非爆破柔性氣缸彈射器研究

柳忠彬， 肖守訥， 王歡

(1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031； 2.四川理工學(xué)院 機械工程學(xué)院, 四川 自貢 643000)

非爆破柔性氣缸彈射器研究

柳忠彬1，2， 肖守訥1， 王歡2

(1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031； 2.四川理工學(xué)院 機械工程學(xué)院, 四川 自貢 643000)

研究一種基于壓縮氣體靜音發(fā)射的柔性氣缸彈射器，實現(xiàn)了在約束且不爆破的情況下對彈射物變距離做功。通過彈射理論分析、仿真計算和實驗驗證相結(jié)合的方法，對柔性氣缸彈射器動力學(xué)特性進行研究。結(jié)果表明：柔性氣缸折疊壓縮、充氣展開彈射能實現(xiàn)對彈射物的發(fā)射，彈射過程無爆破現(xiàn)象；彈射器彈射能力受到柔性氣缸初始長度、柔性氣缸與彈射物的接觸面積、柔性氣缸壓力等因素的影響。在對不同初始長度柔性氣缸的彈射能力的研究中發(fā)現(xiàn)：柔性氣缸初始長度越長、折疊量越大，柔性氣缸展開彈射的作用距離就越大，彈射能力也就越強；通過4個φ1 000 mm×2 000 mm規(guī)格的柔性氣缸組在2 MPa壓力作用下彈射質(zhì)量60 t彈射物可產(chǎn)生4.6 MJ能量，可實現(xiàn)對大質(zhì)量物體的彈射。該研究成果對實現(xiàn)高壓氣體可控能量釋放與大質(zhì)量彈射技術(shù)研究具有參考意義。

飛行器試驗技術(shù)； 彈射器； 柔性壁; 氣缸; 壓縮空氣彈射

0 引言

彈射器以能量的提供和轉(zhuǎn)化為目的，目前常見的彈射器有燃氣式彈射裝置、壓縮空氣式彈射裝置、火藥式彈射裝置、液壓式彈射裝置、火箭式彈射裝置、彈簧式彈射裝置、飛輪式彈射裝置、電動式彈射裝置、蒸汽式彈射裝置和電磁式彈射裝置等[1-3]，其中應(yīng)用于美國新一代戰(zhàn)機的AVEL液壓彈射裝置就是一個典型的彈射器[4]，西北工業(yè)大學(xué)以高壓氮氣為動力源的內(nèi)置式彈射機構(gòu)[5-6]、浙江工業(yè)大學(xué)提出由高速液壓缸、活塞式蓄能器組成的液壓彈射機構(gòu)[7-9]、解放軍理工大學(xué)提出的NMOHEMS機載單元式氣動彈射[10]等都屬于壓縮式彈射。壓縮空氣式彈射、液壓式彈射是以剛性氣缸或液壓缸為約束器件，通過氣體、液體或汽液混合物高壓推動活塞做功，從而實現(xiàn)對彈射物的發(fā)射，具有能量大、控制精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但也存在設(shè)備笨重、綜合性能指標復(fù)雜、動作可靠性要求高、高壓氣缸制造工藝難度大等問題，其彈射能力受到剛性氣缸或液壓缸長度、口徑等因素的制約。

