艦載無人機彈射桿操縱系統(tǒng)設計與仿真

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司技術中心， 四川 成都 610092)

引言

無人艦載機是以航空母艦為基地的海上固定翼飛機，是航母的主要攻防武器，也是形成航母戰(zhàn)斗群作戰(zhàn)能力的基礎和根本。艦載機能夠迅速、可靠地起飛是保證航母戰(zhàn)斗力的最主要技術條件之一。

無人艦載機的起飛技術主要有彈射起飛和滑躍起飛。彈射起飛是指用彈射器給艦載機施加外力，使其迅速增速而“彈射升空”；滑躍起飛是指先依靠自身動力在航母水平甲板上滑跑，后經(jīng)航母艦首斜曲面甲板，使艦載機在離艦瞬間袴分速度，實現(xiàn)離艦起飛。彈射起飛與滑躍起飛相比，彈射起飛降低了對艦載機的要求，彈射起飛所需的跑道長度較短，彈射起飛可保證多架艦載機以較短時間間隔起飛作戰(zhàn)，滿足實戰(zhàn)需求[1-2]。

飛行實踐證明，彈射起飛方式安全、可靠，是大中型航空母艦的首選。艦載機彈射桿操縱系統(tǒng)是決定彈射起飛成功與否的關鍵因素之一[3-4]。

國內(nèi)目前還沒有成功應用的彈射艦載無人機，對彈射桿操縱系統(tǒng)的研究較少。本研究設計了一套艦載無人機彈射桿操縱系統(tǒng)；并對彈射桿收上、放下、與往復車掛接等進行了仿真分析[5-12]。

1 彈射桿操縱系統(tǒng)組成和工作原理

彈射桿操縱系統(tǒng)主要實現(xiàn)彈射桿的解鎖、收上、放下、保持下壓力、與往復車掛接等功能。

彈射桿操縱系統(tǒng)由泵源、開鎖電磁閥、開鎖作動器、驅(qū)動電磁閥、旋轉(zhuǎn)作動器等組成，其中旋轉(zhuǎn)作動器由液壓馬達、扭簧、減速機構、連桿機構組成。彈射桿操縱系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 彈射桿操縱系統(tǒng)

飛控發(fā)送指令啟動電動泵，電動泵從自增壓油箱中吸油，輸出高壓油經(jīng)供壓油濾為系統(tǒng)提供液壓壓力。

放彈射桿時，需先將彈射桿解鎖；飛控發(fā)送指令控制彈射桿開鎖電磁閥通電，高壓油通過電磁閥進入開鎖作動器無桿腔，活塞桿伸出，實現(xiàn)彈射桿解鎖。收到解鎖信號后，飛控控制彈射桿驅(qū)動電磁閥通電，高壓油驅(qū)動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，通過減速機構將速度降低、扭矩放大后，經(jīng)連桿機構帶動彈射桿放下，放下到位后高壓壓力使彈射桿保持一定下壓力。

收彈射桿時，需將開鎖電磁閥和驅(qū)動電磁閥斷電，關斷高壓油路，液壓馬達兩腔壓力通回油、開鎖作動器通回油，彈射桿在旋轉(zhuǎn)作動器中扭簧的作用下收上，開鎖作動器在彈簧的作用下復位，實現(xiàn)彈射桿上鎖。

2 系統(tǒng)建模

2.1 泵源模型

泵源由電動泵組件、油箱、供壓油濾、回油油濾、單向閥、蓄壓器、安全閥等組成。

泵源模型如圖2所示。

圖2 泵源模型

2.2 彈射桿收放模型

彈射桿開鎖電磁閥和驅(qū)動電磁閥均為二位三通電磁閥；開鎖作動器的一腔通液壓油，另一腔為彈簧；開鎖作動器的負載用質(zhì)量塊模擬；旋轉(zhuǎn)作動器集成液壓馬達、減速器、扭簧，其中液壓馬達的工作腔與電磁閥接通，另一腔直接通回油；彈射桿收放單元模型如圖3所示，模型中限流孔模擬馬達的內(nèi)漏。

