某多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)彈道仿真與試驗(yàn)研究

郭錦炎,竺伊文,王華吉,宋順利,王子揚(yáng)

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076)

本文所研究的某多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng)正是一種滿足低初速的發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng),可以給各種外形的載荷提供一定的初始速度,模擬其運(yùn)動(dòng)環(huán)境。

作為一種新型的發(fā)射方式,多級(jí)桿式發(fā)射方式能夠適應(yīng)各種外形載荷的發(fā)射需求。多級(jí)桿式發(fā)射方式理論上有大桿先出和小桿先出2種模式,大桿先出更能有效實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單可靠,但對(duì)內(nèi)彈道要求更高,本文介紹的發(fā)射系統(tǒng)則采用大桿先出的模式。

由于多級(jí)桿的發(fā)射方式存在多個(gè)活塞缸高速?zèng)_擊的問(wèn)題，其緩沖方式的選擇和緩沖結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)是發(fā)射裝置產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)心的重點(diǎn)，對(duì)高速?zèng)_擊緩沖給整個(gè)發(fā)射裝置帶來(lái)的結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題的分析及彈射動(dòng)力學(xué)分析是發(fā)射總體關(guān)心的重點(diǎn)。

以空氣為動(dòng)力源的發(fā)射系統(tǒng),雖然能量密度低,體積大,但具有成本低和反復(fù)使用便捷等特點(diǎn),對(duì)以空氣為動(dòng)力源的內(nèi)彈道研究也有很多種方式方法，能量修正途徑也較多。

本文介紹的多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng)的動(dòng)力源是若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)氣瓶組成的氣瓶組，通過(guò)時(shí)序打開(kāi)電磁閥供氣，從而提供能量。由于采用多級(jí)桿大桿先出的模式,對(duì)內(nèi)彈道需求更高,通過(guò)以空氣為動(dòng)力源的發(fā)射系統(tǒng)研究多級(jí)桿式發(fā)射方式，更為靈活,可以按內(nèi)彈道需求提供動(dòng)力,按要求使多級(jí)桿產(chǎn)生規(guī)定的速度,有助于試驗(yàn)聚焦多級(jí)桿發(fā)射方式本身結(jié)構(gòu)件緩沖及發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)安全性的仿真分析研究，對(duì)這種新的發(fā)射方式的工程應(yīng)用有很大的幫助。本文將從工程便捷角度進(jìn)行研究。

1 工作原理簡(jiǎn)介

多級(jí)桿式冷發(fā)射示意圖如圖1所示。

圖1 多級(jí)桿式冷發(fā)射示意圖

本文介紹的多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng),以高壓氣瓶組為動(dòng)力源,氣瓶組通過(guò)管路和電磁閥與多級(jí)桿相連,當(dāng)電磁閥打開(kāi)后,高壓氣通過(guò)管路進(jìn)入多級(jí)桿內(nèi),高壓氣體推動(dòng)多級(jí)桿和有效載荷不斷加速,直至達(dá)到設(shè)計(jì)速度。多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng)示意圖

2 內(nèi)彈道建模

2.1 基本假設(shè)

多級(jí)桿空氣冷發(fā)射內(nèi)彈道過(guò)程包括了空氣的流動(dòng)、空氣膨脹做功、推桿推出、導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)等多種物理化學(xué)現(xiàn)象。采用集總參數(shù)法和空間平均的熱力學(xué)參數(shù)來(lái)描述空氣的流動(dòng)和導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)。基本假設(shè):

①空氣流動(dòng)模型。空氣服從理想氣體狀態(tài)方程;空氣流動(dòng)為等熵流動(dòng);流動(dòng)的損失通過(guò)系數(shù)進(jìn)行修正;推桿的泄漏面積隨多級(jí)桿的運(yùn)動(dòng)變化。

②推桿和導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型。推桿內(nèi)的壓力達(dá)到啟動(dòng)壓力后,推桿活塞和導(dǎo)彈瞬間開(kāi)始運(yùn)動(dòng);且推桿活塞和導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)為軸向一維運(yùn)動(dòng);推桿最外側(cè)一級(jí)最早開(kāi)始運(yùn)動(dòng),此后依次向內(nèi)擴(kuò)展;第九級(jí)拉出到位后第八級(jí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),此后各級(jí)推桿拉出過(guò)程中空氣作用面積由該級(jí)推桿的大端外徑計(jì)算得出,假設(shè)某級(jí)推桿推出過(guò)程中內(nèi)級(jí)推桿一起運(yùn)動(dòng)。

③熱散失和次要功模型。熱散失等各種形式的次要功采用次要功計(jì)算系數(shù)進(jìn)行修正。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論,建立主要方程。

①理想氣體方程。

=

②流量方程。

參考經(jīng)典的相對(duì)流量方程,氣瓶向多級(jí)桿內(nèi)的氣體流動(dòng)滿足如下方程:

式中:為第氣瓶(組)流向推桿內(nèi)的氣體質(zhì)量,1,為第氣瓶流向推桿內(nèi)的修正系數(shù),1,為第氣瓶流向推桿的最小截面積,t,為推桿內(nèi)的平均壓力,為第氣瓶氣體的比熱比。

式中:為推桿流向外界環(huán)境的氣體質(zhì)量,2,為推桿流向環(huán)境內(nèi)的修正系數(shù),2,為推桿縫隙的等效截面積,為環(huán)境的平均壓力。

③運(yùn)動(dòng)方程。

推桿推動(dòng)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)彈、推桿視為一個(gè)整體,有如下運(yùn)動(dòng)方程:

