一種浮標(biāo)投放裝置彈射模型的研究

竹建東 孫黎靜 賴北平 劉陽雄 張宇

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 引言

隨著聲納浮標(biāo)使用的越來越頻繁，其在各型飛行平臺(tái)上的使用和投放方式也越來越多，一般有重力投放方式、炸藥發(fā)射方式和高壓氣體投放方式。各種不同的投放系統(tǒng)組成和優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）重力投放是利用聲納浮標(biāo)的重力使浮標(biāo)自由落體離開飛行載體，重力投放系統(tǒng)一般包括一組投放管，每個(gè)投放管底部有一個(gè)電控的彈簧門，或在電控系統(tǒng)故障時(shí)由人工進(jìn)行開合操作。同時(shí)每一枚裝入的浮標(biāo)參數(shù)在飛行前或載機(jī)飛行中且浮標(biāo)投放前進(jìn)行再次參數(shù)設(shè)定，投放過程中不需要配浮標(biāo)投放筒，但投放時(shí)對載機(jī)姿態(tài)和飛行速度控制的要求較高，投放裝置對機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也相對較復(fù)雜；

（2）炸藥發(fā)射是利用炸藥產(chǎn)生的高壓氣體能量將浮標(biāo)推射出機(jī)體，其投放機(jī)構(gòu)一般包含控制電路、投放管、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和炸藥等。首先將裝有聲納浮標(biāo)的浮標(biāo)投放筒裝入投放管內(nèi)，在需要投放浮標(biāo)時(shí)，操控臺(tái)給出浮標(biāo)發(fā)射控制信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)引爆炸藥筒，炸藥筒產(chǎn)生的高壓氣體激活釋放機(jī)構(gòu)，并利用氣體的能量將浮標(biāo)投出機(jī)體，因其帶有一定初速，可避免余機(jī)體部件（如天線、起落架等）產(chǎn)生碰撞，該投放方式對載機(jī)投放的速度和姿態(tài)要求相對較低；

（3）高壓氣體投放是利用發(fā)射器自帶的高壓氣體對浮標(biāo)進(jìn)行施壓從而將浮標(biāo)推射出機(jī)體，其投放機(jī)構(gòu)一般由發(fā)射管、電磁閥、減壓閥、控制電機(jī)和高壓氣瓶等組成，其安裝方式和使用特點(diǎn)同炸藥發(fā)射方式，只是產(chǎn)生氣體的原理不同，同時(shí)使用高壓氣瓶提供氣體投放的方式，需不斷維護(hù)和補(bǔ)充高壓起源，其控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對精密且復(fù)雜。

目前，隨著冷氣彈射技術(shù)在國內(nèi)外新一代作戰(zhàn)飛機(jī)中應(yīng)用的日益成熟，采用清潔免維護(hù)的高壓氣體為作動(dòng)能源的投放系統(tǒng)已成為彈射發(fā)射領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。而浮標(biāo)在直升機(jī)上能否安全水平彈射出艙已成為該應(yīng)用領(lǐng)域中必須解決的重要環(huán)節(jié)，若初速過小，則有可能卡滯于機(jī)上或者出艙后與機(jī)身蒙皮發(fā)生碰撞，甚至撞到旋翼導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

本文結(jié)合直升機(jī)上浮標(biāo)投放裝置的安裝環(huán)境，采用AMESim系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)對該浮標(biāo)投放裝置兩個(gè)重要的氣路系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了模擬仿真，最終分析得出適合該型機(jī)的氣路系統(tǒng)參數(shù)。

2 系統(tǒng)工作原理及動(dòng)力學(xué)分析[1-3]

2.1 浮標(biāo)投放裝置系統(tǒng)工作原理

該型浮標(biāo)投放裝置的工作流程為高壓氣體從儲(chǔ)氣瓶通過氣路傳遞到作動(dòng)筒內(nèi)，推動(dòng)筒內(nèi)的活塞和浮標(biāo)向外運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的水平彈射投放。其氣路系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氣瓶、減壓閥、電磁閥、氣管和作動(dòng)筒等組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

