（湖南航天机电设备与特种材料研究所,长沙 410205）
摘 要: 研究巡飞器筒式发射装置中适配器对巡飞器出筒时状态影响问题，并对适配器进行改进设计。为了能够准确有效地获得适配器作用力对巡飞器出筒状态影响规律，将接触碰撞模型引入适配器和巡飞器接触区域间隙中，采用拉格朗日运动学方程，建立巡飞器的筒式发射动力学模型，计算巡飞器发射过程中振动特性曲线; 通过分析发现，巡飞器发射筒与适配器边界约束作用是影响巡飞器出筒口振动的重要因素。为了降低出筒时的振动，提高巡飞器出筒平稳性，改进适配器结构。通过对比有无适配器结构对系统响应，表明适配器对吸收巡飞器发射时冲击振动，减小巡飞器发射振动幅值有积极作用，为提高巡飞器出筒时的平稳性提供了科学依据。
关键词： 适配器 巡飞器 稳定性
一 引言
巡飞器筒式发射由于结构简单、可靠性高且无发射死角而受到重视，已经成为新一代单兵便携巡飞器的标准配置。巡飞器出筒平稳性是指巡飞器在飞离发射筒口时振动程度。它是影响巡飞器发射成败的重要因素，过大的振动会加重制导系统负担，严重时会造成发射失败的风险。常规发射系统中，通过发射筒导向轨接口进行安装和定位。在发射过程中，发动机点火后会产生强大的冲击载荷，引起系统的动力响应[1]。巡飞器出筒特性国外鲜有相关研究，但围绕火箭弹出筒时振动特性，国内外学者进行了大量研究[2]。文献根据动力学方程建立发射装置三维仿真模型，研究了火箭弹发射时发射管口运动学规律[3]。针对倾斜发射装置，建立动力学仿真模型，研究各种工况和边界条件下火箭弹出筒状态[4]。研究表明，类似筒式发射武器系统，发射时管口振动是影响武器系统出筒平稳性的关键因素[5]。本文针对巡飞器筒式发射系统，为了提高巡飞器发射初始阶段的平稳性，从实际工程出发，对发射筒局部进行改进，尝试在系统中增加适配器设计[7]。对适配器进行分析，建立发射系统的动力学仿真模型。研究其在系统中发挥的作用以及对巡飞器发射初始阶段平稳性的影响，为发射装置设计和实验提供参考和指导[8]。
二 筒式发射系统
（一）筒式发射装置简化模型
巡飞器筒式发射系统由巡飞器和发射装置两大部分组成，发射装置包含了发射筒、活塞、适配器和燃气发射器等部件。巡飞器通过适配器固定到发射筒内。适配器将力传递到发射筒支架上，承受几乎全部重力，是主要受力部件。
在发射过程中，发射筒中形成高压，推动巡飞器飞离发射筒。巡飞器对发射筒的冲击动载荷，根据实测内压强计算得到。发射筒内的推力-时间历程曲线如图 1 所示。
其中为垂直偏差角，为水平偏差角，分别表示推力在轴的分量。
其中，表示筒式发射系统中广义动能，分别是系统中广义力矩阵和广义坐标系。其中，和为完整以及非完整约束方程。巡飞器和适配器之间的耦合作用通过广义力体现。和分别对应完整及非完整约束的拉氏乘子列阵。
式中: 是广义速度列矩阵，是反作用约束力列矩阵。通过混合方程形式，筒式发射系统的发射动力学过程完整地描述出来。
（三） 适配器的作用力
通过改变发射筒身边界约束条件，模拟有无适配器的情况。无适配器时，发射筒仅与巡飞器翼尖之间点接触作用力，巡飞器处于无约束的自由状态。添加适配器，在发射筒和巡飞器之间会形成约束，约束关系通过力的方式体现。当燃气发生器内火药发火时，发射装置内激发的冲击振动会使巡飞器和适配器之间产生碰撞。对于接触碰撞多体动力学模型，为了处理方便且不失通用性，本文采用等效弹簧阻尼器模拟接触变形的法向接触力:
式中 和分别为碰撞接触对的质量、杨式模量、泊松比和曲率半径，为碰撞接触点相对发射筒的法向运动速度；与局部几何特性和材料特性相关；为碰撞接触点法向穿透深度。
发射筒和巡飞器之间增加适配器设计，而适配器的变形又是由巡飞器发射振动冲击造成，作用力与变形之间是一个匹配过程。因此，在数值仿真中，采用耦合迭代策略。
具体方法如下:
1) 解初始运动学方程，计算巡飞器运动状态;
2) 发射过程中，适配器位移变形;
3) 判断适配器作用下接触状态;
4) 将适配器的作用力带入巡飞器运动方程，进行迭代计算。
三 筒式发射仿真计算分析
（一）仿真模型
由于巡飞器和发射筒相互耦合的运动关系非常复杂，通过解析方式得到运动响应非常困难且没有必要。本文借用LS-DYNA，运用APDL命令流，对进行流程控制，实现有数值仿真。建立有限元模型。选取的时间步长= 0.015s，求解域为0s＜t＜0.7s。通过改变边界约束条件，模拟有无适配器的情况: 无适配器条件下，发射筒身为自由状态; 有适配器时，在适配器和发射筒之间添加等效弹簧阻尼单元对发射筒施加作用力
（二）模拟验证
设置初始条件为: 竖直偏差角α=45度，水平偏差角β=45度。通过对某典型工况下的巡飞器和发射筒姿态进行动力学仿真。得到的动力学仿真结果和实验数据进行对比，见如下表1中。
通过对比分析，相对于实验结果，仿真结果偏差值 5%-12% 左右。这说明仿真结果和实验结果基本一致，该仿真模型具有可信性。
（三）仿真试验结果分析
考虑巡飞器的在筒式发射作用下的载荷，发射系统承受的过载加速度分别设置为( 0.19g、0.11g、1.21g) 。图3-图5 给出了在有适配器和无适配器条件下，筒式发射系统中巡飞器出筒过程X方向和Y方向振动速度仿真曲线：
在发射前期(0-0.15s) ，图3和图4中两种情况仿真曲线均较为接近。此时，巡飞器处于全约束阶段，没有摆脱发射筒束缚；
结合图5中巡飞器偏航角速度曲线仿真曲线，有适配器的偏航角速度，总体小于无适配器的情况，有适配器时，巡飞器飞行姿态更为平稳。
为了进一步考察筒式发射模型中，适配器在发射装置中作用，对其进行受力分析。图6给出了适配器在仿真时间历程中压缩变形量。在 0-0.1s 内，巡飞器发射初期产生的冲击振动比较小，巡飞器弹性变形比较平缓。0.4s 后，随着巡飞器飞离发射筒，巡飞器对适配器的作用效果减弱，适配器逐渐恢复到初始状态。
四 总结
建立某巡飞器发射系统的动力学模型，通过数值仿真得到发射系统的动力响应曲线，通过对比分析发射系统中有适配器和无适配器的仿真结果，可以发现: 适配器可以吸收在发射过程中产生的冲击载荷能量，提高巡飞器的发射平稳性，安装了适配器的系统性能得到提高。
参考文献
[1] 金钊,陈思达.舰空导弹垂直发射系统发展概况 [J]. 飞航导弹. 2006 (01)
[2] 谭汉清,田义宏.国外飞航导弹舰面垂直发射关键技术研究 [J]. 飞航导弹. 2007 (04) [3] 徐悦,张振鹏,陈小庆.舰载导弹垂直发射技术研究进展 [J]. 导弹与航天运载技术. 2007 (03)
论文作者:钟维宇,邓星,邹莉莉,刘辉,申恒艳,王霞
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/21
标签：适配器论文; 系统论文; 动力学论文; 模型论文; 平稳论文; 作用力论文; 装置论文; 《科学与技术》2019年第03期论文;