孔 超，王 軍，陳建平，沙趙明

(1. 上海機(jī)電工程研究所，上海 210109； 2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

電磁彈射是指利用電磁力做功，將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而推進(jìn)物體到高速或超高速的發(fā)射技術(shù)[1-3]。目前，導(dǎo)彈發(fā)射主要采用自動(dòng)力方式，但隨著導(dǎo)彈作戰(zhàn)需求向多樣化發(fā)展，導(dǎo)彈彈射相關(guān)技術(shù)越來(lái)越受到重視[4]。燃?xì)馐綇椛浼夹g(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)，因此應(yīng)用較多，但在工作過(guò)程中燃?xì)鉁囟雀?、壓力大，燃?xì)馐綇椛溲b置工作環(huán)境惡劣[5]。電磁彈射技術(shù)具有能量利用率高、推力大、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為發(fā)射領(lǐng)域的熱門研究技術(shù)[6]，但對(duì)于導(dǎo)彈電磁彈射技術(shù)的相關(guān)研究較少。

本文針對(duì)某導(dǎo)彈電磁彈射裝置進(jìn)行發(fā)射穩(wěn)定性分析，研究電磁彈射技術(shù)應(yīng)用于某導(dǎo)彈發(fā)射的可行性。

1 總體結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)電磁彈射裝置的功能和性能要求，參考火箭彈發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)[7-10]，某導(dǎo)彈電磁彈裝置主要包括導(dǎo)彈、發(fā)射箱、電磁彈射器、起落架、回轉(zhuǎn)體、高低機(jī)、方向機(jī)、底架、運(yùn)載車、支腿和駐鋤等部分，其總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Overall structure composition

2 發(fā)射動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

某導(dǎo)彈電磁彈射裝置多剛體動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

3 發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真模型

利用ADAMS軟件建立某導(dǎo)彈電磁彈射裝置發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖2所示。各部分的約束關(guān)系為：導(dǎo)彈與發(fā)射箱、發(fā)射箱與電磁彈射器、電磁彈射器與起落架之間分別采用固定副連接；起落架與回轉(zhuǎn)體之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；高低機(jī)內(nèi)外筒之間采用移動(dòng)副連接，并建立大剛度彈簧以模擬高低機(jī)作用；回轉(zhuǎn)體與底架之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，并建立具有結(jié)構(gòu)阻尼的扭簧以等效方向受力；底架與運(yùn)載車之間采用固定副連接；輪胎與運(yùn)載車之間采用固定副連接；支腿與運(yùn)載車之間采用移動(dòng)副連接，并建立一定剛度和阻尼的彈簧以模擬支腿作用；支腿與地面之間采用三向力連接，其豎直方向受力利用單側(cè)碰撞函數(shù)IMPACT模擬；輪胎與地面采用ADAMS軟件/Tire模塊建立；駐鋤與運(yùn)載車之間采用固定副連接；駐鋤與地面之間采用三向力連接，其水平方向與側(cè)向受力利用雙側(cè)碰撞函數(shù)BISTOP模擬，豎直方向受力利用單側(cè)碰撞函數(shù)IMPACT模擬。

1. 發(fā)射箱(含導(dǎo)彈);2. 電磁彈射器;3. 底架;4. 駐鋤;5. 回轉(zhuǎn)體;6. 支腿;7. 方向機(jī);8. 運(yùn)載車;9. 地面;10. 高低機(jī);11. 起落架。圖2 某導(dǎo)彈電磁彈射裝置發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.2 Launch dynamics simulation model of a missile electromagnetic ejection device

導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，導(dǎo)彈受到電磁彈射器產(chǎn)生的電磁推力作用，電磁彈射器受到后坐力和制動(dòng)反力的作用。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和電磁彈射器電機(jī)堵動(dòng)狀態(tài)下的受力變化規(guī)律，設(shè)定導(dǎo)彈所受的電磁推力如圖3所示。根據(jù)電磁推力和電磁彈射器制動(dòng)特性，設(shè)定電磁彈射器所受的后坐力和制動(dòng)反力如圖4所示。

圖3 導(dǎo)彈所受的電磁推力Fig.3 Electromagnetic force on missile

圖4 電磁彈射器所受的后坐力和制動(dòng)反力Fig.4 The recoil force and braking counterforce of electromagnetic catapult