本文中浮標(biāo)投放裝置的投放原理為采用高壓氣體作為能源以氣沖方式將聲納浮標(biāo)發(fā)射離機(jī)，聲納浮標(biāo)在投放前，先將其裝入能夠累積高壓氣體能量的浮標(biāo)投放筒內(nèi)，而浮標(biāo)投放筒尾部蓋板處一般有4 個(gè)徑向均布的剪切銷，用于鎖止聲納浮標(biāo)在浮標(biāo)投放筒內(nèi)；然后將浮標(biāo)投放筒與浮標(biāo)一起裝入浮標(biāo)投放裝置的發(fā)射管中；最后浮標(biāo)投放裝置通過內(nèi)部的鎖止機(jī)構(gòu)與浮標(biāo)投放筒端部的氣嘴進(jìn)行固定，在鎖止的同時(shí)完成浮標(biāo)投放筒的氣嘴與浮標(biāo)投放裝置內(nèi)的氣路對接。

聲納浮標(biāo)需要發(fā)射時(shí)，高壓氣體通過浮標(biāo)投放裝置的氣路機(jī)構(gòu)快速填充至浮標(biāo)投放筒內(nèi)，高壓氣體所產(chǎn)生的壓強(qiáng)推動(dòng)聲納浮標(biāo)剪斷浮標(biāo)投放筒尾部的鎖止蓋剪切銷，浮標(biāo)從浮標(biāo)投放筒內(nèi)以一定速度發(fā)射出去，而浮標(biāo)投放筒仍留在浮標(biāo)投放裝置發(fā)射管內(nèi)，載機(jī)落地后再由地勤人員進(jìn)行拆卸操作。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

作動(dòng)筒內(nèi)活塞的動(dòng)力學(xué)方程為：

圖1：浮標(biāo)投放裝置氣路系統(tǒng)原理框圖

圖2：浮標(biāo)投放裝置仿真模型

圖3：進(jìn)口壓力對浮標(biāo)速度的影響

圖4：電磁閥開啟時(shí)間對浮標(biāo)速度的影響

表1：模型部分圖標(biāo)意義及參數(shù)

式（1）中Frod 為活塞輸出的力，P1 為活塞進(jìn)口壓力，A1 為P1 作用的橫截面積，P2 為浮標(biāo)對活塞的反作用力，A2 為P2 作用的橫截面積，V 為活塞的速度，Visc 為粘滯摩擦系數(shù)。

活塞左側(cè)的容積可定義為：

以及活塞右側(cè)的容積為：

式（2）、（3）中stroke 為活塞的沖程（即最大行程），xact為活塞的位移，dead1 為活塞左側(cè)死腔容積，dead2 為活塞右側(cè)死腔容積。

電磁閥工作原理為通過脈沖電流控制閥體移動(dòng)來擋住或漏出排氣孔，而排氣孔打開時(shí)，高壓氣體就會(huì)進(jìn)入排氣管，然后通過高壓氣體的壓力來推動(dòng)氣壓缸的活塞，活塞推動(dòng)浮標(biāo)。通過控制電磁閥的電流就控制了浮標(biāo)的投放。

電磁閥出口的氣體質(zhì)量流量公式：

同時(shí)理想氣體狀態(tài)方程為：

式（5）中n=m/M（m 為質(zhì)量，M 為平均摩爾質(zhì)量），p 為壓強(qiáng)，V 為體積，R 為理想氣體常數(shù)，T 為絕對溫度。

由（2）、（4）、（5）式方程聯(lián)立，可得：

由于作動(dòng)筒內(nèi)浮標(biāo)的動(dòng)力學(xué)方程：

式中Mass 為浮標(biāo)的質(zhì)量，μ 為浮標(biāo)與作動(dòng)筒之間的摩擦系數(shù)。同時(shí)：

由（1）、（6）、（7）、（8）式聯(lián)立可得：

3 浮標(biāo)投放裝置仿真模型[4-5]

