某型車載速射迫擊炮空投著陸安全性研究

周默涵，狄長春，楊玉良，霍瑞坤,2

(1.軍械工程學院，河北 石家莊 050003；2.中國人民解放軍95900部隊，河南 開封 475000)

空投作戰(zhàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的作戰(zhàn)形式，重裝空投又是空投作戰(zhàn)的關鍵技術難點。武器裝備在500～1 000 m的高空利用降落傘空投到指定區(qū)域，著陸速度可達6～8 m/s，而依靠氣囊的著陸緩沖過程通常不超過0.3 s，這就導致著陸過程中武器裝備要承受高過載(通常達到10～20g)，遇惡劣著陸條件甚至可能導致翻覆，嚴重影響作戰(zhàn)效率。目前，國內外對空投裝備著陸穩(wěn)定性開展了大量研究，裝甲兵工程學院的李建陽、王紅巖等人利用響應面法對裝備著陸環(huán)境適應性作了評估，南京理工大學的唐曉慧、錢林方等人運用接觸分析方法求解得出著陸最終的姿態(tài)與速度，湖南大學的龍鋁波建立了著陸過程動力學模型并采用修正的穩(wěn)定錐角法對著陸穩(wěn)定性進行了描述[1-3]。

某型車載速射迫擊炮裝備空降兵部隊，由于滿載彈藥空投會導致全炮質心偏后偏高，影響空投著陸穩(wěn)定性，筆者基于ADAMS動力學分析軟件建立了某型車載速射迫擊炮的著陸緩沖系統(tǒng)動力學模型，重點分析了空載和滿載彈藥兩種工況對著陸穩(wěn)定性的影響；并對車身沖擊過載進行了計算，對懸架安全進行了校核。

1 動力學理論分析

對于多剛體系統(tǒng)動力學問題，ADAMS軟件能夠根據(jù)機械系統(tǒng)模型，對每個剛體列出6個廣義坐標的拉格朗日方程及相應的約束方程進行求解：

(1)

Φi=0，i=1,2,…,m

(2)

對于空投車載速射迫擊炮，整個裝備傘投著陸系統(tǒng)如圖1所示，裝備系留在貨臺上，貨臺底部對稱連接6個排氣型氣囊，著陸時起到緩沖作用。

以此系統(tǒng)為研究對象，其動力學模型簡化如圖2所示。

此系統(tǒng)包括懸掛質量、非懸掛質量、貨臺以及地面。懸架具有剛度和阻尼特性，由于粘彈性輪胎中只有少量阻尼，因此這里只以一個簡單彈簧代替。Fh為氣囊對貨臺的緩沖力，是一個時變力，由對氣囊的有限元仿真計算得出，z1、z2、z3分別表示懸掛質量、非懸掛質量和貨臺在慣性坐標系中的位移。

緩沖過程開始之前，系統(tǒng)處于失重狀態(tài)，緩沖過程開始后，F(xiàn)h開始作用，緩沖系統(tǒng)開始振動，由牛頓第二定律可得出緩沖系統(tǒng)振動微分方程：

(3)

事實上，由于裝備牢牢系緊在貨臺上，裝備在縱向產(chǎn)生的相對于貨臺的位移不可能超出平衡位置，同時，輪胎與貨臺的彈性碰撞也不可能產(chǎn)生拉力，所以此動力學模型僅僅局限于整個系統(tǒng)首次緩沖的狀態(tài)，即只考慮第1次沖擊。在實際空投過程中，過載失效與側翻往往也發(fā)生于第1次沖擊過程中。

2 裝備傘投著陸系統(tǒng)模型建立

2.1 車載速射迫擊炮空投虛擬樣機建立

某型車載速射迫擊炮主要由底盤系統(tǒng)和火力系統(tǒng)組成。底盤采用東風EQ2050A型4×4軍用越野車底盤，使用雙橫臂獨立懸架，其具有質量小、體積小、四輪驅動越野性能好的特點?；鹆ο到y(tǒng)包含帶炮身的自動機、平衡機、上架、高低機、方向機、車廂本體、座圈、瞄準手裝填手座椅、彈夾箱等。其中彈夾箱分為2個，在車廂內的位置如圖3所示。

