膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器研究

卓 新，龐兆君，司驥躍，張登峰，徐同昆

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 南京 210094； 2.黑龍江北方工具有限公司, 黑龍江 牡丹江 157000)

近年來，隨著人類頻繁的太空活動，積累的太空碎片也越來越多，這些太空碎片圍繞著地球高速運動，與正常運行的航天器發(fā)生碰撞的概率越來越大，對航天器以及航天員產(chǎn)生的威脅越來越大，同時，一些太空碎片運行在稀少的空間軌道(如地球靜止軌道)，對太空資源造成浪費，因此清除太空碎片變得越來越重要[1]。

當(dāng)前，國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)正在研究的空間碎片清除技術(shù)主要有空間飛網(wǎng)捕獲技術(shù)、電動力繩索移除技術(shù)、電動碎片清除技術(shù)、激光清除技術(shù)和離子束移除技術(shù)[2]，其中空間飛網(wǎng)捕獲技術(shù)是近年來的研究熱點。空間飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)由飛網(wǎng)發(fā)射器、大尺寸柔性網(wǎng)、收口裝置、繩系控制系統(tǒng)等組成[3]，飛網(wǎng)發(fā)射器將收口裝置按一定速度和一定角度發(fā)射出去，牽引柔性網(wǎng)在指定距離展開，收口裝置在一定時間延遲后啟動，將飛網(wǎng)網(wǎng)口收緊并鎖死，達(dá)到對空間碎片的捕獲，再由本體衛(wèi)星牽拉，通過繩系控制系統(tǒng)控制牽拉力，將空間碎片平穩(wěn)拖入墳?zāi)管壍?，達(dá)到清除目的。空間飛網(wǎng)捕獲的第一步是要確保柔性網(wǎng)的順利張開，這就需要飛網(wǎng)發(fā)射器精確穩(wěn)定的將收口裝置發(fā)射出去，因此，飛網(wǎng)發(fā)射器的性能將直接影響飛網(wǎng)捕獲的效果。

國外對空間飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)進行了深入研究，對其中的飛網(wǎng)展開、碰撞以及繩系控制等方面進行了大量的仿真和試驗驗證[4-6]，但對飛網(wǎng)發(fā)射器的優(yōu)化設(shè)計及性能研究的相關(guān)成果的報道卻很少。國內(nèi)對空間飛網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的研究成果也很多[7-8]，其中在研究和應(yīng)用的飛網(wǎng)發(fā)射器有彈射發(fā)射器和旋轉(zhuǎn)發(fā)射器，彈射發(fā)射器是通過將多個發(fā)射筒相對于網(wǎng)筒向外斜置一定角度，利用彈簧儲能發(fā)射[9]，這種發(fā)射器設(shè)計簡單，但存在收口裝置的發(fā)射同步性問題，且空間尺寸大，而旋轉(zhuǎn)發(fā)射器則是先同時將收口裝置及飛網(wǎng)一體彈射出去，再在適當(dāng)距離啟動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，依靠離心力將飛網(wǎng)展開[10]，相比于彈射發(fā)射器，這種發(fā)射器不存在發(fā)射同步性問題，但飛網(wǎng)展開方向不好控制，且采用兩級發(fā)射，可靠性差。以上兩種飛網(wǎng)發(fā)射器都存在致命的缺陷，將直接影響飛網(wǎng)發(fā)射的可靠性。

本文通過借鑒武器中的膛線發(fā)射技術(shù)，研制了一種膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器。第一節(jié)介紹了膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的結(jié)構(gòu)及工作原理并詳細(xì)介紹各分組件的結(jié)構(gòu)，第二節(jié)對發(fā)射器進行了運動學(xué)分析，得出各速度關(guān)系，第三節(jié)在運動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對發(fā)射器內(nèi)彈道方程進行修正，并用Matlab進行內(nèi)彈道仿真分析，第四節(jié)是初步的性能驗證試驗。