式中:為第級(jí)推桿拉出過(guò)程中推桿活塞的最大推力橫截面積;為導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的摩擦力;為運(yùn)動(dòng)的推桿與未運(yùn)動(dòng)推桿的摩擦力;為導(dǎo)彈的質(zhì)量;為導(dǎo)彈底推的質(zhì)量;為第級(jí)推桿的質(zhì)量;為重力加速度;為次要功修正系數(shù);為導(dǎo)彈的速度。

④推桿內(nèi)氣體能量守恒方程。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置主要由原理彈射試驗(yàn)裝置(含十級(jí)推桿)、彈射斜坡工裝架組成，原理彈射試驗(yàn)裝置實(shí)物照片如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)十級(jí)推桿現(xiàn)場(chǎng)照片

試驗(yàn)時(shí)共兩組氣瓶組(3×4-35 MPa-40 L)，試驗(yàn)時(shí)內(nèi)充23 MPa壓縮空氣，即24個(gè)氣瓶直接供氣。管路及閥的名義直徑為10 mm。氣路主要由高壓金屬軟管、電磁閥、安全閥等組成，每一個(gè)管路中均有一個(gè)手閥和一個(gè)電磁閥(型號(hào)規(guī)格：HTFPJF4600)，在布置每個(gè)管路的氣路時(shí)，均保證氣路的長(zhǎng)短一致，彎頭數(shù)量和彎頭形式一致，若確因布局原因需要調(diào)整,則優(yōu)先調(diào)整某一個(gè)高壓金屬軟管的長(zhǎng)度，不改變管路彎頭數(shù)量和形式，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)管路及電磁閥現(xiàn)場(chǎng)照片

設(shè)計(jì)了可編程時(shí)序控制器，時(shí)序控制器連接市電工作，控制電路工作為24 V直流；共有24路被控電路，單路最大電流為3 A，控制精度不小于10 ms；另有時(shí)統(tǒng)輸出信號(hào)1路，輸出24 V階躍信號(hào)；延時(shí)通過(guò)界面設(shè)置，均相對(duì)面板開(kāi)關(guān)的觸發(fā)時(shí)刻。通過(guò)時(shí)序控制器控制每一路電磁閥的開(kāi)關(guān)，如圖5所示，具備分時(shí)打開(kāi)電磁閥的功能。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)管路及電磁閥現(xiàn)場(chǎng)照片

試驗(yàn)前對(duì)每個(gè)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，時(shí)序控制器根據(jù)每個(gè)電磁閥的響應(yīng)不同，按照目標(biāo)控制時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定每個(gè)電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)刻，使用時(shí)由時(shí)序控制器進(jìn)行系統(tǒng)彈射的開(kāi)關(guān)控制，并給出時(shí)統(tǒng)信號(hào)用于標(biāo)記測(cè)試系統(tǒng)的零時(shí)刻,給高速攝像觸發(fā)信號(hào)。

本文介紹的試驗(yàn)研究中將電磁閥同時(shí)打開(kāi)，驗(yàn)設(shè)計(jì)了3 000 kg的配重，采用5°坡彈射方案，校驗(yàn)內(nèi)彈道模型的正確性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)了3 000 kg配重的彈射任務(wù)，配重均落入預(yù)先設(shè)定好的水坑內(nèi)。彈射試驗(yàn)的高速攝像照片如圖6所示。

圖6 彈射試驗(yàn)的高速攝像照片

為了便于工程研究，根據(jù)管路布置及特征，宏觀修正流動(dòng)系數(shù)。根據(jù)以上模型采用四階龍格-庫(kù)塔法編制內(nèi)彈道程序，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)示計(jì)算，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到內(nèi)彈道壓力數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 3 000 kg配重斜坡第一次彈射試驗(yàn)推桿內(nèi)壓力實(shí)測(cè)與預(yù)示計(jì)算對(duì)比曲線

研究中發(fā)現(xiàn)：氣路中軟管的布置會(huì)影響流動(dòng)修正系數(shù)，這主要跟軟管是否拐彎，拐彎半徑的大小有關(guān)，流動(dòng)修正系數(shù)的偏差導(dǎo)致內(nèi)彈道預(yù)示時(shí)存在約±1m/s的誤差，后續(xù)研究中需盡可能縮短氣路，減少軟管使用，確需使用軟管得需規(guī)范軟管的布置；此外需注意氣路中可能存在限流作用的環(huán)節(jié)和部件，使用時(shí)需進(jìn)行控制并保持一致，當(dāng)氣路技術(shù)狀態(tài)一致時(shí)，流動(dòng)修正系數(shù)是確定的。此外，特定電磁閥的流動(dòng)修正必要時(shí)可安排專項(xiàng)試驗(yàn)單獨(dú)測(cè)定。

試驗(yàn)研究表明了內(nèi)彈道模型的正確性，后續(xù)可以根據(jù)發(fā)射的內(nèi)彈道需求，靈活調(diào)整氣瓶初始?jí)毫案鱾€(gè)電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間策略，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定的彈射內(nèi)彈道目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以某多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng)為研究對(duì)象,根據(jù)其工作原理,建立了經(jīng)典內(nèi)彈道模型,對(duì)多組氣瓶供氣的發(fā)射過(guò)程進(jìn)行仿真,并用試驗(yàn)的方法實(shí)測(cè)壓力曲線的變化,通過(guò)宏觀修正流動(dòng)系數(shù),計(jì)算得到的內(nèi)彈道結(jié)果與實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果基本吻合。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,所建立的內(nèi)彈道模型對(duì)某多級(jí)桿式空氣發(fā)射系統(tǒng)的研制具有參考意義。