目前對于壓縮空氣能量釋放與做功過程的研究側(cè)重于壓縮氣體在剛性氣缸中進行，被彈射物位于剛性氣缸套筒內(nèi)，受到氣缸壁約束并在高壓氣體作用下沿缸體軸向移動而被彈射，被彈射物脫離氣缸后，氣缸內(nèi)高壓氣體被釋放出來，產(chǎn)生具大沖擊并伴隨音爆現(xiàn)象。本文提出一種壓縮氣體膨脹于折疊的柔性氣缸內(nèi)展開彈射的方法來解決大質(zhì)量物體的彈射問題。柔性氣缸與剛性氣缸不同，被彈射物置于柔性氣缸外，在彈射過程中柔性氣缸內(nèi)氣體不向外排出，沒有音爆現(xiàn)象，其彈射作用的距離來自于柔性氣缸的長度變化，此謂柔性氣缸的“非爆破”彈射。通過對現(xiàn)有氣囊作用方法的研究發(fā)現(xiàn)，大多對氣囊的研究側(cè)重于利用氣體在氣囊有限空間內(nèi)壓縮來吸收能量，而對于氣囊受壓展開推動做功過程的研究還有待探索。本文利用氣囊柔性邊界展開特性改變傳統(tǒng)氣缸壓縮空氣能量釋放條件，將剛性氣缸對高壓氣體的約束拓展到柔性氣缸動態(tài)可變邊界約束，以氣囊作為柔性氣缸，通過其柔性壁可變邊界增加氣缸長度，實現(xiàn)高壓氣體受氣缸約束且不釋放情況下彈射做功的技術(shù)方案，為大質(zhì)量、非爆破、靜音彈射提供研究和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 柔性氣缸彈射系統(tǒng)

1.1 柔性氣缸彈射工作原理

柔性氣缸展開彈射系統(tǒng)如圖1所示，主要由氣罐、進氣口、排氣口、氣壓計、柔性氣缸、彈射物、止擋構(gòu)成。

圖1 柔性氣缸展開彈射系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of flexible cylinder ejection system

其工作原理是：首先利用排氣口對氣罐及柔性氣缸內(nèi)氣體進行釋放，同時將可折疊柔性氣缸折疊壓縮于氣罐右側(cè)端部，彈射物與柔性氣缸右側(cè)端面緊靠，利用止擋鎖定彈射物并關(guān)閉排氣出口。再向柔性氣缸內(nèi)持續(xù)充入氣體，氣壓計達到一定值時，通過止擋釋放彈射物，彈射物被柔性氣缸推動發(fā)射。隨著柔性氣缸長度動態(tài)增加，推動力持續(xù)作用于彈射物，直到彈射物與柔性氣缸推動面脫離，此時停止向柔性氣缸內(nèi)充氣。在整個彈射過程中柔性氣缸沒有氣體的排出與爆破現(xiàn)象。柔性邊界氣缸做功的大小與柔性壁氣缸的當量作用面積、壓力及氣缸對彈射物的作用距離相關(guān)。

1.2 柔性氣缸加速能量方程

1.2.1 基本假設(shè)

在研究柔性氣缸彈射能力時作如下假設(shè)：

1)氣體被視為理想氣體；

2)柔性氣缸的展開為準靜態(tài)過程；

3)柔性氣缸內(nèi)氣體與氣缸外沒有熱量交換，忽略柔性氣缸進氣接口、柔性氣缸本身的空隙所產(chǎn)生的氣體泄漏。柔性氣缸的強度足夠，在整個過程中不會撕裂。

1.2.2 柔性氣缸展開作用能量方程

柔性氣缸彈射的充氣展開方式有3種：第一種是充入氣體，待缸內(nèi)的氣壓達到一定值后停止充入氣體，即恒氣體質(zhì)量展開(忽略氣體泄漏)；第二種是保持氣缸內(nèi)壓力值恒定的形式，即恒壓力充氣展開；第三種是通過流量控制閥，使充氣的進氣量恒定，即恒定進氣量充氣展開。第一種方式在氣缸展開時，會出現(xiàn)氣囊展開不完全的情況，第二種方式對進氣流量的控制要求高。從彈射測試實驗的實施考慮，為了便于控制，宜采用恒定進氣流量的方式。

柔性氣缸彈射在穩(wěn)定流量情況下以恒定充氣量向氣缸內(nèi)充氣。氣缸內(nèi)氣壓在氣缸展開過程中的計算分解為兩個過程：第一個過程視為在(0，t1)內(nèi)氣缸體積不變，充入氣體后，氣缸內(nèi)壓力增大到p1；第二個過程視為在(t1，t)內(nèi)氣體質(zhì)量恒定，不再充入氣體，氣缸展開體積增加到V，氣缸內(nèi)氣體壓強減小至p.p、V是t時刻在恒定進氣量的模式下氣缸內(nèi)的氣壓和體積。

