高慶 常漢江 孫學(xué)麒 蔡毅鵬 周曉和 盧鑫

機(jī)載武器彈射投放系統(tǒng)氣-剛-柔耦合分析及試驗(yàn)研究

高慶 常漢江 孫學(xué)麒 蔡毅鵬 周曉和 盧鑫

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

本文建立了某氣動(dòng)彈射裝置與機(jī)載武器彈射分離過(guò)程的氣-剛-柔多場(chǎng)耦合系統(tǒng)分析模型，涵蓋了彈射裝置的氣體運(yùn)動(dòng)、機(jī)載武器的剛體運(yùn)動(dòng)以及彈性運(yùn)動(dòng)等多種因素，并獲得典型地面聯(lián)合彈射投放試驗(yàn)的驗(yàn)證，分析確定了機(jī)載武器彈性的影響，可支撐機(jī)載武器及其彈射投放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

彈射投放；氣動(dòng)-剛性-柔性耦合動(dòng)力學(xué)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

0 引言

在現(xiàn)代飛機(jī)/導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制過(guò)程中，機(jī)載武器發(fā)射是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，發(fā)射方式主要包括投放式、導(dǎo)軌式與彈射式等，采用投放式發(fā)射的主要是重型空地導(dǎo)彈，其他導(dǎo)彈大多數(shù)是采用導(dǎo)軌式或彈射式發(fā)射。彈射式發(fā)射裝置（ERU）[1]出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代后期，可使得機(jī)載武器按照預(yù)定的速度和角速度迅速離機(jī)，脫離載機(jī)干擾，并避免武器發(fā)射噴流引起載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車(chē)，并保證載機(jī)的低阻和隱身特性。目前美國(guó)、俄羅斯等飛機(jī)上已裝備了多種彈射發(fā)射裝置和相應(yīng)的空地、空艦等機(jī)載武器。

彈射發(fā)射方式為載機(jī)提供了良好條件的同時(shí)，也產(chǎn)生一定的副作用，例如彈射反作用力不應(yīng)影響載機(jī)和導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)穩(wěn)定性、不能超過(guò)被彈射導(dǎo)彈所能承受的最大橫向過(guò)載、彈射分離速度應(yīng)保證機(jī)彈安全分離、彈射后導(dǎo)彈延遲點(diǎn)火等[2]。例如美國(guó)F-22A采用的LAU-142/A彈射發(fā)射裝置，發(fā)射AIM-120C時(shí)，能在0.11s時(shí)間及0.23m行程內(nèi)，得到7.62m/s的離機(jī)速度，期間的過(guò)載高達(dá)40g。因此彈射作用力可能與機(jī)載武器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)耦合，導(dǎo)致武器本體產(chǎn)生顯著的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使得彈射過(guò)程成為機(jī)載武器的載荷和強(qiáng)度設(shè)計(jì)工況。

Piersol[3]詳細(xì)研究了“魚(yú)叉”AMG-84A導(dǎo)彈（Harpoon）彈射投放過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了發(fā)射裝置、彈架間隙、機(jī)載武器結(jié)構(gòu)等因素的影響；美軍標(biāo)MIL-HDBK-1670[4]和北約標(biāo)準(zhǔn)AECTP-200[5]等，簡(jiǎn)要描述了彈射投放過(guò)程加速度、沖擊等動(dòng)態(tài)參數(shù)。而國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了各種彈射投放裝置/系統(tǒng)的仿真、分析研究工作[6]，但主要側(cè)重于離架速度、姿態(tài)等分離安全性問(wèn)題，高慧杰[7]、艾森[8]等研究了彈射力測(cè)量技術(shù)以及彈射過(guò)程機(jī)翼的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，張士衛(wèi)[9]、王許可[10]等研究了彈射裝置結(jié)構(gòu)剛度的影響，落?壽[11]、唐霄漢[12]等將運(yùn)載火箭整流罩分離過(guò)程視作典型彈性運(yùn)動(dòng)和剛體運(yùn)動(dòng)復(fù)合的撓性多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，分析和試驗(yàn)表明整流罩彈性的影響不可忽略。但少見(jiàn)彈射裝置（氣體運(yùn)動(dòng)）和機(jī)載武器（剛體運(yùn)動(dòng)+彈性運(yùn)動(dòng)）分離過(guò)程的全系統(tǒng)耦合建模方面的研究。

本文建立了某氣動(dòng)彈射裝置與機(jī)載武器彈射分離過(guò)程的全系統(tǒng)耦合模型，考慮彈射裝置的氣體運(yùn)動(dòng)、機(jī)載武器的剛體運(yùn)動(dòng)以及彈性運(yùn)動(dòng)，研究分析了機(jī)載武器彈性的影響，并獲得典型狀態(tài)的地面聯(lián)合彈射投放試驗(yàn)的驗(yàn)證，可為機(jī)載武器的彈射投放設(shè)計(jì)以及載荷設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 彈射裝置

