折疊式小口徑智能彈藥鴨舵展開技術(shù)研究

劉 偉，譚左紅，許 剛，廖長清

(重慶航天機(jī)電設(shè)計(jì)院，重慶 400039)

0 引言

折疊式鴨舵是智能彈藥的重要部件之一,對于采用舵機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的小口徑智能彈藥,在發(fā)射后按照一定的控制時序,在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用下完成舵片展開,并在鎖定銷作用下即停于鎖定位置[1]。折疊式鴨舵相較于固定舵便于貯存、運(yùn)輸和發(fā)射,加上結(jié)構(gòu)簡單,占用空間小等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于智能彈藥系統(tǒng)[2-4]。

針對折疊舵的展開過程,國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的研究。侯政等[5]基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),對導(dǎo)彈折疊舵結(jié)構(gòu)顫振進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);王國超等[6]以導(dǎo)彈為例,對其折疊舵進(jìn)行了動力學(xué)仿真和可靠性分析;劉昊鵬[7]針對艦上彈射模擬系統(tǒng),對折疊舵開展了動力學(xué)試驗(yàn)和仿真工作,對比分析了試驗(yàn)和仿真結(jié)果,為折疊舵的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。目前,大多學(xué)者涉及的折疊舵執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為扭簧,具有占用空間大,操作費(fèi)時費(fèi)力,不利于小口徑智能彈藥裝配等缺點(diǎn)。

文中針對小口徑智能彈藥的鴨式電動舵機(jī)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種折疊舵機(jī)構(gòu),并通過動力學(xué)仿真及試驗(yàn)相結(jié)合的方式對其性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。仿真及試驗(yàn)結(jié)果均表明,舵片在外力作用下展開迅速且展開到位后舵片沒有發(fā)生明顯的回彈現(xiàn)象,說明折疊舵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,可為折疊舵的工程應(yīng)用提供一定參考。

1 折疊舵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1.1 總體方案

折疊舵機(jī)構(gòu)的功能是在彈藥發(fā)射前實(shí)現(xiàn)舵片的折疊鎖定,發(fā)射后根據(jù)智能彈藥的控制指令,完成舵片的展開及展后鎖定。主要由舵機(jī)、舵片、推銷器組件、折疊機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示。

圖1 舵系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of rudder system

1.2 舵機(jī)設(shè)計(jì)

對于選用雙通道或三通道控制方式的小口徑智能彈藥,舵機(jī)的體積與數(shù)量必然對空間布局產(chǎn)生重要影響,綜合傳動效率與性價(jià)比,為縮短研制周期,提高產(chǎn)品可靠性,舵機(jī)最終采用錐齒與直齒相結(jié)合的減速傳動方案,伺服電機(jī)的動力通過一級錐齒輪和三級直齒減速傳遞到舵機(jī)輸出軸,輸出軸與舵片連接,舵機(jī)控制器根據(jù)接收的控制指令實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出角度的控制,如圖2所示。

圖2 舵機(jī)傳動示意圖Fig.2 Schematic diagram of steering gear transmission

1.3 推銷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

推銷機(jī)構(gòu)采用由推銷器火工品和鎖舵機(jī)構(gòu)的構(gòu)成方案,鎖舵機(jī)構(gòu)由推舵裝置和鎖舵裝置組成,如圖3所示。在設(shè)計(jì)中將推舵裝置的斜面與舵片底緣斜率保持一致,并采用推舵裝置對舵片的行程距離大于鎖舵裝置對推銷器火工品的行程設(shè)計(jì),以確保舵片在推銷器的作用下順利展開。當(dāng)舵片處于展前鎖緊狀態(tài)時,鎖舵機(jī)構(gòu)通過鎖舵裝置將舵片卡住;當(dāng)推銷器執(zhí)行舵展指令時,火工品引爆并帶動鎖舵機(jī)構(gòu)上移,上移后的鎖舵機(jī)構(gòu)產(chǎn)生兩種作用效果:一是鎖舵裝置解除對舵片的約束,二是推舵裝置通過斜面對舵片施加一向上推力,結(jié)合折疊機(jī)構(gòu)作用于舵柄的彈力,兩者相互配合共同完成舵片的展開及鎖定。推銷器機(jī)構(gòu)鎖舵效果見圖4。

圖3 鎖舵機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of rudder locking mechanism

圖4 推銷器機(jī)構(gòu)鎖舵效果示意圖Fig.4 Schematic diagram of rudder locking effect of pusher mechanism

1.4 折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊機(jī)構(gòu)采用與舵機(jī)一體化設(shè)計(jì),工作原理為:折疊機(jī)構(gòu)與舵機(jī)輸出軸共軸,共同形成舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸,由壓簧和附在其表面的推銷組成。舵片與舵機(jī)輸出軸的機(jī)械接口采用銷固連,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)帶動舵片偏轉(zhuǎn)。當(dāng)推銷器執(zhí)行舵展指令時,折疊舵的壓簧由于軸向約束減小,向外作用于推銷,推銷的移動通過舵柄處斜面限制舵片俯仰位移,進(jìn)而卡住舵片,實(shí)現(xiàn)舵片鎖定。舵片展開前后效果如圖5所示。

