如图3所示，解锁气缸如图4所示。为减少解锁过程中摩擦力，选用滚动轴承与解锁销进行配合；防护罩两侧设置导向槽，保证解锁销上下运动过程顺畅；解锁销顶部设置施力杆，在装配过程中通过施力杆压缩弹簧，为滚动轴承让出空间。

解锁气缸采用单作用气缸，为防止深水水压作用下活塞杆意外回收，复位弹簧的初始预紧力大于最大水深作用到活塞杆上的力。

为提高水下密封的可靠性，气缸无杆腔设计为足够大的封闭空腔体，提高气缸可靠性的同时，减小气缸回收过程中背压，提高回收速度。在气缸尾部设置可拆卸排气堵头，在装置复位时，及时泄放无杆腔的压力。

为减小活塞及活塞杆在运动过程的摩擦力，气缸内所有动密封均选用O形圈密封，同时增加了润滑脂注油槽，气缸装配前注满润滑脂。

为缩短解锁时间，解锁销与滚动轴承接触面为斜面，确保活塞杆带动滚动轴承回收过程中，解锁销同步被弹簧弹起，即活塞杆回收到位时，解锁销完成解锁动作。

2 工作原理

其主要工作原理如下：动力系统点火后，高压燃气进入进气口，一路进入绳索式气缸，一路通过气管进入解锁气缸。由于解锁气缸完成回收动作需要的气压较低，解锁气缸压缩弹簧及封闭腔体内空气，首先完成回收动作，解锁销在弹簧作用下弹起，为负载的导向块向前运行让出通道，完成解锁动作，解锁过程时序如图5所示。此时绳索式气缸压力完成建立，活塞在燃气压力的作用下以一定速度向前运行，同时通过绳索沿着滑轮组牵引推力滑块前活塞的反方向运行，弹射负载在推力滑块的推动下，以一定速度向前运行，直至推力滑块被缓冲块阻挡住，弹射负载已一定速度离开装置，完成弹射。

3 仿真模型建立

本文利用AMESim软件设计水下发射与解锁一体化仿真模型，其中包含气源输入模块、绳索式气缸、解锁气缸和水阻力模块，仿真模型如图6所示，并根据实际样机尺寸对其配置相应的结构参数，仿真模型的参数如表1所示。在建模过程中进行以下几点简化：

1）将燃气的详细组分简化为空气，并将空气视为理想气体；

2）忽略气体在气缸缸筒内流动过程的变化及热量损失；

3）忽略气体温度对缸内压力的影响；

4）忽略锁定机构解锁过程滚动轴承与解锁销间的摩擦；

5）忽略解锁销被弹簧弹起过程的时间。

绳索气缸的模型在文献[5]中已经过试验值与仿真值的对比，最大偏差为5.7%，能够准确预测装置的弹射特性。

按照结构设计对仿真模型初始参数设置后进行仿真，由图7和图8可看出，动力系统点火后产生的高压气体，同时驱动解锁气缸和负载，在0.05 s解锁气缸活塞杆完全回收（回收行程为20 mm），完成解锁动作，此时负载的位移为0；在0.1 s时，负载的位移量达到0.1 mm，说明该结构参数满足负载弹射和解锁一体化设计，同时实现了先解锁后弹射负载的时序匹配性。

4 解锁气缸特性对解锁时间影响分析

为保证负载弹射与气缸解锁过程时序性，在设计过程中首要确保解锁气缸能够快速完全回收。首先在安装空间及结构允许范围内选用最短的行程，其次影响气缸回收的因素主要有：气缸缸径、弹簧初始预紧力、气缸封闭腔容积等，本文主要针对以上3个因素变化对气缸解锁时间进行分析，同时结合安装空间限制，给出合理设计建议。

4.1 安全解锁时间分析

由于整个弹射过程中，动力系统提供解锁的燃气量相对弹射负载可以忽略，故在限定的时间内解锁气缸完成解锁就可以保证负载安全弹射。

解锁销与安装基座的孔为间隙配合，周向预留0.1 mm的活动空间。由图9可以看出，解锁气缸在0.1 s内完成解锁，即可及时让开负载运动的通道，能够确保弹射安全。

4.2 气缸缸径对解锁时间影响

由图10可知，在允许选择的参数范围内，随解锁气缸缸径的增加，气缸活塞行程到位（即完全解锁）的时间越短。由理想气体方程：pV=nRT可知，缸径越小，解锁过程背压腔被压缩的体积越小，解锁过程背压腔压力升高较快，同样压力的燃气推动活塞时，活塞的加速度小，故解锁时间长。当缸径过小时，背压腔压力会阶段性升高至与燃气无法推动，导致活塞爬行式前进，无法满足安全解锁要求。因此，气缸缸径在允许范围内尽量取上限。

4.3 弹簧初始预紧力

为抵消海水作用在活塞杆端面的力，防止活塞杆意外回收、解锁，复位弹簧的初始预紧力大于最大水深作用到活塞杆上的力，需要≥400 N。由图11可知，随着弹簧预紧力的增加，气缸的解锁时间越长，这是因为同样压力的燃气推动活塞时，弹簧预紧力越大，活塞的加速度小，故解锁时间长。因此，复位弹簧预紧力在允许范围内尽量取下限。

4.4 气缸封闭腔容积

由理想气体方程：pV=nRT可知，在解锁过程中，气缸封闭腔的容积，影响背压腔的压力，当封闭腔过小时，背压腔压力会阶段性升高至与燃气无法推动，导致活塞爬行式前进，无法满足安全解锁要求。由图12和图13可知，在允许选择的参数范围内，不同的封闭腔容积对解锁时间影响较小，解锁过程中背压腔压力升高率最高5.6%、最低2%，均满足解锁时间要求。因此，气缸封闭腔容积在允许的范围内，结合布置空间适当选取。

5 结　语

本文设计一种水下弹射与解锁一体化发射装置的低保障锁定机构，简化了负载发射流程，提高了发射反应速度，实现了发射装置小型化、轻量化及低保障等要求。利用AMESim软件建立仿真模型，验证了解锁气缸结构参数与一体化设计的一致性，实现了先解锁后弹射的时序匹配，并对解锁气缸的气缸缸径、弹簧初始预紧力、气缸封闭腔容积等特性对解锁时间的影响进行了分析，为弹射与解锁一体化设计提供理论指导。