1)假設(shè)氣體流入氣缸后氣缸體積不變?yōu)閂0，氣壓從p0增大至p1，流進氣缸的氣體體積為ΔV=Qt，p1的計算公式為

p1=p0+Δp,

(1)

(2)

(3)

式中：p0、V0分別為氣缸展開前的初始氣壓和體積；Q為流入氣缸的氣體流速；Ti為氣缸內(nèi)氣體溫度；ρ為氣體密度；M為氣體分子質(zhì)量；R為理想氣體常數(shù)。

2)壓力至增值p1時，釋放彈射物后，氣缸體積增加至V，壓力減小至p(這一階段假設(shè)是恒氣體質(zhì)量展開)，根據(jù)理想狀態(tài)方程有

(4)

V=V0+xS,

(5)

式中：x、p、V分別為t時刻氣缸展開長度、氣壓和體積；T1、T2為不同狀態(tài)的溫度；S為柔性氣缸端部的橫截面積(即是柔性氣缸與彈射物的接觸面積，由于柔性氣缸端部橫截面積在充氣變化過程中的變化很小可以忽略不計，認為接觸面積恒定)。

(6)

(7)

式中：μ為動摩擦系數(shù)；m為可移動物體的質(zhì)量；g為重力加速度；ttot為氣缸推動的總時間。

(7)式也可寫為

(8)

將(8)式兩邊對時間求2階導(dǎo)數(shù)得

(9)

p′1=Δp′,p″1=Δp″,

(10)

(11)

聯(lián)立(10)式、(11)式求得氣缸內(nèi)壓力函數(shù)p(t). 通過氣缸壓力函數(shù)求得柔性氣缸展開作用能量方程為

(12)

(13)

式中：v為t時刻彈射物的速度。

再由(13)式求得彈射物在各時刻的速度。

2 仿真分析與實驗研究

2.1 仿真分析

柔性氣缸可由多個基本氣缸單元串聯(lián)而成，圖2為3個單元氣缸串聯(lián)后得到的氣缸。氣缸推動模型中，y0為氣缸自由長度，yc為氣缸被壓縮過程中的長度，yd為氣缸在展開過程中的長度，ymax為氣缸在展開過程中的最長長度。

圖2 氣缸彈射狀態(tài)隨時間的變化Fig.2 Change of cylinder ejection state over time

氣缸固定在剛性墻壁上，彈射物簡化為一個質(zhì)量塊，只能沿Y方向移動。本文將柔性氣缸受壓展開彈射過程定義為在一定時間段內(nèi)氣缸展開作用的宏觀力學(xué)行為：0～t1時間段,在彈射物上施加外力壓縮氣缸，氣缸端部與彈射物之間產(chǎn)生接觸力，并鎖定彈射物，然后對氣缸進行充氣；t1～t2時間段,拆除作用在彈射物上的外力，氣缸推動彈射物沿Y方向加速移動；t2～t3時間段,氣缸已完全展開，停止充氣，彈射物在摩擦力的作用下減速移動。

2.2 柔性氣缸的充氣展開過程仿真

本文使用LS-PREPOST軟件建立柔性氣缸充氣展開彈射的有限元模型, 再生成K文件并通過LS-DYNA求解器進行求解。

建模時采用了CV法來描述柔性氣缸充氣受壓展開過程，用*SIMPLE-AIRBAG-MODEL定義充氣模型，氣缸的材料為*MAT_FABRIC. 柔性氣缸固定在氣罐上，氣罐簡化為剛性壁，其材料由*MAT_RIGID定義，剛性壁是固定不動的，應(yīng)限制其X、Y、Z方向的位移和轉(zhuǎn)動。彈射物同樣也簡化為剛體，除Y向位移外，其余5個自由度固定。柔性氣缸與剛體之間的接觸模型為點面接觸模型，用關(guān)鍵字*NODE_TO_SURFACE定義。

為在LS-DYNA中計算柔性氣缸彈射展開動力學(xué)過程，需要對彈射物、柔性氣缸等的彈性模量作出定義，系統(tǒng)仿真具體參數(shù)見表1.