彈夾箱1安裝在車廂本體后側，彈夾箱2安裝在車廂本體右側，整體位置偏后偏上。為簡化計算，降低建模難度，在建模過程中忽略對仿真結果影響不大的行軍防雨棚、尾框、可拆卸的駕駛室篷布蓬桿與擋風玻璃等。

貨臺使用投物-16空投系統(tǒng)的標準貨臺，該系統(tǒng)為通用空投系統(tǒng)，主要用于空投質量2 000～7 300 kg的武器裝備和物資，如傘兵突擊車、吉普車等。系統(tǒng)中標準貨臺質量為1 110±30 kg，為簡化計算，將貨臺建立為剛性薄長方體。

2.2 參數(shù)設置

對各部件采用用戶輸入的方式定義質量，以車頭朝向為z軸正向，豎直方向為y軸，車左側為x軸正向，在ADAMS中計算出質心位置：(-3.2，980.2，-670.1)mm，發(fā)現(xiàn)全炮質心本身就偏后，與幾何中心存在較大偏差[4]。

對各部件添加約束，由于火力系統(tǒng)配備有高低行軍固定器與方向行軍固定器，因此可以將火力系統(tǒng)視為一個整體，直接以固定副連接。輪胎與貨臺之間采用碰撞接觸力模型，輪胎剛度參考同類產(chǎn)品取k=1 408 N/mm。懸掛系統(tǒng)中，前后懸架性能不同，參考同類產(chǎn)品，前懸架剛度取k1=200 N/mm，后懸架剛度取k2=380 N/mm，預載荷均為10 kN。

2.3 緩沖氣囊作用力模型

模型中氣囊對貨臺產(chǎn)生的緩沖力是一個隨時間變化的力，在有限元分析中根據(jù)對稱原理對單獨的氣囊進行仿真計算，得出氣囊與貨臺的接觸力如圖4所示。

將圖4中的數(shù)據(jù)使用試驗數(shù)據(jù)的格式導入到ADAMS中，生成樣條曲線SPLINE_1，在貨臺底部原氣囊連接處中心位置添加標記點，一共6個標記點，將緩沖力添加到標記點上并設定為隨貨臺運動。這里借助AKISPL函數(shù)來實現(xiàn)緩沖力的添加，其函數(shù)表達式為AKISPL( time, 0,SPLINE_1, 0)。

AKISPL函數(shù)的作用是將曲線轉換為數(shù)值，其格式為AKISPL(1st_Indep_Var,2nd_Indep_Var, Spline_Name, Deriv_Order)，其中，1st_Indep_Var為第1自變量，2nd_Indep_Var為第2自變量，Spline_Name為曲線名稱，Deriv_Order為導數(shù)階數(shù)，這里取0。這樣就實現(xiàn)了氣囊緩沖作用力的添加。最后建立完成的車載速射迫擊炮空投緩沖系統(tǒng)動力學模型如圖5所示。

2.4 模型準確性校核

對于建立的某型車載速射迫擊炮虛擬樣機模型，需要對其進行準確性的校核與驗證，校核與驗證的對象主要為其動力學特性，在此基礎上的空投緩沖動力學分析才有研究價值與實際意義。參考某型車載速射迫擊炮的車身穩(wěn)定性試驗，在車身側面施加100 N的沖擊力，測量車身在z軸方向的傾角，將仿真結果與試驗數(shù)據(jù)進行對比。

仿真模型中沖擊力以2個STEP函數(shù)作差的形式實現(xiàn)，其函數(shù)表達式為STEP(time,1,0,1.1,100)-STEP( time,1.1, 0, 1.2, 100)。

STEP階躍函數(shù)的格式為STEP(x,x0,h0,x1,h1)，其中x為橫坐標，x0為起點坐標，x1為終點坐標，h0和h1分別表示初始函數(shù)值和終點函數(shù)值。