1 發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

拋射發(fā)射器的同步性差、質(zhì)量大，同時占用空間大，而旋轉(zhuǎn)發(fā)射器的控制困難，發(fā)射可靠性差，為此本文提出一種膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器，如圖1所示，發(fā)射器主要包括托座、活塞作動裝置、收口裝置、分離裝置4個組件?；钊鲃友b置位于發(fā)射器中部，主要有活塞及活塞筒構(gòu)成，活塞頂部與托座連接，4個收口裝置固定在托座中，隨托座一起運動，底部與分離裝置連接。整個膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器外形包絡(luò)為Φ214 mm×180.5 mm的圓柱，總質(zhì)量7.08 kg，相對于現(xiàn)有的飛網(wǎng)發(fā)射器體積和質(zhì)量都極大地減小。

膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器通過膛線作用下的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的離心力達(dá)到分散發(fā)射，活塞作動裝置中的活塞在火藥氣體的推動下，向外推動托座，托座帶動其上的收口裝置一起運動，收口裝置運動的時候與底部分離器分離?；钊鲃友b置中的活塞筒外壁上加工有一對膛線，托座中的導(dǎo)向銷嵌套在膛線內(nèi)，因此托座向外運動時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角速度，當(dāng)活塞運動到頂部時，托座中的四個收口裝置由于沒有任何限制，將向外散開，牽引飛網(wǎng)展開。在發(fā)射過程中，四個收口裝置一體發(fā)射出來，因此同步性好。以下具體介紹膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的各組件結(jié)構(gòu)。

1.1 活塞作動裝置

活塞作動裝置采用的成熟的作動筒發(fā)射器結(jié)構(gòu)，如圖2所示，活塞上端與托座連接，托座可相對活塞軸線旋轉(zhuǎn)，活塞筒的外壁兩條對稱的膛線與導(dǎo)向銷配合，膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器依靠活塞推動傳遞的能量作為發(fā)射動能，單一的作動方式使得發(fā)射器可靠性高，活塞作動裝置底部安裝兩個制式點火具，點火具的點火成功率達(dá)到1-10-6，其發(fā)射成功概率

E=1-(1-p)2=1-10-12

(1)

式中：E為發(fā)射器的發(fā)射成功概率，p為單個點火具點火成功率[11]，可以看出活塞作動裝置點火發(fā)射成功的安全性指標(biāo)為10-12，使得膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的可靠性極大提升。

1.固定螺母；2.連接盤；3.限位卡圈；4.活塞；5.活塞擋圈；6.活塞筒；7.藥室底座；8.點火具

1.2 托座及分離裝置

托座在膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器中起到一個傳遞動能及固定支撐作用，因此設(shè)計中，盡量減小其質(zhì)量，同時又要保證一定的強度，采用鋁材整體機工，對不承力部分進行掏空處理，如圖3所示，周向為收口裝置固定槽，同時側(cè)壁往里開有用于固定有兩個導(dǎo)向銷的導(dǎo)向銷固定孔，底面開有兩個導(dǎo)桿固定孔，用于分離裝置中的導(dǎo)桿連接。

圖3 托座結(jié)構(gòu)

根據(jù)分離裝置的功能要求，在發(fā)射器發(fā)射前，需要分離裝置能將收口裝置緊緊固定在托座上，而在發(fā)射器發(fā)射過程中，分離裝置的分離過程對收口裝置的發(fā)射影響盡量小，整個發(fā)射過程在分離裝置消耗的能量盡量小，針對托座的運動情況，設(shè)計如圖4所示分離裝置。

