王博哲，吳競峰，桑希軍，陳 偉

(中國航天科工集團第九總體設計部，武漢 430040)

0 引言

整流罩是導彈在稠密大氣層飛行過程中，保護有效載荷不受氣動力、氣動熱及聲振等有害環(huán)境影響的關鍵部件[1]。在有效載荷無需保護時，必須打開整流罩，以便有效載荷正常工作。為了實現整流罩與彈體能夠安全分離，保證兩者在分離過程中不發(fā)生碰撞，建立有效的力學模型并通過在計算機上的結構動態(tài)仿真則是解決分離問題的有效途徑[2]。

文中采用Adams動力學分析軟件，在考慮了分離前彈體(包括整流罩)殘余角速度的影響條件下，對某型導彈整流罩的分離過程進行了動力學仿真研究。

1 整流罩分離系統(tǒng)介紹

整流罩采用整體軸向分離方案[3]，連接解鎖裝置采用爆炸螺栓，分離沖量裝置為彈簧作動器。分離系統(tǒng)結構形式如圖1所示，其中4個彈簧作動器沿圓周方向均勻分布。

仿真的初始條件定義如下:

1)分離系統(tǒng)相關對象的質量特性參數如表1所示。

圖1 整流罩及分離體結構圖

表1 分離系統(tǒng)質量質心參數表

2)初步選用分離彈簧剛度為50.8N/mm，彈簧行程49mm，因此彈簧壓縮后的力為2489.2N。仿真分析中彈簧剛度較大，阻尼按剛度的1‰考慮[4]。彈簧的剛度偏差(彈簧圈數大于10)如表2所示[5]。

表2 彈簧剛度極限偏差表

3)彈簧作動器在仿真坐標系中的布置位于象限偏45°方向上。

圖2 彈簧作動器的布置

4)爆炸螺栓解鎖同步性一般要求為0.2ms，為了可靠，本文分析中采用0.5ms。

5)分離過程中整流罩內端框最可能與分離體發(fā)生碰撞。在仿真過程中給出整流罩內端框靠近端面的兩點(位置如圖1所示)qzh_shang(0，520.5)和 qzh_xia(0，－520.5)的軌跡，并分別給出這兩點到分離體軸線的距離。

2 仿真模型的建立

仿真模型包括整流罩、彈簧作動器組件、分離體，這些模型是采用簡化的方式在 Pro/E中建立，利用Pro/E和MSC Adams間的接口軟件，定義剛體和關鍵Marker點，定義好的模型導入 Adams，在 Adams中定義約束、力以及初速度等邊界條件。添加的邊界條件如表3所示。

表3 剛體間的約束關系

主要仿真步驟如下:

1)在添加表3中所有約束和力的情況下仿真1s;

2)使表中序號4、序號5、序號6的約束和力失效;

3)繼續(xù)小步長仿真0.5s，400步長;

4)加大步長，仿真至約束(結束時間 3s，步長150)。

其中，通過控制序號6中4個固定副的失效時間模擬解鎖不同步性。通過修改序號2中spring的參數實現彈簧剛度偏差仿真;控制序號6中4個固定副的失效數量來模擬某彈簧失效。

3 整流罩分離相關因素仿真分析

仿真時把整流罩和分離體固定為一個整體，并在總質心處加1°/s的轉動，仿真1s后分離，再繼續(xù)仿真2s。下文提到的時間均為仿真時間，實際分離時間應減去1s。

3.1 解鎖不同步條件下的分離過程仿真分析

爆炸螺栓解鎖不同步仿真分兩種情況，第一種是如圖2中彈簧1、4慢0.5ms，分析結果為 man14;第二種情況是彈簧作動器 2、3慢 0.5ms，分析結果為man23。為了便于比較，對解鎖同步的情況進行了仿真，分析結果為biaozhun。

仿真分析結果如圖3～圖5所示。

圖3 沿X軸方向的相對分離速度和位移

圖4 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖5 整流罩內框兩點的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖3～圖5可以得出如下結論:

1)由圖3知解鎖不同步對相對分離速度和位移沒有影響;

2)由圖4知，解鎖不同步使整流罩的姿態(tài)角速率最大為 2.0°/s，分離體的姿態(tài)角速率最大為1.0016°/s;

