吳俊全，孫海文，張曉旻

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第41研究所燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025)

0 引言

為縮小貯存、運(yùn)輸和發(fā)射裝置上導(dǎo)彈體積，而需要將彈翼的一部分或全部折疊[1]。在折疊翼的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不但要保證折疊翼在折疊和展開(kāi)狀態(tài)均滿足外形要求，而且要保證折疊翼能按要求展開(kāi)，展開(kāi)運(yùn)動(dòng)必須滿足展開(kāi)時(shí)間、展開(kāi)角度、展開(kāi)不同步性的要求[2];展開(kāi)到位時(shí)，折疊翼應(yīng)定位準(zhǔn)確，鎖緊可靠，對(duì)彈身干擾小。因此對(duì)折疊翼展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，確定機(jī)構(gòu)展開(kāi)到位，并且通過(guò)地面試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于武器型號(hào)的研制具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)形式

整個(gè)折疊翼安裝在導(dǎo)彈殼體外表面，翼座與殼體外表面固連。導(dǎo)彈發(fā)射前折疊翼受發(fā)射箱約束處于折疊狀態(tài)，導(dǎo)彈發(fā)射出箱后，折疊翼以拉簧為初始展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力，在軸向過(guò)載以及氣動(dòng)力的共同作用下繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，展開(kāi)到位后與鎖緊銷發(fā)生碰撞并被鎖緊[3]。結(jié)構(gòu)形式如圖1和圖2所示。

圖1 折疊狀態(tài)

圖2 展開(kāi)狀態(tài)

2 動(dòng)力學(xué)仿真模型及計(jì)算結(jié)果

2.1 仿真模型

通過(guò)PRO/E進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后導(dǎo)入ADAMS/View進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[4]。由于折疊翼出筒展開(kāi)瞬間，導(dǎo)彈速度相對(duì)較低，忽略氣動(dòng)力的作用。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.2.1 自重和拉簧作用下展開(kāi)情況

圖3和圖4分別給出了單片折疊翼展開(kāi)過(guò)程中的角速度－時(shí)間(ω－t)曲線、角加速度－時(shí)間(a－t)曲線。圖3中第一個(gè)拐點(diǎn)表示折疊翼展開(kāi)過(guò)程中在鎖緊機(jī)構(gòu)的作用下有一定的減速作用，速度出現(xiàn)階躍表明折疊翼展開(kāi)到位，與翼座發(fā)生碰撞作用。圖4中角加速度的階躍也說(shuō)明折疊翼與翼座的碰撞，二者時(shí)間一致均為190ms。

圖3 折疊翼展開(kāi)過(guò)程中ω－t曲線

圖4 折疊翼展開(kāi)過(guò)程中a－t曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，折疊翼在自重和拉簧作用下展開(kāi)所用時(shí)間為190ms，展開(kāi)最大角速度為886°/s(圖中速度的正負(fù)值和方向有關(guān))。鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊可靠。

2.2.2 35g過(guò)載與拉簧作用下展開(kāi)情況

圖5和圖6分別給出了單片折疊翼展開(kāi)過(guò)程中的ω－t曲線、a－t曲線。圖5與圖3、圖6與圖4的曲線趨勢(shì)基本一致，只是在大過(guò)載作用下，前者的展開(kāi)時(shí)間更短、碰撞作用更大。

圖5 折疊翼展開(kāi)過(guò)程中ω－t曲線

圖6 折疊翼展開(kāi)過(guò)程中a－t曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，折疊翼在35g軸向過(guò)載和拉簧作用下展開(kāi)所用時(shí)間為80.7ms，展開(kāi)最大角速度為3439°/s。鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊可靠。

3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 自重和拉簧作用試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方案

該方案考核折疊翼在自身重力以及拉簧力共同作用下的展開(kāi)情況。

將試驗(yàn)件固定到固定臺(tái)上，通過(guò)手動(dòng)將2片折疊翼收攏后用約束繩將所有折疊翼約束綁定，將約束繩手動(dòng)剪斷或點(diǎn)火藥包燒斷后折疊翼解鎖并釋放。折疊翼釋放后，在拉簧力和自身重力作用下展開(kāi)并鎖緊。用高速攝像機(jī)拍攝折疊翼展開(kāi)過(guò)程，試驗(yàn)布置示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 靜態(tài)試驗(yàn)布置示意圖

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到各片折疊翼的展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)、鎖緊可靠、同步性較好。兩次試驗(yàn)結(jié)果 如 圖 8、圖 9所示。