某彈射裝置采用高壓氣體為能源，主要由高壓氣瓶、管路/閥門(mén)、掛鉤解鎖機(jī)構(gòu)和左右彈射作動(dòng)筒等部件組成。髙壓氣瓶中的氣體，由電磁開(kāi)關(guān)閥控制，一部分推動(dòng)開(kāi)鉤活塞，釋放懸掛物吊掛；另一部分進(jìn)入彈射作動(dòng)筒，將懸掛物推離載機(jī)?？刂七M(jìn)入左、右彈射作動(dòng)筒的氣體流量，可確保懸掛物離機(jī)時(shí)獲得所需要的速度、加速度和姿態(tài)，其原理如圖1所示。

2 彈射模型

該彈射系統(tǒng)中氣瓶、管路、活塞作動(dòng)筒等主要為氣體運(yùn)動(dòng)，機(jī)載武器主要為剛性和彈性運(yùn)動(dòng)，兩者的耦合環(huán)節(jié)為活塞作動(dòng)筒的位移和作用力，因此該系統(tǒng)為氣-剛-柔耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。

2.1 氮?dú)鈿馄繗怏w

2.2 導(dǎo)氣管氣體

管路中的氣體滿足一維非定常流守恒基本假設(shè)，即：1）摩擦和散熱滿足雷諾比擬關(guān)系；2）氣流參數(shù)只與軸向距離和時(shí)間有關(guān)，而與管道徑向距離無(wú)關(guān)；3）因管道彎曲、截面突變等而產(chǎn)生的各種局部損失，按分布阻力考慮，將其影響歸結(jié)于摩擦系數(shù)中。

（2）

2.3 活塞腔內(nèi)氣體

a）左側(cè)彈射筒

氣體的密度變化為

氣體的壓力變化為：

氣體的散熱量為

理想氣體方程為

b）右側(cè)彈射筒

氣體的密度變化為

氣體的壓力變化為

氣體的散熱量為

2.4 機(jī)載武器運(yùn)動(dòng)

2.5 系統(tǒng)模型

根據(jù)上述各構(gòu)成元件的數(shù)學(xué)模型以及相互之間的耦合關(guān)系，可建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可見(jiàn)圖2。

圖2 彈射裝置-機(jī)載武器彈射系統(tǒng)氣-剛-柔耦合分析模型

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某彈射裝置與機(jī)載武器的地面聯(lián)合彈射試驗(yàn)，如圖3所示。機(jī)載武器安裝在彈射裝置上，模擬實(shí)際飛機(jī)掛載情況。所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備都布置在試驗(yàn)臺(tái)附近，并用電纜與彈上傳感器相連，測(cè)量彈射分離過(guò)程中各部位的低頻加速度等數(shù)據(jù)。其中加速度傳感器位于機(jī)載武器兩端，有效頻率范圍為0～ 100Hz，用于測(cè)量彈射過(guò)程中機(jī)載武器產(chǎn)生的剛體和彈性加速度。

圖3 某彈射投放試驗(yàn)示意圖

3.1 時(shí)域特征

彈射過(guò)程的機(jī)載武器兩端實(shí)測(cè)及質(zhì)心預(yù)示的低頻加速度響應(yīng)時(shí)間歷程如圖4所示，前端加速度響應(yīng)峰值大于25g，后端峰值大于15g，并快速衰減。

與質(zhì)心（剛體）預(yù)示結(jié)果相比，機(jī)載武器彈性影響顯著，表現(xiàn)為：

a）在彈射起始時(shí)刻，機(jī)載武器兩端的加速度方向與彈射方向相反；

b）彈射過(guò)程中，兩端響應(yīng)差異明顯，且振蕩過(guò)程顯著；

c）彈射結(jié)束，即機(jī)載武器離架后，彈性響應(yīng)衰減消失，兩端響應(yīng)與質(zhì)心預(yù)示結(jié)果趨于吻合；

d）為保證機(jī)載武器離架時(shí)的低頭姿態(tài)，理論上剛體加速度分布規(guī)律應(yīng)為前端>質(zhì)心>后端，但由于機(jī)載武器彈性響應(yīng)的疊加效應(yīng)，前后端實(shí)測(cè)加速度峰值均大于質(zhì)心處。在彈射筒的快速作用下，機(jī)載武器同時(shí)存在剛體運(yùn)動(dòng)和彈性運(yùn)動(dòng)，并且彈性響應(yīng)貢獻(xiàn)較大，對(duì)載荷的影響不可忽略。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模型分析結(jié)果對(duì)比表明，彈射裝置—機(jī)載武器彈射系統(tǒng)氣-剛-柔耦合分析模型能夠較好的表征實(shí)際機(jī)載武器的彈射響應(yīng)，初步驗(yàn)證了分析模型的正確性。