表1 系統(tǒng)仿真材料參數(shù)

注：EA代表X方向，EB代表Y方向，EC代表Z方向；GAB代表X、Y方向，GBC代表Y、Z方向，GCA代表Z、Y方向；PRBA代表Y、X方向，PRCA代表Z、X方向，PRCB代表Z、Y方向。

柔性氣缸對彈射物的彈射作用與氣缸的結(jié)構(gòu)要素(如柔性氣缸作用于彈射物的距離y、柔性氣缸與彈射物之間的接觸面積S、柔性氣缸內(nèi)壓力p等)密切相關(guān)。設(shè)定進氣流量恒定，在充氣達到初始壓強0.8 MPa時釋放彈射物。仿真模型中，柔性氣缸的最大半徑為250 mm，原始長度為1 500 mm，彈射物受止檔的作用力通過在彈射物上施加大小恒定的止推力來模擬，柔性氣缸折疊壓縮后的長度由施加的止推力和充氣時柔性氣缸內(nèi)壓力大小共同決定。彈射物的質(zhì)量為100 kg，接觸面積為0.196 m2.

圖3中，圖3(a)為彈射物與柔性氣缸接觸。通過外加止推力作用于彈射物，使得彈射物反向壓縮氣缸，此為柔性氣缸的壓縮折疊過程，如圖3(b)所示。在外加止推力鎖定作用下增加柔性氣缸內(nèi)氣壓并達到要求值后，拆除止推力使得彈射物只受地面摩擦力和氣缸推動力，如圖3(c)所示。彈射物受到柔性氣缸推動力作用并沿Y方向(柔性氣缸展開方向)做加速直線運動直至氣缸完全展開，如圖3(d)、圖3(e)所示。圖3(f)反映出柔性氣缸與彈射物分離。

圖3 柔性氣缸壓縮折疊充氣展開彈射的形態(tài)Fig.3 The form of the flexible cylinder folding, compression, inflatable unfolding and catapulting

2.3 柔性氣缸彈射能量特征

圖4 不同長度柔性氣缸在Y方向的動能特性曲線Fig.4 Kinetic energy characteristic curves of flexible cylinders with different lengths in direction Y

彈射物在柔性氣缸展開彈射過程中的能量指標是首要的。彈射物獲得能量的大小與諸多因素有關(guān)，如作用距離、柔性氣缸內(nèi)的壓力大小、柔性氣缸與彈射物的接觸面積和展開形態(tài)等，其中作用距離、壓力大小、推動面積是關(guān)鍵因素。圖4為在充氣達到相同壓力、柔性氣缸與彈射物的接觸面積相同而初始長度不同的情況下，柔性氣缸在充氣展開過程中彈射物的動能特征曲線。曲線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為長柔性氣缸，中長柔性氣缸和短柔性氣缸動能的變化規(guī)律，長、中長和短柔性氣缸的長度比為3∶2∶1.

從圖4中可以看出，柔性氣缸初始長度增加對彈射物所獲得能量的影響是非常顯著的。在0.04 s 時，短柔性氣缸推動彈射物的能量為2 kJ，中長柔性氣缸推動彈射物的能量為6 kJ，長柔性氣缸推動彈射物的能量為12 kJ. 由此可看出長柔性氣缸展開推動的加速動力與短柔性氣缸和中長柔性氣缸相比，其加速度的大小及推動延續(xù)的時間長度顯然更為突出，顯示出柔性氣缸初始長度越長的氣缸，其推動能量越大。

2.4 柔性氣缸展開作用距離

柔性氣缸展開彈射過程中其柔性壁隨著氣壓膨脹而發(fā)生長度上的變化，柔性氣缸對氣體的約束作用沒有改變，其作為氣缸的推動作用依然存在并持續(xù)對彈射物產(chǎn)生推動力。