AMESim 提供了一個(gè)系統(tǒng)及工程的完整平臺(tái)，從其豐富的氣動(dòng)庫和氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫可以搭建各種符合仿真需求的氣路系統(tǒng)[3]。但氣動(dòng)庫中的氣路控制閥門種類較為單一，不能滿足本仿真試驗(yàn)的氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)浮標(biāo)投放裝置氣路控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，利用氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫中的子模型組合可建立滿足本次仿真所需氣動(dòng)控制系統(tǒng)的模型，仿真模型和部分模型參數(shù)如圖2、表1 所示。

4 仿真分析

根據(jù)圖2 浮標(biāo)投放裝置的仿真模型，通過對輸入信號(hào)活塞進(jìn)口壓力Pup 分別取3MPa～7MPa；以及電磁閥開啟時(shí)間分別取0.04s～0.10s 進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

從圖3 中可以看出，活塞進(jìn)口壓力值的大小對聲納浮標(biāo)初始速度的影響較大。活塞進(jìn)口壓力值越大，浮標(biāo)的分離速度（初始速度）越大且分離時(shí)間越短。當(dāng)活塞進(jìn)口壓力值為5MPa 時(shí)，聲納浮標(biāo)的初始速度大概為15.6m/s，當(dāng)塞進(jìn)口壓力值為5.5MPa 時(shí)，聲納浮標(biāo)的初始速度大概為16.3m/s，當(dāng)塞進(jìn)口壓力值繼續(xù)增大時(shí)，其速度的增幅相對較小，而從工程經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)聲納浮標(biāo)的初始速度大于10m/s 時(shí)，一般都能滿足載機(jī)飛行安全。

從圖4 中可以看出，電磁閥的開啟時(shí)間在0.06s 以下時(shí)其對聲納浮標(biāo)的分離速度影響相對較大，即電磁閥開啟時(shí)間越長，聲納浮標(biāo)的分離速度越大。當(dāng)開啟時(shí)間大于0.06s 時(shí)，浮標(biāo)的速度曲線基本保持不變。因此，從經(jīng)濟(jì)性上考慮，為了固定量的氣瓶所能達(dá)到最大的浮標(biāo)投放次數(shù)，可設(shè)定電磁閥的開啟時(shí)間為0.06s。

5 結(jié)論

上述仿真過程對浮標(biāo)投放裝置高壓氣體投放方式下與聲納浮標(biāo)離機(jī)速度最重要的參數(shù)投放氣壓和電磁閥開啟時(shí)間進(jìn)行了數(shù)值仿真，若需達(dá)到實(shí)際的工程應(yīng)用，則還需對相應(yīng)平臺(tái)的實(shí)際機(jī)體環(huán)境（機(jī)體結(jié)構(gòu)、天線和起落架等）的限制條件、不同聲納浮標(biāo)的重量、實(shí)際下洗流參數(shù)狀態(tài)、風(fēng)速風(fēng)向和浮標(biāo)投放裝置投放響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行綜合評估、仿真，得出在不同浮標(biāo)重量狀態(tài)下，以及浮標(biāo)投放裝置本身的參數(shù)條件下，仿真出復(fù)合實(shí)際需求的聲納浮標(biāo)初始發(fā)射速度。

本文通過AMESim 對一種浮標(biāo)投放裝置進(jìn)行建模和仿真，得出了不同進(jìn)口壓力、電磁閥不同開啟時(shí)間對浮標(biāo)速度響應(yīng)的影響，當(dāng)進(jìn)口壓力為5.5MPa、電磁閥開啟時(shí)間為0.06s 左右時(shí)對設(shè)計(jì)浮標(biāo)投放裝置較為經(jīng)濟(jì)且效果良好。該仿真試驗(yàn)對氣動(dòng)彈射浮標(biāo)的工作原理有進(jìn)一步的深入了解，對浮標(biāo)投放裝置在直升機(jī)及固定翼上的設(shè)計(jì)和使用研究具有一定的指導(dǎo)作用。