新型冷氣彈射式發(fā)射裝置分離速度穩(wěn)定性研究

摘 要：針對(duì)新型冷氣彈射式發(fā)射裝裝置彈射分離參數(shù)受高壓冷氣壓力的影響較大問題，文章通過對(duì)不同溫度條件下懸掛物分離速度受氣瓶壓力和流通面積的影響進(jìn)行分析計(jì)算，形成典型氣瓶壓力受流通面積影響的等速曲線圖，采用圖像法進(jìn)行了曲線分段擬合。在等速曲線分段擬合的基礎(chǔ)上，進(jìn)行彈射式發(fā)射裝裝置彈射分離速度穩(wěn)定性的原理設(shè)計(jì)，為新型彈射發(fā)射裝置及同類懸掛裝置對(duì)懸掛物彈射分離速度穩(wěn)定性控制提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：冷氣；彈射式發(fā)射裝置；分離速度；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TJ760.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）20-0038-03

彈射式發(fā)射裝置是指用來懸掛、運(yùn)載和彈射分離懸掛物的機(jī)載設(shè)備，是載機(jī)懸掛裝置的一種，在導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火之前，利用彈射能源產(chǎn)生的瞬間彈射力將導(dǎo)彈彈離載機(jī)。通過彈射式發(fā)射裝置能將導(dǎo)彈安裝在機(jī)內(nèi)或干擾流場(chǎng)作用較大的武器掛點(diǎn)上。同時(shí)可以避免導(dǎo)彈尾噴流對(duì)載機(jī)的侵蝕影響。

隨著彈射式發(fā)射裝置的大面積應(yīng)用，采用拋放彈作為彈射式發(fā)射裝置的彈射作動(dòng)能源，其本身電爆不完全燃燒的特性和化學(xué)殘留對(duì)懸掛裝置的影響逐漸引起重視，拋放彈點(diǎn)燃后產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕、殘?jiān)仍黾恿藨覓煅b置的使用維護(hù)要求，降低了懸掛裝置的性能、縮短了懸掛裝置的壽命，此外拋放彈還涉及到相關(guān)的儲(chǔ)存、保管、損耗和廢舊處理等過程，進(jìn)而引發(fā)懸掛裝置全壽命使用維護(hù)費(fèi)用的增加。

20世紀(jì)80年代在美空軍的資助下，EDO公司成功地演示驗(yàn)證了非拋放彈彈射作動(dòng)懸掛裝置免維護(hù)效果。全氣體作動(dòng)的炸彈架和導(dǎo)彈彈射架項(xiàng)目也在美空軍裝備實(shí)驗(yàn)室成功驗(yàn)證，懸掛裝置進(jìn)入潔凈彈射作動(dòng)能源時(shí)代，采用潔凈彈射作動(dòng)能源的彈射發(fā)射裝置得以不斷的發(fā)展。

隨著高壓冷氣作動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步研究應(yīng)用，高壓冷氣壓強(qiáng)隨溫度大范圍變化，從而影響懸掛物分離參數(shù)及分離姿態(tài)的穩(wěn)定性的特點(diǎn)成為影響高壓冷氣作動(dòng)技術(shù)深入推廣的重要因素。本文從彈射發(fā)射裝置采用高壓冷氣為彈射作動(dòng)能源入手，開展彈射作動(dòng)能源環(huán)境溫度影響、彈射分離速度穩(wěn)定性等問題的研究，試圖尋找一種控制彈射發(fā)射裝置懸掛分離速度穩(wěn)定性的有效方法，為懸掛裝置的配套研制提供解決途徑。

1 環(huán)境溫度與高壓氣體壓力關(guān)系

1.1 真實(shí)氣體狀態(tài)方程

真實(shí)氣體只是在溫度不太低，壓力不太高的條件下，才能遵守理想氣體的狀態(tài)方程。理想氣體方程應(yīng)用到真實(shí)氣體，必須考慮到真實(shí)氣體的特征，予以必要的修正。范德瓦爾斯方程是1873年荷蘭物理學(xué)家范德瓦爾斯（van der Waals）在對(duì)理想氣體兩條基本假定（忽略分子固有體積、忽略除碰撞外的分子間相互作用力）分別做出兩條重要修正后得到的，能描述真實(shí)氣體行為的物態(tài)方程。