圖3 彈射桿收放單元

彈射桿運動機構采用四連桿驅(qū)動，建模時將連桿簡化為平面上的桿；彈射桿上往復車過程中，彈射桿觸地端頭會受到外力，用信號庫模擬外力，給彈射桿施加載荷。彈射桿運動機構模型如圖4所示。

圖4 彈射桿運動機構模型

2.3 系統(tǒng)模型

將各元件模型按系統(tǒng)原理及物理關系連接，組成整個系統(tǒng)的模型，如圖5所示。

3 仿真分析

3.1 仿真輸入

仿真需輸入彈射桿解鎖指令、彈射桿放下指令、彈射桿收上指令、彈射桿受外載荷。

圖5 彈射桿操縱系統(tǒng)模型

彈射桿放下觸地后上往復車，此時彈射桿有一定下壓力，往復車會施加給彈射桿一個反向力矩，曲線如圖6所示。彈射桿上往復車過程中，反力矩逐漸增大，彈射桿與往復車掛接成功后，此時反力矩消失。

圖6 彈射桿負載曲線

3.2 彈射桿操縱仿真

彈射桿初始位置為收上位置,通過控制電磁閥通斷，T1時開鎖電磁閥通電，彈射桿解鎖；T2時收放電磁閥通電，彈射桿放下；T3時開鎖電磁閥和收放電磁閥同時斷電，彈射桿收上，對彈射桿進行收放仿真分析。彈射桿運動角度(收上位置角度為0°)曲線如圖7所示，液壓馬達兩腔壓力曲線如圖8所示，電動泵輸出壓力曲線如圖9所示，電動泵輸出流量曲線如圖10所示。

分析圖7～圖10可知：

(1) 彈射桿放下和收上過程運動平穩(wěn)。放下時間3 s，上往復車時，彈射桿反轉(zhuǎn)一定角度，越過往復車后彈射桿繼續(xù)放下；彈射桿收上時間3 s；

(2) 彈射桿放下過程中馬達兩腔壓力為4.3 MPa，低壓腔約1 MPa；彈射桿上往復車過程中，馬達反轉(zhuǎn)，高壓腔壓力略微上升；電磁閥斷電收彈射桿時，馬達兩腔均通回油，壓力下降至0.5 MPa；

圖7 彈射桿運動角度曲線

圖8 液壓馬達兩腔壓力曲線

圖9 電動泵輸出壓力曲線

圖10 電動泵輸出流量曲線

(3) 0～1 s電動泵向蓄壓器充壓，彈射桿放下過程中，泵源壓力下降至6 MPa，因馬達內(nèi)漏較大，彈射桿放下到位后，內(nèi)漏導致泵源壓力穩(wěn)定在6 MPa；彈射桿收上后，泵源壓力穩(wěn)定在額定壓力；

(4) 彈射桿放下過程中，蓄壓器向系統(tǒng)補充流量，放下到位后，因馬達內(nèi)漏影響，泵源持續(xù)輸出一定流量；收彈射桿后，電磁閥斷電，馬達內(nèi)漏不影響，泵源輸出流量為0。

仿真結果表明彈射桿操縱系統(tǒng)功能、性能滿足要求；彈射桿收放過程穩(wěn)定、平穩(wěn)；液壓馬達內(nèi)漏影響系統(tǒng)泵源建壓，內(nèi)漏在一定范圍內(nèi)不影響系統(tǒng)功能和性能，但會造成系統(tǒng)無效功率增大；內(nèi)漏若超過一定值，系統(tǒng)壓力較低，影響彈射桿放下到位和放下時間。

4 結論

本研究設計了一套艦載無人機彈射桿操縱系統(tǒng)，基于AMESim仿真平臺建立了系統(tǒng)仿真模型，考慮了關鍵元件內(nèi)漏等因素，對系統(tǒng)功能、性能進行了仿真，提出了執(zhí)行機構內(nèi)漏對系統(tǒng)的影響，仿真表明系統(tǒng)設計合理、功能性能滿足要求。