仿真分析得出車身傾角如圖6所示。

從圖6中可以得到車身在側面受到?jīng)_擊的情況下z軸方向上的最大傾角為0.707 mrad，仿真與試驗結果對比如表1所示，最大傾角誤差為6.2%?；趯Ρ刃：?，可以判定車載速射迫擊炮虛擬樣機模型準確，具有較高的可信度與研究價值，其動力學特性滿足進一步的空投緩沖穩(wěn)定性分析的要求。

表1 仿真與試驗結果對比

3 空投安全性分析

安全性分析包括車身穩(wěn)定性分析、沖擊過載計算與懸架校核，筆者重點研究滿載彈藥對車身穩(wěn)定性的影響。車載速射迫擊炮安裝在空投緩沖系統(tǒng)上，以6.5 m/s的速度接觸地面并開始緩沖。這里只研究最簡單的標準任務條件，即對仿真作如下假設：

1)由于橫向速度對沖擊過載的計算與懸架校核影響不大，對其只考慮豎直方向速度，但對穩(wěn)定性研究需要考慮風速影響。

2)緩沖開始時空投系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)生傾斜。

3)緩沖地面平整無障礙物。

3.1 車身穩(wěn)定性分析

裝備空投開傘后，物體水平速度等于各高度上的風速。一般天氣條件下地表通常為三級(均值4 m/s)或四級(均值7 m/s)和風，這里取5.5 m/s的風速作為裝備著陸時的水平速度。由于傘投系統(tǒng)配備有防翻錨或定向機構，能夠保證裝備在有風時沿車縱軸方向著陸，同時，由于質心偏后，裝備著陸時對穩(wěn)定性不利的危險方向應為沿車縱軸向后，這會使裝備仰角增大。所以在設定仿真條件時為整個系統(tǒng)施加水平方向的速度，方向為沿車縱軸方向向后。

車載速射迫擊炮空投有帶彈的需求，標準彈(含引信)重4.2 kg，每個彈夾裝有4發(fā)迫擊炮彈，每個彈夾箱裝有8個彈夾，因此帶彈情況下，每個彈夾箱質量至少會增加134.4 kg。對仿真初始條件進行重新設定，其他條件不變的情況下分別改變兩個彈夾箱的質量，對車身質心點添加側傾和俯仰的方向測量，進行仿真分析。

仿真條件修改后全炮質心位置為(-15.9，1 012.2，-786.9)mm，與空載情況下的質心位置(-3.2，980.2，-670.1)mm相比，裝滿彈藥后全炮質心右移12.7 mm，抬高32.0 mm，偏后116.8 mm。兩種情況下車身橫向側傾與縱向俯仰角對比如圖7、8所示，圖中側傾角從90°開始，增大表明車體發(fā)生右傾；俯仰角從0°開始，大于0°表明車體發(fā)生后仰，由于全炮存在初始質量且質心偏后，所以平衡位置時即存在一個初始的仰角0.655°。由圖可以看出，空載與滿載情況下，車身在緩沖過程中均出現(xiàn)一定程度的右傾和后仰，趨勢一致，但滿載彈藥后車身右傾與后仰幅度明顯增大。

截取仿真過程結束時刻系統(tǒng)的側視圖與主視圖，如圖9所示。在400 ms仿真結束時，車身情況如表2所示。

表2 仿真結束時車身傾斜情況

為直觀量化地對空投系統(tǒng)穩(wěn)定性進行評估，引入緩沖系統(tǒng)效能分析與評估模型[5]。該模型分別從可用性、可信性、固有能力和保障能力4個方面對緩沖系統(tǒng)進行了效能評估，其中固有能力包含了緩沖穩(wěn)定性的度量。結合數(shù)值仿真和試驗數(shù)據(jù)，對緩沖系統(tǒng)在標準任務條件下的緩沖穩(wěn)定性提出了量化判據(jù)：

(4)

式中：Uc12為緩沖系統(tǒng)緩沖過程中傾斜角度；uc12為穩(wěn)定能力量化值。

將仿真結果代入穩(wěn)定性量化判據(jù)，空載時車身與地面傾角為7.59°，uc12=0.70，滿載彈藥的情況下車身與地面傾角為8.91°，uc12=0.64。可見對于車載速射迫擊炮這種輕型裝備，滿載彈藥空投對全炮著陸穩(wěn)定性有著不可忽視的影響。