分離裝置安裝在收口裝置的底部，由銷子、分離套、分離內(nèi)套、旋轉(zhuǎn)盤、分離桿和導(dǎo)桿組成，分離套固定在收口裝置的底面，兩側(cè)開有槽口，槽口底面成45°斜角，分離內(nèi)套通過托座底面伸入分離套內(nèi)，分離內(nèi)套兩側(cè)開有插銷口，銷子插在插銷口內(nèi)，一端與分離套槽口底面貼合，分離內(nèi)套的中間套著分離桿，分離桿固定在旋轉(zhuǎn)盤上，旋轉(zhuǎn)盤固定在活塞筒底部，能繞著活塞筒旋轉(zhuǎn)，但不能上下移動，旋轉(zhuǎn)盤上裝有兩根導(dǎo)桿，導(dǎo)桿插入托座的導(dǎo)桿固定孔內(nèi)，發(fā)射器為發(fā)射時，托座固定不動，托座與旋轉(zhuǎn)盤之間沒有相對運動，此時由于銷子卡在分離套上，使收口裝置緊緊與托座連接在一起，當(dāng)發(fā)射器發(fā)射時，托座旋轉(zhuǎn)向上運動，旋轉(zhuǎn)盤由于導(dǎo)桿的帶動與托座一起旋轉(zhuǎn)但不向上運動，使得托座與旋轉(zhuǎn)盤只有豎直方向的分離，旋轉(zhuǎn)盤上的分離桿相對分離內(nèi)套向下運動，當(dāng)運動到底時，銷子沒有約束在擠壓力作用下向分離內(nèi)套中移動使分離內(nèi)套與分離套分開，收口裝置與托座之間解鎖，整個分離過程主要受到銷子與分離套的摩擦力，因此能量消耗極小，對發(fā)射器的發(fā)射過程影響極小，且不需要任何電控過程。

圖4 分離裝置

2 發(fā)射器的運動分析

膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器整個發(fā)射過程就是托座帶動收口裝置一起做螺旋運動，在運動初期，收口裝置解開分離裝置的限制，損失的動能很小，基本可以忽略，隨后托座與收口裝置一起運動，在發(fā)射器口收口裝置由于離心力作用與托座分離。

活塞在膛線筒內(nèi)做變速運動，托座與活塞有相同的直線運動，同時托座還有繞膛線筒軸線的旋轉(zhuǎn)角速度，其直線運動和角速度運動有固定的運動關(guān)系：

(2)

式中：ω為托座旋轉(zhuǎn)角速度；v為活塞與托座的直線運動速度；η為膛線的纏度；r為膛線筒外徑。

當(dāng)活塞運動到極限位置時停止運動，托座也停止運動，而由于動量守恒，托座上的收口裝置繼續(xù)運動并分散開，其由于旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的沿旋轉(zhuǎn)軌跡切線方向的運動速度與沿著膛線筒軸線的速度關(guān)系：

(3)

式中：vτ為收口裝置沿旋轉(zhuǎn)軌跡的切向速度；r1為收口裝置質(zhì)心離膛線筒軸線的距離。

由式(3)可知收口裝置的發(fā)射角度β，也即收口裝置的合速度與膛線筒軸線的夾角

(4)

從式(4)中可以知道，收口裝置的發(fā)射角β與η，r成反比，而與r1成正相關(guān)，η和r越小，β就越大，r1越大，β也越大，通過合理改變η，r，r1的大小來調(diào)整收口裝置的發(fā)射角β。

3 發(fā)射器的內(nèi)彈道方程修正

傳統(tǒng)的武器發(fā)射器的內(nèi)彈道方程中，由于彈丸旋轉(zhuǎn)運動的能量以及摩擦消耗的能量很小，通過次要功系數(shù)φ來進行修正。膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器中，托座和收口裝置有大角速度的旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，活塞只有直線運動，而且托座和收口裝置的旋轉(zhuǎn)運動的能量占整個運動的能量的比例大，因此，通過采用等效質(zhì)量法來修正膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的內(nèi)彈道方程，將膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器等效為一個發(fā)射只有直線運動彈丸的發(fā)射器。

首先計算托座、收口裝置和活塞直線運動的動能

(5)

式中：m1為托座與收口裝置的總質(zhì)量；m2為活塞的質(zhì)量。

其次計算托座和收口裝置旋轉(zhuǎn)運動的動能

(6)

式中：J為托座和收口裝置相對于活塞筒軸線的轉(zhuǎn)動慣量，將式(2)中的ω代入式(6)中得

(7)

最后計算由于導(dǎo)向銷與膛線槽壁摩擦產(chǎn)生的能量，導(dǎo)向銷的受力如圖5所示，導(dǎo)向銷受到高壓氣體傳導(dǎo)過來的推力S×p，其中S為活塞底面積，p為膛壓，推力沿著膛線筒軸向向上，在高壓氣體推力作用下導(dǎo)向柱擠壓在膛線槽壁上，受到膛線槽壁對其的反向壓力FN，方向垂直膛線，導(dǎo)向銷沿著膛線運動時，受到摩擦力f,且有如下關(guān)系

f=μFN

(8)