由圖8和圖9可以得到，折疊翼在自重和拉簧作用下展開(kāi)試驗(yàn)的一致性相對(duì)較好，所用時(shí)間為108ms左右，兩次試驗(yàn)展開(kāi)到位的不同步性不大于20ms。折疊翼展開(kāi)角速度均為900°/s左右。

圖8 手動(dòng)剪斷約束繩展開(kāi)速度－時(shí)間曲線

3.2 35g和拉簧試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的離心力模擬折疊翼在35g軸向過(guò)載條件下的展開(kāi)情況。

將試驗(yàn)件橫臥在轉(zhuǎn)臺(tái)上固定，折疊翼收攏后用包有點(diǎn)火藥包的細(xì)繩約束。啟動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)達(dá)到指定的轉(zhuǎn)速時(shí)，引燃點(diǎn)火藥包，細(xì)繩被燒斷，折疊翼展開(kāi)并鎖緊。用高速攝像機(jī)拍攝折疊翼展開(kāi)過(guò)程，試驗(yàn)布置示意圖見(jiàn)圖10和圖11。

圖9 點(diǎn)火藥包燒斷約束繩展開(kāi)速度－時(shí)間曲線

圖10 旋轉(zhuǎn)展開(kāi)試驗(yàn)布置示意圖(折疊狀態(tài))

圖11 旋轉(zhuǎn)展開(kāi)試驗(yàn)布置示意圖(展開(kāi)狀態(tài))

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

由于高速攝像拍攝位置在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)下很難定量給予計(jì)算，只能定型分析。根據(jù)拍攝試驗(yàn)結(jié)果可以得到：折疊翼展開(kāi)順暢，鎖緊機(jī)構(gòu)可靠鎖緊，所有結(jié)構(gòu)件完好。

轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為3.2r/s，在折疊和展開(kāi)兩種狀態(tài)下折疊翼質(zhì)心距旋轉(zhuǎn)軸的距離不一致，使得兩種狀態(tài)下折疊翼軸向過(guò)載分別為29.5g和35g，該條件下折疊翼展開(kāi)所用時(shí)間分別約為72ms和80ms;轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為3.8r/s，折疊和展開(kāi)兩種狀態(tài)下折疊翼軸向過(guò)載分別為35g和41.5g，該條件下折疊翼展開(kāi)所用時(shí)間分別約為62ms和70ms。

4 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 自重和拉簧作用下展開(kāi)情況

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，手動(dòng)剪斷約束繩和引火藥包燒斷約束繩的計(jì)算結(jié)果接近，以下用手動(dòng)剪斷約束繩的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較。從圖12中可以看出，計(jì)算得到的展開(kāi)角度隨時(shí)間變化的曲線和試驗(yàn)結(jié)果具有很好的吻合度。說(shuō)明以上動(dòng)力學(xué)仿真模型合理，可以用于模擬折疊翼展開(kāi)過(guò)程的分析。

圖12 仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 35g和拉簧下展開(kāi)情況

模擬35g軸向過(guò)載的試驗(yàn)當(dāng)中，由于高速攝像機(jī)拍攝方向受限，只能得到較為粗略的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為3.8r/s時(shí)折疊翼展開(kāi)到位平均時(shí)間為約66ms，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為3.2r/s時(shí)折疊翼展開(kāi)到位平均時(shí)間約為76ms。仿真結(jié)果中展開(kāi)到位時(shí)間為80.7ms。分析認(rèn)為由于約束繩綁定不能做到完全拉緊，折疊翼有一個(gè)初始的展開(kāi)角度，使得展開(kāi)到位時(shí)間相對(duì)仿真結(jié)果較短。

5 結(jié)論

文中運(yùn)用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立了折疊翼機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：

1)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與試驗(yàn)值誤差較小，可以用于模擬折疊翼展開(kāi)過(guò)程的動(dòng)態(tài)情況;

2)該導(dǎo)彈折疊翼展開(kāi)的不同步性較小，約為8ms左右，滿足設(shè)計(jì)要求;

3)折疊翼展開(kāi)的沖擊作用下，所有結(jié)構(gòu)件完好，滿足強(qiáng)度要求。

[1]王俊生.有翼導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖冊(cè)[M].北京：宇航出版社，1992.

[2]趙育善，余旭東，馬彩霞，等.折疊翼展開(kāi)過(guò)程仿真研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，1997(2)：19－23

[3]余旭東，葛金玉，段德高，等.導(dǎo)彈現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4]李軍.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.