3.2 沖擊過載計算

對模型進行仿真分析，首先添加初始條件。對各部件賦予-6.5 m/s的初始速度(方向豎直向下)，仿真時間為0.4 s，仿真步數(shù)設為10 000步。最終得到的緩沖特性曲線如圖10、11所示。

由車身下落位移曲線可以看出，緩沖沖擊大約在300 ms內完成，車身在下落到最低點后開始回彈，隨后發(fā)生第2次沖擊。分別對貨臺和車身的沖擊過載進行分析，如圖11所示，貨臺在138.1 ms處產(chǎn)生最大過載15.07g，車身在124.4 ms處產(chǎn)生最大過載11.47g，均滿足裝備空投過載不大于20g的軍用標準[6]。整體上，由于輪胎和懸架相當于二次緩沖，所以貨臺過載要略大于車身過載，且經(jīng)過輪胎和懸架的傳遞，車身受到的沖擊明顯要滯后于貨臺。選取沖擊過載曲線振動明顯的110～170 ms進行分析，發(fā)現(xiàn)車身受到的沖擊滯后于貨臺半個周期，過載曲線的半波周期為21 ms，與同類型裝備空投試驗數(shù)據(jù)結果相符[7]。

3.3 懸架校核

對車載速射迫擊炮懸掛系統(tǒng)進行校核。懸架的運動總是被限位塊限制在一定的行程內，當沖擊過載過大時，懸架運動超過最大行程，與限位塊發(fā)生碰撞，此時懸架不能正常工作，也不滿足強度要求，應盡量避免。對模型中的懸架與限位塊設置碰撞接觸，導出碰撞力，采用低通濾波后得出碰撞力，如圖12所示。可以看出，從118 ms開始，懸架已經(jīng)達到最大行程并開始和限位塊發(fā)生碰撞，之后懸架處于超負荷狀態(tài)，125.4 ms時右后懸架碰撞力首先達到最大值418 kN。整體上，右后懸架碰撞沖擊相比其他3個懸架產(chǎn)生早，沖擊載荷大，這是由于空投時車載速射迫擊炮質心位置不平衡導致的。

導出懸架在整個過程中的作用力，如圖13所示。

由圖13可以發(fā)現(xiàn)后輪懸架作用力振動幅度明顯大于前輪懸架。為避免懸架處于超負荷狀態(tài)，通常做法是在貨臺和車架之間增加一層緩沖吸能材料如蜂窩紙板等，保護懸架同時降低過載[2]。

4 結論

1)為研究車載速射迫擊炮滿載彈藥進行空投著陸時對車身穩(wěn)定性的影響，分別在空載和滿載彈藥的情況下對仿真結果進行了對比。在仿真過程結束時，滿載情況下車身右傾比空載增加10.5%，車身后仰比空載增加12.9%。對穩(wěn)定性進行量化評估后得出空載穩(wěn)定性為0.70，滿載彈藥時穩(wěn)定性為0.64。雖然沒有發(fā)生翻覆，但是滿載彈藥極大影響了速射迫擊炮空投著陸的穩(wěn)定性，存在潛在風險。

2)通過動力學仿真獲得了車身與貨臺的沖擊過載時間特性曲線與車身位移曲線，和實際情況相符。懸架和輪胎能夠起到二次緩沖作用，全炮空投最大過載滿足軍事裝備空投要求。

3)對懸架的校核發(fā)現(xiàn)，在空投過程中懸架位移超過其最大行程，與限位塊存在碰撞，處于超負荷狀態(tài)，應在車架和貨臺之間加裝緩沖吸能材料，保護懸架。

筆者通過對某型車載速射迫擊炮的動力學仿真分析，對空投著陸緩沖安全性進行了校核，研究了滿載彈藥后對空投著陸穩(wěn)定性的影響，為后續(xù)的研究設計和部隊空投試驗提供了依據(jù)，有很好的參考價值。

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