某導(dǎo)彈電磁彈射裝置采用傾斜方式發(fā)射，方向射角為±30°，高低射角為15°～60°，選取4種極限射角工況進(jìn)行發(fā)射穩(wěn)定性分析，計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況Tab.1 Calculation conditions

4 發(fā)射穩(wěn)定性分析

電磁彈射裝置中心處的位移曲線如圖5所示。由圖5(a)可知，電磁彈射裝置存在一定程度的橫向位移，在工況三時(shí)，橫向位移最大，約為15 mm。由圖5(b)可知，電磁彈射裝置先后移再前移，在工況一時(shí)，后移幅度最大，約為70 mm。由圖5(c)可知，電磁彈射裝置存在一定程度的垂向位移，在工況一時(shí)，垂向位移最大，約為3.5 mm。

(a) 橫向位移

(b) 縱向位移

(c) 垂向位移圖5 電磁彈射裝置中心處位移曲線圖Fig.5 Displacement diagram at center of the electromagnetic ejection device

左側(cè)、右側(cè)駐鋤的垂向位移曲線分別如圖6、圖7所示。由圖6可知，左側(cè)駐鋤先下移后上移，在工況三時(shí)，上移幅度最大，約為13 mm。由圖7可知，在工況三時(shí)，右側(cè)駐鋤下移幅度最大，約為12 mm，然后在制動(dòng)反力的作用下上移約14 mm。

圖6 左側(cè)駐鋤垂向位移Fig.6 Vertical displacement of left spade

圖7 右側(cè)駐鋤垂向位移Fig.7 Vertical displacement of right spade

運(yùn)載車輪胎所受地面垂直支反力曲線如圖8～11所示。由圖8和圖9可知，在4種工況下，運(yùn)載車左側(cè)、右側(cè)前輪胎所受地面支反力先減小后增大，但始終不小于零，說(shuō)明左側(cè)、右側(cè)前輪胎一直未離開(kāi)地面；由圖10和圖11可知，由于后坐力的消失和制動(dòng)反力的作用，左側(cè)、右側(cè)后輪胎均出現(xiàn)地面支反力為零的情況，說(shuō)明輪胎存在離開(kāi)地面的情況，但時(shí)間較短，根據(jù)駐鋤上移的高度可知，輪胎離地高度在可接受范圍之內(nèi)。

圖8 左側(cè)前輪胎所受地面垂直支反力Fig.8 The vertical counterforce of the left front tire against the ground

圖9 右側(cè)前輪胎所受地面垂直支反力Fig.9 The vertical counterforce of the right front tire against the ground

圖10 左側(cè)后輪胎所受地面垂直支反力Fig.10 The vertical counterforce of the left rear tire against the ground

圖11 右側(cè)后輪胎所受地面垂直支反力Fig.11 The vertical counterforce of the right rear tire against the ground

發(fā)射穩(wěn)定性是指發(fā)射裝置在自重和外部載荷的作用下抵抗傾覆的能力[11]。由于電磁彈射裝置的導(dǎo)彈發(fā)射間隔較長(zhǎng)，因此彈射裝置的位移在可接受范圍內(nèi)即可達(dá)到發(fā)射穩(wěn)定性要求。同時(shí)，可以通過(guò)優(yōu)化駐鋤接地面積來(lái)提高電磁彈射裝置的發(fā)射穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某導(dǎo)彈電磁彈射裝置動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，由分析可知：在方向射角30°、高低射角15°的工況下，電磁彈射裝置的橫向位移最大；在方向射角0°、高低射角15°的工況下，電磁彈射裝置的縱向和垂向位移最大；在4種工況下運(yùn)載車輪胎所受地面支反力基本上保持在0以上。雖然電磁彈射裝置存在一定程度的移動(dòng)，但都在可接受范圍內(nèi)。因此，某導(dǎo)彈電磁彈射裝置具有較好的發(fā)射穩(wěn)定性，可以應(yīng)用電磁彈射技術(shù)進(jìn)行某導(dǎo)彈的發(fā)射。后期可根據(jù)某導(dǎo)彈電磁彈射裝置的設(shè)計(jì)方案制造小型試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行電磁彈射試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)一步優(yōu)化某導(dǎo)彈電磁彈射裝置的設(shè)計(jì)。