圖5為跟蹤不同長度柔性氣缸端部位置特征點(圖2中A、B、C點)，得到柔性壁氣缸展開的作用距離曲線。Ⅲ為短柔性氣缸端部特征點C的位移曲線，最大位移為0.08 m；Ⅱ為中長柔性氣缸端部特征點B的位移曲線，最大位移為0.15 m；Ⅰ為長柔性氣缸端部特征點A的位移曲線，最大位移為0.25 m；且在0.06 s后作用距離均維持不變。這說明在柔性氣缸展開過程中，柔性氣缸無氣體向外釋放，沒有出現(xiàn)爆破使得柔性氣缸失壓而喪失彈射作用。另外柔性氣缸端部位置特征點負向位移反映了柔性氣缸的折疊過程。從負向位移的大小可知，長柔性氣缸的折疊量最大(即柔性氣缸折疊壓縮的程度最大)，所以展開長度最長，與圖4中長柔性氣缸獲得的動能最大相對應(yīng)。上述推動展開距離隨柔性氣缸充氣達到的初始壓力和柔性氣缸長度而改變，反映出不同長度柔性氣缸在折疊充氣情況下的展開彈射能力差異較大，長度越長、折疊量越大，彈射能力越強。

圖5 柔性氣缸充氣展開的作用距離Fig.5 Pushing distance of flexible cylinder unfolding

2.5 彈射測試

柔性氣缸彈射測試系統(tǒng)由閥門、壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、電磁控制器、高速攝影儀、觸發(fā)控制器、1號安全閥、2號安全閥、計算機等組成(見圖6)。閥門用來控制氣體由空氣壓縮機進入高壓氣罐的流量和流速，1號安全閥用來控制高壓氣罐氣體的壓力。2號安全閥用來控制與氣缸相連的氣室內(nèi)氣體的壓力，當氣室內(nèi)壓力大于2號安全閥設(shè)定的閾值時，2號安全閥將自動排氣，直至氣室內(nèi)壓力低于設(shè)定值為止。另外，在進行氣缸展開彈射實驗時，為了避免氣缸長時間處于高壓狀態(tài)，當氣缸展開完成時，通過壓力表檢測氣缸內(nèi)壓力狀況，并通過觸發(fā)控制器控制2號安全閥自動打開釋放氣體壓力，直到氣缸內(nèi)壓力等于大氣壓力為止。

圖6 柔性氣缸彈射測試系統(tǒng)Fig.6 Flexible cylinder catapult test system

彈射物的側(cè)位安置了速度傳感器，其由兩個探測點構(gòu)成，檢測彈射物移動過程中通過此兩點的時間，由兩點之間的距離可推算出彈射物的速度；由COCO-90動態(tài)信號分析儀及三維加速度傳感器對氣缸移動過程中某一點上的X、Y、Z3個方向的加速度進行監(jiān)測。高速攝像機則主要用于檢測氣缸展開過程中氣缸的形態(tài)變化。電磁控制器是通過控制電磁吸附裝置對柔性氣缸進行壓縮，并對彈射物進行限位，當電磁控制器打開時，電磁吸附關(guān)閉，彈射物被釋放，在氣缸展開推動的作用下加速移動。壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、電磁控制器、高速攝影儀、觸發(fā)控制器、2號安全閥通過多路信號與計算機進行聯(lián)通，實現(xiàn)信號采集與控制。

圖7給出了彈射物質(zhì)量為100 kg情況下，通過仿真分析和實驗測試得出柔性氣缸在充氣達到不同初始壓力p1下的速度v分布。可知所提出的柔性氣缸自增長彈射驅(qū)動方法理論結(jié)果和實際結(jié)果相近，顯示仿真模型的正確合理性，可在此基礎(chǔ)上進行大質(zhì)量的彈射仿真分析。

圖7 在初始不同壓力下仿真和實驗的速度比較Fig.7 Comparison of experimental and simulated speeds at different initial pressures

2.6 大質(zhì)量彈射分析

如圖8(a)、圖8(b)所示，設(shè)計規(guī)格為φ1 000 mm×2 000 mm柔性氣缸按4×1并聯(lián)組合成彈射系統(tǒng)，考查其彈射能力。為簡化模型所建柔性氣缸為自然成形，沒有折疊，其折疊過程在彈射物反向壓縮過程中體現(xiàn)，彈射物質(zhì)量60 t，柔性氣缸壓力維持在2 MPa.

