某導彈電磁彈射裝置發(fā)射穩(wěn)定性分析

孔 超，王 軍，陳建平，沙趙明

(1. 上海機電工程研究所，上海 210109； 2. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

電磁彈射是指利用電磁力做功，將電磁能轉化為機械能，從而推進物體到高速或超高速的發(fā)射技術[1-3]。目前，導彈發(fā)射主要采用自動力方式，但隨著導彈作戰(zhàn)需求向多樣化發(fā)展，導彈彈射相關技術越來越受到重視[4]。燃氣式彈射技術具有結構簡單、使用方便等特點，因此應用較多，但在工作過程中燃氣溫度高、壓力大，燃氣式彈射裝置工作環(huán)境惡劣[5]。電磁彈射技術具有能量利用率高、推力大、無污染等優(yōu)勢，已經成為發(fā)射領域的熱門研究技術[6]，但對于導彈電磁彈射技術的相關研究較少。

本文針對某導彈電磁彈射裝置進行發(fā)射穩(wěn)定性分析，研究電磁彈射技術應用于某導彈發(fā)射的可行性。

1 總體結構組成

根據電磁彈射裝置的功能和性能要求，參考火箭彈發(fā)射裝置的結構[7-10]，某導彈電磁彈裝置主要包括導彈、發(fā)射箱、電磁彈射器、起落架、回轉體、高低機、方向機、底架、運載車、支腿和駐鋤等部分，其總體結構組成如圖1所示。

圖1 總體結構組成Fig.1 Overall structure composition

2 發(fā)射動力學數學模型

某導彈電磁彈射裝置多剛體動力學方程為

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3 發(fā)射動力學仿真模型

利用ADAMS軟件建立某導彈電磁彈射裝置發(fā)射動力學仿真模型，如圖2所示。各部分的約束關系為：導彈與發(fā)射箱、發(fā)射箱與電磁彈射器、電磁彈射器與起落架之間分別采用固定副連接；起落架與回轉體之間采用轉動副連接；高低機內外筒之間采用移動副連接，并建立大剛度彈簧以模擬高低機作用；回轉體與底架之間采用轉動副連接，并建立具有結構阻尼的扭簧以等效方向受力；底架與運載車之間采用固定副連接；輪胎與運載車之間采用固定副連接；支腿與運載車之間采用移動副連接，并建立一定剛度和阻尼的彈簧以模擬支腿作用；支腿與地面之間采用三向力連接，其豎直方向受力利用單側碰撞函數IMPACT模擬；輪胎與地面采用ADAMS軟件/Tire模塊建立；駐鋤與運載車之間采用固定副連接；駐鋤與地面之間采用三向力連接，其水平方向與側向受力利用雙側碰撞函數BISTOP模擬，豎直方向受力利用單側碰撞函數IMPACT模擬。

1. 發(fā)射箱(含導彈);2. 電磁彈射器;3. 底架;4. 駐鋤;5. 回轉體;6. 支腿;7. 方向機;8. 運載車;9. 地面;10. 高低機;11. 起落架。圖2 某導彈電磁彈射裝置發(fā)射動力學仿真模型Fig.2 Launch dynamics simulation model of a missile electromagnetic ejection device

導彈發(fā)射時，導彈受到電磁彈射器產生的電磁推力作用，電磁彈射器受到后坐力和制動反力的作用。

根據設計要求和電磁彈射器電機堵動狀態(tài)下的受力變化規(guī)律，設定導彈所受的電磁推力如圖3所示。根據電磁推力和電磁彈射器制動特性，設定電磁彈射器所受的后坐力和制動反力如圖4所示。

圖3 導彈所受的電磁推力Fig.3 Electromagnetic force on missile

圖4 電磁彈射器所受的后坐力和制動反力Fig.4 The recoil force and braking counterforce of electromagnetic catapult

某導彈電磁彈射裝置采用傾斜方式發(fā)射，方向射角為±30°，高低射角為15°～60°，選取4種極限射角工況進行發(fā)射穩(wěn)定性分析，計算工況如表1所示。

表1 計算工況Tab.1 Calculation conditions

4 發(fā)射穩(wěn)定性分析

電磁彈射裝置中心處的位移曲線如圖5所示。由圖5(a)可知，電磁彈射裝置存在一定程度的橫向位移，在工況三時，橫向位移最大，約為15 mm。由圖5(b)可知，電磁彈射裝置先后移再前移，在工況一時，后移幅度最大，約為70 mm。由圖5(c)可知，電磁彈射裝置存在一定程度的垂向位移，在工況一時，垂向位移最大，約為3.5 mm。

(a) 橫向位移

(b) 縱向位移

(c) 垂向位移圖5 電磁彈射裝置中心處位移曲線圖Fig.5 Displacement diagram at center of the electromagnetic ejection device

左側、右側駐鋤的垂向位移曲線分別如圖6、圖7所示。由圖6可知，左側駐鋤先下移后上移，在工況三時，上移幅度最大，約為13 mm。由圖7可知，在工況三時，右側駐鋤下移幅度最大，約為12 mm，然后在制動反力的作用下上移約14 mm。

圖6 左側駐鋤垂向位移Fig.6 Vertical displacement of left spade

圖7 右側駐鋤垂向位移Fig.7 Vertical displacement of right spade

運載車輪胎所受地面垂直支反力曲線如圖8～11所示。由圖8和圖9可知，在4種工況下，運載車左側、右側前輪胎所受地面支反力先減小后增大，但始終不小于零，說明左側、右側前輪胎一直未離開地面；由圖10和圖11可知，由于后坐力的消失和制動反力的作用，左側、右側后輪胎均出現地面支反力為零的情況，說明輪胎存在離開地面的情況，但時間較短，根據駐鋤上移的高度可知，輪胎離地高度在可接受范圍之內。

圖8 左側前輪胎所受地面垂直支反力Fig.8 The vertical counterforce of the left front tire against the ground

圖9 右側前輪胎所受地面垂直支反力Fig.9 The vertical counterforce of the right front tire against the ground

圖10 左側后輪胎所受地面垂直支反力Fig.10 The vertical counterforce of the left rear tire against the ground

圖11 右側后輪胎所受地面垂直支反力Fig.11 The vertical counterforce of the right rear tire against the ground

發(fā)射穩(wěn)定性是指發(fā)射裝置在自重和外部載荷的作用下抵抗傾覆的能力[11]。由于電磁彈射裝置的導彈發(fā)射間隔較長，因此彈射裝置的位移在可接受范圍內即可達到發(fā)射穩(wěn)定性要求。同時，可以通過優(yōu)化駐鋤接地面積來提高電磁彈射裝置的發(fā)射穩(wěn)定性。

5 結束語

本文對某導彈電磁彈射裝置動力學模型進行了穩(wěn)定性分析，由分析可知：在方向射角30°、高低射角15°的工況下，電磁彈射裝置的橫向位移最大；在方向射角0°、高低射角15°的工況下，電磁彈射裝置的縱向和垂向位移最大；在4種工況下運載車輪胎所受地面支反力基本上保持在0以上。雖然電磁彈射裝置存在一定程度的移動，但都在可接受范圍內。因此，某導彈電磁彈射裝置具有較好的發(fā)射穩(wěn)定性，可以應用電磁彈射技術進行某導彈的發(fā)射。后期可根據某導彈電磁彈射裝置的設計方案制造小型試驗樣機，進行電磁彈射試驗，將試驗數據與仿真數據對比分析，進一步優(yōu)化某導彈電磁彈射裝置的設計。