3)如圖5所示，解鎖不同步對軌跡和距離影響較小。

3.2 彈簧剛度偏差條件下的分離過程仿真分析

彈簧剛度存在偏差時，分離姿態(tài)的最壞情況是殘余角速率與由于剛度偏差引起的姿態(tài)轉動疊加。仿真分三種工況，分別按一級、二級、三級彈簧的剛度偏差。每種工況分兩種情況，第一種是如圖2中彈簧1、4剛度偏大，彈簧2、3剛度偏小，仿真結果為da14_x，其中x為1、2或3，表示幾級彈簧;第二種情況是彈簧1、4剛度偏小，彈簧2、3剛度偏大，仿真結果為da23_x。為了便于比較，對剛度不存在偏差的情況進行了仿真，仿真結果為biaozhun。仿真分析結果如圖6～圖8。

圖6 沿X軸方向的相對分離速度和位移

圖7 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖8 整流罩內框兩點的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖6～圖8可以得出如下結論:

1)由圖6知，剛度偏差對相對分離速度和位移影響較小，沿X軸的相對分離速度為2.45m/s;

2)如圖7所示，彈簧按一、二、三級，整流罩姿態(tài)角速率最大分別為 3.6°/s、6.2°/s、8.7°/s，分離體姿態(tài)角速率最大分別為 1.005°/s、1.010°/s、1.015°/s;

3)如圖8所示，彈簧剛度偏差對距離和軌跡影響較大。

3.3 彈簧失效條件下的分離過程仿真分析

在某彈簧失效條件下，分離姿態(tài)的最壞情況是殘余角速率與由于某彈簧失效引起的姿態(tài)轉動疊加。為了使兩者最大疊加，將模型整體沿軸線逆時針轉動45°，使彈簧位于仿真坐標系象限上。

仿真分兩種情況，第一種是如圖2逆時針旋轉后的彈簧1失效，分析結果為shixiao1;第二種情況是彈簧3失效，分析結果為shixiao3。為了便于比較，對彈簧正常工作的情況進行了仿真，分析結果為biaozhun。仿真分析結果如圖9～圖11。

圖9 沿X軸方向的相對分離速度和位移

圖10 整流罩和分離體繞Z軸的角速度

圖11 整流罩內框兩點的軌跡和到分離體軸線的距離

由圖9～圖11可以得出如下結論:

1)由圖9知某彈簧失效對相對分離速度和位移影響較大，沿X軸的相對分離速度為2.1m/s;

2)由圖10知，因彈簧失效使整流罩角速率最大為 40.2°/s，分離體姿態(tài)角速率最大為 1.08°/s;

3)由圖11知某彈簧失效對距離和軌跡影響很大。

綜合上述三種影響因素的仿真分析，在表4中給出了各種工況下整流罩及分離體沿X軸方向相對分離位移為1000mm時的時間和整流罩內框兩點距分離體軸線的最小距離，同時給出了相對分離速度和整流罩姿態(tài)角速率。

表4 仿真結果匯總表

4 結論

文中應用Adams軟件對整流罩在解鎖不同步、彈簧剛度偏差、彈簧失效三類影響因素下的分離過程進行了動力學仿真分析，結果發(fā)現:

1)爆炸螺栓解鎖同步性對分離姿態(tài)的影響較小，不會影響分離;

2)彈簧剛度偏差對分離姿態(tài)影響較大，在選取彈簧時應選取高等級彈簧，并進行彈簧剛度篩選;

3)彈簧失效將導致整流罩不能正常分離。

[1]徐永成，茍永杰，王石剛.某衛(wèi)星整流罩分離仿真分析[J].上海航天，2009(1):53－56.

[2]韓飛，雷義民，趙志軍.基于ADAMS的導彈分離技術研究[J].彈箭與制導學報，2008，28(5):48 －50.

[3]龍樂豪.總體設計(中)[M].北京:中國宇航出版社，2005.

[4]MSC 公司.MSC.ADAMS basic full simulation package training guide[M/OL]. http://paws.kettering.edu/～amazzei/student_guide.pdf

[5]GB 1239.2－89冷卷圓柱螺旋壓縮彈簧技術條件[S].國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，1989.