圖8 柔性氣缸組彈射系統(tǒng)Fig.8 Flexible cylinder group catapult system

在對上述柔性氣缸組進行仿真計算中，為了節(jié)約計算時間，首先對柔性氣缸組進行壓縮，然后直接釋放彈射物，通過柔性氣缸對其進行展開彈射，中間過程沒有停止。以下為柔性氣缸推動過程中彈射物位移、速度、加速度、動能等分析結(jié)果。

圖9～圖12中體現(xiàn)了柔性氣缸在壓縮折疊與展開彈射過程中，彈射物的位移、速度、加速度和動能隨時間變化的曲線。各圖中0.3 s的拐點為氣缸折疊壓縮程度最大狀態(tài)向開始彈射狀態(tài)轉(zhuǎn)變。圖9反映了柔性氣缸的折疊量為1.5 m. 圖10反映了彈射物在Y方向上的速度起伏較大，方向由負轉(zhuǎn)為正，但所獲得的能量為正，如圖12所示。另外，由于圖12所反映的是大質(zhì)量物體的彈射過程，在彈射作用時間上與小質(zhì)量彈射(見圖4)比較，彈射作用時間更長，能量更大，二者反映了相似的彈射規(guī)律。由

圖9 彈射物位移曲線Fig.9 Projectile displacement curve

圖10 彈射物速度曲線Fig.10 Curve of projectile velocity

圖11 彈射物加速度曲線Fig.11 Curve of projectile acceleration

圖12 彈射物在Y方向上的總動能曲線Fig.12 Total kinetic energy curve of ejection object in direction Y

圖9～圖12可知，采用4個φ1 000 mm×2 000 mm規(guī)格的柔性氣缸按4×1并列組合的彈射系統(tǒng)，在2 MPa壓力環(huán)境下能提供約4.6 MJ能量，能使60 t彈射物達到10 m/s的速度。

3 結(jié)論

本文為實現(xiàn)壓縮氣體靜音非爆破發(fā)射提出了柔性氣缸彈射器，實現(xiàn)高壓氣體在不爆破情況下對彈射物的變距離做功，通過對柔性氣缸彈射理論、仿真模型分析和實驗驗證，得出如下結(jié)論：

1) 柔性氣缸在壓縮折疊后充氣展開的彈射能力與其展開長度相關(guān)，若折疊壓縮越充分，彈射有效作用距離就越長。柔性氣缸初始長度越大，其彈射推動的加速度能力及推動作用持續(xù)的時間會變得更加突出，所產(chǎn)生的推動能量上升越明顯。且在仿真和實驗過程中柔性氣缸沒有出現(xiàn)壓縮氣缸爆破失效的現(xiàn)象。

2) 在相同彈射物質(zhì)量和充氣達到的不同初始壓力情況下，對柔性氣缸彈射性能進行的理論分析和實驗測試得出相近的彈射速度分布，表明本文所提出的柔性氣缸自增長彈射驅(qū)動方法是可行的。在一定的柔性氣缸初始長度、柔性氣缸與彈射物之間的接觸面積和初始充氣壓力下，可實現(xiàn)不同質(zhì)量彈射物的發(fā)射。以4個φ1 000 mm×2 000 mm規(guī)格柔性氣缸并列組合，并在2 MPa壓力作用下對60 t彈射物進行彈射仿真分析，結(jié)果顯示出該彈射系統(tǒng)能提供約4.6 MJ能量，可使60 t彈射物達到10 m/s的速度。柔性氣缸彈射器在折疊壓縮和一定大小的高壓氣體瞬間彈射條件下可獲得較好的加速度與能量。本文研究成果對實現(xiàn)高壓氣體可控能量釋放與大質(zhì)量彈射技術(shù)研究具有參考意義。

References)

[1] Kawashima N, Yamori A, Yanagisawa M, et al. Stable and reproducible production of high velocity projectile in ISAS railgun (HYPAC)[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1993, 29(1):431-434.