式中μ為摩擦因數(shù)。

圖5中α為膛線角，由膛線纏度的定義可知

(9)

圖5 導(dǎo)向柱受力示意圖

導(dǎo)向柱沿活塞筒軸線方向的加速度與其總加速度關(guān)系為

(10)

(11)

由此建立導(dǎo)向柱的受力關(guān)系

(12)

分析導(dǎo)向銷在移動過程中摩擦力做功與托座直線加速過程的關(guān)系，當(dāng)導(dǎo)向銷沿軸線上升Δh時，其在膛線上滑動了Δl，兩者的關(guān)系

(13)

則摩擦力所做的功

(14)

又因為托座和收口裝置直線運動后的動能就是直線加速運動的積分，因此

(15)

由式(10)、式(11)、式(14)、式(15)可得

(16)

因此火藥氣體所作的主要功為

(17)

由此得到等效彈丸的質(zhì)量為

(18)

再與經(jīng)典內(nèi)彈道方程組結(jié)合對膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器進行修正得

(19)

根據(jù)修正后的內(nèi)彈道方程，運用Matlab進行編程仿真，可得出各參數(shù)與收口裝置出口速度之間的關(guān)系，從而進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及發(fā)射藥量的選擇。

本研究的膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器采用地面試驗算例進行內(nèi)彈道計算，m1=1kg，m2=0.08 kg，r=65 mm，μ=0.15，η=4，J=4 833 kg·mm2，通過內(nèi)彈道仿真得到發(fā)射藥量與收口裝置出口直線速度關(guān)系表1所示。

表1 仿真速度藥量關(guān)系

飛網(wǎng)抓捕中，收口裝置的出口速度在20 m/s左右是比較合適的，因此根據(jù)仿真分析得出的膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的發(fā)射藥量為4 g。

同時由仿真結(jié)果得出的速度曲線及膛壓曲線如圖6所示。

圖6 發(fā)射藥量的速度曲線(a)與膛壓曲線(b)

4 試驗研究

為驗證膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的可行性，加工了一套簡化版膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器進行試驗，簡化版膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器參數(shù)與上一節(jié)的算例參數(shù)一致，其活塞未受限制，會隨著收口裝置一起飛出，首先對發(fā)射器的發(fā)射速度進行測速試驗，試驗現(xiàn)場布置如圖7所示，發(fā)射器水平固定在支架上，前端設(shè)置著光幕測速儀，發(fā)射器內(nèi)的托座及收口裝置用等質(zhì)量的配重塊代替。共測速了3次，得出的速度及藥量關(guān)系如表2所示。

表2 測速試驗數(shù)據(jù)

圖7 測速試驗現(xiàn)場布置

由表2可知，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。

再進行了發(fā)射展開試驗，試驗所用膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器如圖8，試驗過程將發(fā)射器固定在空地向上發(fā)射，遠(yuǎn)處安全區(qū)域設(shè)置高速攝像機對收口裝置的出口飛行狀態(tài)進行記錄(高速攝像機如圖9)。拍攝的照片如圖10。

圖8 膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器

圖9 高速攝像機

圖10 發(fā)射展開試驗

由試驗照片可以看出，四個收口裝置(牽引體替代)同時飛出，且在飛網(wǎng)展開過程中一直保持相同速度，將飛網(wǎng)從網(wǎng)筒中牽引展開，試驗最后飛網(wǎng)完全展開落地。驗證了膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的可行性，且發(fā)射器的同步性好。

5 結(jié)論

通過對膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動分析，并進行內(nèi)彈道修正，仿真分析得出發(fā)射器的出口速度與發(fā)射藥量的關(guān)系，驗證了內(nèi)彈道方程的正確性和膛線式飛網(wǎng)發(fā)射器的可行性和同步性，為飛網(wǎng)發(fā)射提供了一種新型發(fā)射方式，具有潛在的工程應(yīng)用價值。