圖5 舵機(jī)傳動示意圖Fig.5 Schematic diagram of steering gear transmission

2 折疊舵展開過程的動力學(xué)仿真模型

2.1 動力學(xué)仿真模型

在三維建模軟件中構(gòu)建折疊舵機(jī)構(gòu)的三維模型,導(dǎo)入動力學(xué)仿真軟件并建立折疊舵機(jī)構(gòu)的展前鎖定、展開和展后鎖定的動力學(xué)仿真模型。

其中,在動力學(xué)模型中,舵機(jī)施加固定約束,舵柄根部施加轉(zhuǎn)動副;推銷機(jī)構(gòu)和折疊機(jī)構(gòu)施加滑動副以及加載設(shè)置彈簧參數(shù),舵片與推銷機(jī)構(gòu)間、舵片與折疊機(jī)構(gòu)間、舵片與舵機(jī)將施加接觸條件,忽略空氣阻力以及摩擦阻力,加載后的最終效果如圖6所示。

圖6 折疊舵動力學(xué)仿真模型加載示意圖Fig.6 Schematic diagram of dynamic simulation model loading

2.2 舵展開過程中的動力學(xué)仿真結(jié)果

根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合文獻(xiàn)[8-9],設(shè)置折疊機(jī)構(gòu)的壓簧預(yù)壓載荷為15 N,推銷器火工品的初始推力為300 N,將仿真時間設(shè)為20 ms,步長取值為0.1 ms,進(jìn)行仿真。重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)果為壓舵展開角度、展開時間以及展開到位沖擊載荷等,仿真結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 展開角度Fig.7 Unfolding angle

圖8 單只舵片展開過程中沖擊載荷Fig.8 Impact load of single rudder blade during deployment

從仿真結(jié)果可以得出:舵片展開時間為18.4 ms,滿足技術(shù)指標(biāo)小于20 ms的要求;折疊舵片展開到位的角度為96°,且展開到位后穩(wěn)定鎖住(舵片展前鎖定于舵機(jī)艙的角度值);單只舵片展開過程中承受的沖擊載荷在8 ms附近達(dá)到最大值77 N,之后推舵裝置解除對舵片的推力作用,舵片受到的沖擊載荷迅速減小,只在折疊機(jī)構(gòu)推銷的作用下繼續(xù)展開到位,整個舵片展開過程受到的沖擊載荷滿足技術(shù)指標(biāo)小于100 N的要求。

3 折疊舵展開過程的試驗(yàn)研究

鴨舵靜態(tài)展開試驗(yàn)是彈上推銷機(jī)構(gòu)及折疊機(jī)構(gòu)在靜態(tài)情況下,考核推銷機(jī)構(gòu)桿件是否能夠?qū)崿F(xiàn)展舵以及折疊機(jī)構(gòu)能否有效實(shí)現(xiàn)舵展后鎖定的要求。試驗(yàn)前先將測試工裝搭建在空曠的實(shí)驗(yàn)室并完成舵機(jī)、推銷機(jī)構(gòu)與舵機(jī)艙的展前鎖定裝配,其次完成舵機(jī)艙與測試工裝底板的安裝,最后在舵機(jī)艙上部,推銷器火工品模擬件通過內(nèi)套一壓簧凸出底板上表面一定高度;試驗(yàn)時通過安裝于測試臺一旁的高速攝像機(jī),試驗(yàn)人員手持力作用器作用于推銷器火工品模擬器,實(shí)現(xiàn)舵片展開和鎖定。

試驗(yàn)原理和具體試驗(yàn)過程如圖9、圖10所示。

圖9 舵靜態(tài)展開試驗(yàn)原理圖Fig.9 Schematic diagram of duck rudder static deployment test

圖10 舵靜態(tài)展開試驗(yàn)過程圖Fig.10 Static deployment test process of duck rudder

由高速攝像機(jī)攝像原理[10-12],本次試驗(yàn)選取的高速攝像機(jī)取樣時間為1 ms。從拍攝記錄的結(jié)果可知,舵片從開始展開到展開結(jié)束,共攝錄的照片數(shù)為19,進(jìn)而可推得舵片從展開到鎖定的時間共計(jì)19 ms,表明折疊機(jī)構(gòu)的展開時間滿足小于 20 ms的要求,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致,并且展開到位后舵片沒有發(fā)生明顯的回彈現(xiàn)象,說明折疊舵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 總結(jié)

針對折疊式小口徑智能彈藥,從舵機(jī)、推銷機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)三方面開展了折疊式鴨舵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),建立了折疊鴨舵展開過程的動力學(xué)仿真模型,通過使用動力學(xué)仿真及試驗(yàn)相結(jié)合的方式對其性能進(jìn)行分析驗(yàn)證,結(jié)果表明:舵片在外力作用下展開迅速并展開鎖定后舵片沒有發(fā)生明顯的回彈現(xiàn)象,說明折疊舵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,可為折疊舵的工程運(yùn)用提供參考。