3.2 頻域特征

利用快速傅立葉(FFT)分析方法，可以獲得彈射過(guò)程低頻加速度的頻譜特征，以及能量在頻域內(nèi)的分布特性，分析結(jié)果見(jiàn)圖5。頻譜分析時(shí)，對(duì)圖4中的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了高通濾波，濾波截止頻率為5Hz。可見(jiàn)，彈射過(guò)程的主要能量集中低頻段，且彈射時(shí)機(jī)載武器對(duì)彈射作用力的響應(yīng)非常明顯（55Hz附近）。

圖4 機(jī)載武器兩端的典型加速度時(shí)間歷程

圖5 機(jī)載武器兩端加速度的頻譜分析結(jié)果

4 機(jī)載武器彈性影響分析

4.1 對(duì)機(jī)載武器響應(yīng)的影響

利用上述彈射裝置-機(jī)載武器彈射系統(tǒng)氣-剛-柔耦合分析模型，可得到機(jī)載武器彈性運(yùn)動(dòng)和剛性運(yùn)動(dòng)對(duì)加速度和姿態(tài)角速度等響應(yīng)的影響，如圖6和圖7所示。

可見(jiàn)機(jī)載武器彈性將使得加速度和角加速度響應(yīng)均具有顯著的動(dòng)態(tài)特性，分析表明其頻率成分以機(jī)載武器橫向模態(tài)頻率為主，兩者的最大值顯著大于剛體運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。機(jī)載武器一階頻率為60Hz時(shí)，前端加速度最大值增大約15%，后端最大值增大約20%；機(jī)載武器一階頻率為30Hz時(shí)，前端加速度最大值增大約50%，后端最大值增大約70%。因此機(jī)載武器彈性運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)載武器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響不可忽略，且彈性越大，影響越顯著。

圖6 彈性運(yùn)動(dòng)對(duì)加速度響應(yīng)的影響

圖7 彈性運(yùn)動(dòng)對(duì)俯仰角速度響應(yīng)的影響

4.2 對(duì)彈射裝置的影響

同樣也可得到機(jī)載武器彈性運(yùn)動(dòng)和剛性運(yùn)動(dòng)對(duì)彈射裝置氣路壓力和彈射力等的影響，如圖8和圖9所示。可見(jiàn)機(jī)載武器一階頻率為60Hz時(shí)，氣瓶壓力受到的影響較小，變化不超過(guò)2%；前彈射筒壓力和彈射力受到的影響稍大，最大值增大約2%；后彈射筒壓力和彈射力受到的影響較大，最大值增大約5%。

圖8 彈性運(yùn)動(dòng)對(duì)氣路壓力的影響

圖9 彈性運(yùn)動(dòng)對(duì)彈射力的影響

機(jī)載武器一階頻率為30Hz時(shí)，氣瓶壓力、前彈射筒壓力和彈射力受到的影響稍大，最大值增大約5%；后彈射筒壓力和彈射力受到的影響較大，最大值增大約18%。因此，機(jī)載武器彈性越大對(duì)彈射裝置的影響越大，若機(jī)載武器剛度較弱，則彈射裝置設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略機(jī)載武器彈性的影響。

5 結(jié)論

本文針對(duì)機(jī)載武器彈射投放過(guò)程，分別建立了彈射裝置氣路模型、機(jī)載武器剛體和彈性運(yùn)動(dòng)模型、彈射作動(dòng)筒與機(jī)載武器的力和位移匹配關(guān)系，得到了彈射裝置-機(jī)載武器彈射系統(tǒng)的氣-剛-柔耦合模型。利用地面彈射試驗(yàn)進(jìn)行了校驗(yàn)，修正了模型參數(shù)，驗(yàn)證了耦合系統(tǒng)仿真模型的精度，可用于機(jī)載武器彈射過(guò)程的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、彈性響應(yīng)、載荷條件等的分析和設(shè)計(jì)。得到以下結(jié)論：彈射投放的主要?jiǎng)討B(tài)特征是彈射力的快速變化，與機(jī)載武器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的耦合和疊加；機(jī)載武器彈性對(duì)機(jī)載武器自身的過(guò)載、載荷等影響明顯，對(duì)彈射裝置影響稍小，但彈性越大影響越大。

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Simulation and Test Research on Gas-Rigid-Flexible Coupling of the Ejection Launch System

GAO Qing CHANG Han-jiang SUN Xue-qi CAI Yi-peng ZHOU Xiao-he LU Xin

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

An analysis model of the gas-rigid-flexible coupling system between the ejection launcher (ERU) and airborne weapons is established, considering the gas motion of the ejection launcher, the rigid and flexible motion of the weapon, and verified by the typical ground joint ejection test. The influence of the weapon’s elasticity is studied and analyzed. The model is helpful in the design of the ejection launcher (ERU) and air-launched weapon.

Ejection launches system; Gas-rigid-flexible coupled dynamics; Dynamic response

V421.7

A

1006-3919(2021)04-0001-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.001

2021-04-11；

2021-06-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11902363)

高慶(1982—)，男，高級(jí)工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及力學(xué)環(huán)境等；（100076）北京9200信箱1分箱-1.