1.2 試驗(yàn)對(duì)比

為進(jìn)一步確認(rèn)氣體方程計(jì)算值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)值的符合性，在初始溫度為20℃，懸掛裝置充氣20 MPa，進(jìn)行壓力隨溫度變化值測(cè)量。由測(cè)量數(shù)據(jù)可看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與范德瓦爾斯方程計(jì)算結(jié)果符合程度較高（圖1），因此本文以下壓力隨溫度變化數(shù)據(jù)均采用范德瓦爾斯方程進(jìn)行計(jì)算求解。

2 彈射分離速度穩(wěn)定性分析

2.1 彈射分離速度穩(wěn)定性要求及解決途徑

本文以某新型彈射發(fā)射裝置為例，使用環(huán)境溫度為-55℃～+70℃，標(biāo)準(zhǔn)條件下（+25℃～+35℃）彈射發(fā)射裝置作動(dòng)能源壓力為28 MPa。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在該型彈射發(fā)射裝置全溫度工作范圍內(nèi)，其彈射作動(dòng)能源壓力從16～20 MPa變化到38～42 MPa，對(duì)應(yīng)的懸掛物彈射分離速度也從7.6 m/s變化到11.2 m/s，懸掛物在彈射分離時(shí)的動(dòng)能相差近1倍。由于懸掛物彈射分離過程的作用時(shí)間小于200 ms，作用時(shí)間短，作用力大，如何有效控制懸掛物的彈射分離速度偏差，提高懸掛物的分離姿態(tài)穩(wěn)定性，成為該新型彈射發(fā)射裝置設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

彈射發(fā)射裝置的冷氣作動(dòng)系統(tǒng)采用電磁閥進(jìn)行彈射作動(dòng)能源的釋放控制，氣體流量受電磁閥通徑影響，通常電磁閥的通徑是定值，不隨溫度—壓強(qiáng)變化，如圖2所示。

若想在不同的壓力下，獲得近似相同的彈射分離速度，可通過改變電磁閥的開關(guān)時(shí)間和控制電磁閥通徑的方法來實(shí)現(xiàn)。電磁閥的開關(guān)時(shí)間控制環(huán)節(jié)較多，系統(tǒng)誤差較大，電磁閥的控制環(huán)節(jié)和實(shí)現(xiàn)效果誤差較大，不宜采用實(shí)現(xiàn)。下面就采用控制電磁閥通徑隨壓力變化的方法，來達(dá)到控制懸掛物分離速度的穩(wěn)定進(jìn)行分析研究。

2.2 溫度壓力與彈射系統(tǒng)流通面積的關(guān)系

本文采用AMEsim軟件進(jìn)行彈射系統(tǒng)仿真建模，系統(tǒng)原理見圖2所示。以7.6 m/s為懸掛物的分離速度設(shè)計(jì)低限，以8.3 m/s為懸掛物的分離速度設(shè)計(jì)高限，進(jìn)行-55℃～+70℃全溫度范圍彈射發(fā)射裝置彈射作動(dòng)壓力和流通面積關(guān)系計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，兩條速度曲線在氣瓶壓力小于28 MPa時(shí)，彈射作動(dòng)壓力變化引起彈射系統(tǒng)有效流通面積變化較大；當(dāng)氣瓶壓力大于28 MPa時(shí)，隨著彈射作動(dòng)壓力變化引起彈射系統(tǒng)有效流通面積變化較小。由此可采取分段控制的措施，進(jìn)行彈射分離速度的近似擬合，以確保各種溫度壓力條件下彈射發(fā)射裝置彈射分離速度的相對(duì)穩(wěn)定性。

2.3 速度曲線擬合

采用直線擬合方式進(jìn)行函數(shù)曲線的擬合，具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，所以針對(duì)圖3曲線，下文擬采用直線分段擬合的形式來保證不同壓力條件下彈射作動(dòng)系統(tǒng)流通面積的實(shí)時(shí)變化。