[2] 程剛,倪何,孫豐瑞.艦載蒸汽彈射系統(tǒng)建模與仿真研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版,2010,34(2):301-305. CHENG Gang, NI He, SUN Feng-rui. Modeling and simulation research on naval steam-power aircraft launch system[J]. Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science and Engineering, 2010,34(2):301-305. (in Chinese)

[3] 雪巴.五花八門的彈射器_美國海軍航母彈射飛行發(fā)展史[J].艦載武器,2007(4):60-68. XUE Ba. Gradual progress of carrier-based aircraft catapult in U.S. Navy[J]. Shipborne Weapons, 2007(4):60-68. (in Chinese)

[4] 趙偉. 液壓彈射機構(gòu)設(shè)計及其關(guān)鍵控制元件的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2013. ZHAO Wei. Design of hydraulic catapult mechanism andresearch on its key control components[D].Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2013.(in Chinese)

[5] 周建文.飛機導(dǎo)彈彈射系統(tǒng)動特性分析和仿真研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2004. ZHOU Jian-wen. The plane missile ejection system dynamic characteristic analysis and simulation study[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2004. (in Chinese)

[6] 盧立秀,湯軍社,門黨黨,等．導(dǎo)彈彈射機構(gòu)的建模與仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2008,28(5):29-31,40. LU Li-xiu, TANG Jun-she, MEN Dang-dang,et al. Modeling and simulation study of missile ejection mechanism[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2008,28(5):29-31,40. (in Chinese)

[7] 馬琳,俞浙青,阮健.氣液快速動作機構(gòu)設(shè)計及其動態(tài)特性研究[J].機床與液壓,2010,38(5):84-86. MA Lin, YU Zhe-qing, RUAN Jian. Design on gas-liquid fast-action mechanism and study on its dynamic characteristics [J]. Machine Tool and Hydraulics, 2010,38(5):84-86. (in Chinese)

[8] 馬琳.氣液彈射機構(gòu)設(shè)計及動態(tài)特性研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2009. MA Lin. Study on gas-liquid ejection launcher design and dynamic characteristics[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2009.(Chinese)

[9] 劉乃新.氣液彈射機構(gòu)的設(shè)計及關(guān)鍵控制元件的研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2009. LIU Nai-xin. Designing of gas-liquid ejection mechanism & investigation of the key control component [D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2009.(in Chinese)

[10] 王曉蕾,翁興國,葉松,等. NMOHEMS機載單元氣動彈射模型研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,2014,26(4):920-925. WANG Xiao-lei, WENG Xing-guo, YE Song, et al. Research of pneumatic ejection model of NMOHENS’airborne units[J].Journal of System Simulation, 2014,26(4):920-925. (in Chinese)

Research on Non-blasting Flexible Cylinder Launcher

LIU Zhong-bin1，2， XIAO Shou-ne1， WANG Huan2

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan， China;2.School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, Sichuan， China)

A flexible cylinder launcher based on compressed gas mute launch was developed in order to realize to do work in changing distance to ejection object in the case of constraint and non-blasting. The dynamic characteristics of flexible cylinder launcher is studied through the analysis of catapult theory, simulation calculation and experimental verification. Results indicate that the flexible cylinder launcher can catapult the projectiles when it is folded, compressed, inflated and unfolded, and no blasting phenomenon exists during catapulting. The catapult ability of launcher is affected by the initial length of the flexible cylinder, the contact area of flexible cylinder and projectile, the pressure in flexible cylinder and other factors. The catapult ability of flexible cylinder with different initial lengths is researched. It is found that the longer the initial length is, and the more the fold number of flexible cylinder is, the longer the its catapult distance is, and the stronger its catapult ability is. Under the action of the pressure 2 MPa, aφ1 000 mm×2 000 mm four flexible cylinder group which catapults a 60 t projectile can produce 4.6 MJ energy. It reflects that flexible cylinder launcher can realize to catapult large mass object.

experimental technology of aerocraft; launcher; flexible wall; cylinder; compressed air catapult

2016-07-20

牽引動力國家重點實驗室開放基金項目(TPL1405)； 四川理工學(xué)院人才引進項目(2016RCL23)

肖守訥(1964—)，男，研究員。E-mail:snxiao@home.swjtu.edu.cn

柳忠彬(1972—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:172232288@qq.com

V216.5+5

A

1000-1093(2017)02-0389-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.025