當(dāng)彈射作動(dòng)壓力大于28 MPa時(shí)，隨著彈射作動(dòng)壓力變化彈射系統(tǒng)有效流通面積變化較小，此段曲線可采用平直直線進(jìn)行擬合，就是采取確定的流通面積的方式，確保適配溫度和壓力條件下懸掛物彈射分離速度在確定速度范圍內(nèi)。

彈射作動(dòng)壓力小于28 MPa時(shí)，隨著壓力變化彈射系統(tǒng)有效流通面積變化較大，所以在壓力小于28 MPa的曲線部分，采用大斜率直線進(jìn)行擬合，使大斜率直線落在速度上下限曲線之間。最后調(diào)整大斜率擬合段直線和平直段擬合段直線，形成連續(xù)的線段，即為彈射發(fā)射裝置彈射作動(dòng)系統(tǒng)流通面積隨壓力變化的參考設(shè)計(jì)線，如圖4所示。

3 典型等速曲線擬合的原理實(shí)現(xiàn)及計(jì)算

3.1 原理實(shí)現(xiàn)

分析圖4典型等速曲線平直段擬合+大斜率段擬合，平直段擬合的物理實(shí)現(xiàn)為彈射發(fā)射裝置作動(dòng)能源在高壓強(qiáng)下的固定流通面積，大斜率段擬合的物理實(shí)現(xiàn)為類似y=k×x函數(shù)特性的結(jié)構(gòu)形式。彈簧的函數(shù)為F=k×x，為作用力和作用距離的關(guān)系函數(shù)，與大斜率段擬合直線函數(shù)y=k×x相似，調(diào)整兩函數(shù)關(guān)系，形成如圖5擬合后彈射發(fā)射裝置的冷氣作動(dòng)系統(tǒng)原理圖。

3.2 仿真分析

采用AMEsim軟件對(duì)擬合后彈射發(fā)射裝置的冷氣作動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行42 MPa彈射作動(dòng)壓力時(shí)彈射發(fā)射裝置對(duì)懸掛物彈射分離速度的穩(wěn)定性計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，等速曲線擬合控制部件在系統(tǒng)作動(dòng)瞬間彈射系統(tǒng)有效流通面積從31.4 mm2變化到35.2 mm2，如圖6所示；懸掛物分離速度基本穩(wěn)定在8.23 m/s左右，如圖7所示，小于原彈射作動(dòng)壓力42 MPa時(shí)彈射發(fā)射裝置對(duì)懸掛物彈射分離速度11.2 m/s，與擬合曲線設(shè)定速度上限8.3 m/s接近。

通過以上計(jì)算，擬合后的彈射發(fā)射裝置冷氣作動(dòng)系統(tǒng)原理，可以起到穩(wěn)定的作用，達(dá)到穩(wěn)定彈射發(fā)射裝置對(duì)懸掛物彈射分離速度的目的。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)不同溫度條件下，彈射發(fā)射裝置對(duì)懸掛物分離速度設(shè)計(jì)低限和設(shè)計(jì)高限設(shè)定，對(duì)彈射發(fā)射裝置彈射作動(dòng)壓力受流通面積大小的影響進(jìn)行分析計(jì)算，形成彈射發(fā)射裝置彈射作動(dòng)壓力與流通面積大小變化的典型等速曲線趨勢(shì)圖，采用圖像法進(jìn)行了曲線分段擬合；在等速曲線分段擬合的基礎(chǔ)上，形成彈射發(fā)射裝置彈射系統(tǒng)分離速度穩(wěn)定性工作原理，并進(jìn)行最大作動(dòng)壓力下彈射發(fā)射裝置對(duì)懸掛物彈射分離速度穩(wěn)定性仿真計(jì)算。

通過對(duì)該彈射發(fā)射裝置彈射系統(tǒng)典型等速曲線擬合和對(duì)懸掛物彈射分離速度穩(wěn)定性仿真計(jì)算，結(jié)果表明該等速擬合方法能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定彈射發(fā)射裝置對(duì)懸掛物彈射分離速度的目的，為新型彈射發(fā)射裝置及同類懸掛裝置對(duì)懸掛物彈射分離速度穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供實(shí)現(xiàn)途徑。

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