折叠翼展开试验与动力学仿真研究*

吴俊全，孙海文，张晓旻

(中国航天科技集团公司第四研究院第41研究所燃烧、流动和热结构国家级重点实验室，西安 710025)

0 引言

为缩小贮存、运输和发射装置上导弹体积，而需要将弹翼的一部分或全部折叠[1]。在折叠翼的设计过程中，不但要保证折叠翼在折叠和展开状态均满足外形要求，而且要保证折叠翼能按要求展开，展开运动必须满足展开时间、展开角度、展开不同步性的要求[2];展开到位时，折叠翼应定位准确，锁紧可靠，对弹身干扰小。因此对折叠翼展开过程进行动力学分析，确定机构展开到位，并且通过地面试验进行验证，对于武器型号的研制具有重要意义。

1 结构形式

整个折叠翼安装在导弹壳体外表面，翼座与壳体外表面固连。导弹发射前折叠翼受发射箱约束处于折叠状态，导弹发射出箱后，折叠翼以拉簧为初始展开驱动力，在轴向过载以及气动力的共同作用下绕转轴转动，展开到位后与锁紧销发生碰撞并被锁紧[3]。结构形式如图1和图2所示。

图1 折叠状态

图2 展开状态

2 动力学仿真模型及计算结果

2.1 仿真模型

通过PRO/E进行机构设计，然后导入ADAMS/View进行运动分析[4]。由于折叠翼出筒展开瞬间，导弹速度相对较低，忽略气动力的作用。

2.2 动力学仿真分析

2.2.1 自重和拉簧作用下展开情况

图3和图4分别给出了单片折叠翼展开过程中的角速度－时间(ω－t)曲线、角加速度－时间(a－t)曲线。图3中第一个拐点表示折叠翼展开过程中在锁紧机构的作用下有一定的减速作用，速度出现阶跃表明折叠翼展开到位，与翼座发生碰撞作用。图4中角加速度的阶跃也说明折叠翼与翼座的碰撞，二者时间一致均为190ms。

图3 折叠翼展开过程中ω－t曲线

图4 折叠翼展开过程中a－t曲线

从计算结果可以看出，折叠翼在自重和拉簧作用下展开所用时间为190ms，展开最大角速度为886°/s(图中速度的正负值和方向有关)。锁紧机构锁紧可靠。

2.2.2 35g过载与拉簧作用下展开情况

图5和图6分别给出了单片折叠翼展开过程中的ω－t曲线、a－t曲线。图5与图3、图6与图4的曲线趋势基本一致，只是在大过载作用下，前者的展开时间更短、碰撞作用更大。

图5 折叠翼展开过程中ω－t曲线

图6 折叠翼展开过程中a－t曲线

从计算结果可以看出，折叠翼在35g轴向过载和拉簧作用下展开所用时间为80.7ms，展开最大角速度为3439°/s。锁紧机构锁紧可靠。

3 试验方案及试验结果

3.1 自重和拉簧作用试验

3.1.1 试验方案

该方案考核折叠翼在自身重力以及拉簧力共同作用下的展开情况。

将试验件固定到固定台上，通过手动将2片折叠翼收拢后用约束绳将所有折叠翼约束绑定，将约束绳手动剪断或点火药包烧断后折叠翼解锁并释放。折叠翼释放后，在拉簧力和自身重力作用下展开并锁紧。用高速摄像机拍摄折叠翼展开过程，试验布置示意图见图7。

图7 静态试验布置示意图

3.1.2 试验结果

在试验过程中观察到各片折叠翼的展开过程平稳、锁紧可靠、同步性较好。两次试验结果 如 图 8、图 9所示。

由图8和图9可以得到，折叠翼在自重和拉簧作用下展开试验的一致性相对较好，所用时间为108ms左右，两次试验展开到位的不同步性不大于20ms。折叠翼展开角速度均为900°/s左右。

图8 手动剪断约束绳展开速度－时间曲线

3.2 35g和拉簧试验

3.2.1 试验方案

该试验通过转台旋转的离心力模拟折叠翼在35g轴向过载条件下的展开情况。

将试验件横卧在转台上固定，折叠翼收拢后用包有点火药包的细绳约束。启动转台，当转台达到指定的转速时，引燃点火药包，细绳被烧断，折叠翼展开并锁紧。用高速摄像机拍摄折叠翼展开过程，试验布置示意图见图10和图11。

图9 点火药包烧断约束绳展开速度－时间曲线

图10 旋转展开试验布置示意图(折叠状态)

图11 旋转展开试验布置示意图(展开状态)

3.2.2 试验结果

由于高速摄像拍摄位置在转台转动下很难定量给予计算，只能定型分析。根据拍摄试验结果可以得到：折叠翼展开顺畅，锁紧机构可靠锁紧，所有结构件完好。

转台转速为3.2r/s，在折叠和展开两种状态下折叠翼质心距旋转轴的距离不一致，使得两种状态下折叠翼轴向过载分别为29.5g和35g，该条件下折叠翼展开所用时间分别约为72ms和80ms;转台转速为3.8r/s，折叠和展开两种状态下折叠翼轴向过载分别为35g和41.5g，该条件下折叠翼展开所用时间分别约为62ms和70ms。

4 计算与试验结果分析

4.1 自重和拉簧作用下展开情况

根据试验结果，手动剪断约束绳和引火药包烧断约束绳的计算结果接近，以下用手动剪断约束绳的试验结果和仿真结果进行比较。从图12中可以看出，计算得到的展开角度随时间变化的曲线和试验结果具有很好的吻合度。说明以上动力学仿真模型合理，可以用于模拟折叠翼展开过程的分析。

图12 仿真结果与试验数据对比

4.2 35g和拉簧下展开情况

模拟35g轴向过载的试验当中，由于高速摄像机拍摄方向受限，只能得到较为粗略的数据。转台转速为3.8r/s时折叠翼展开到位平均时间为约66ms，转台转速为3.2r/s时折叠翼展开到位平均时间约为76ms。仿真结果中展开到位时间为80.7ms。分析认为由于约束绳绑定不能做到完全拉紧，折叠翼有一个初始的展开角度，使得展开到位时间相对仿真结果较短。

5 结论

文中运用ADAMS动力学仿真软件建立了折叠翼机构的动力学模型，并通过试验进行了验证。结果表明：

1)动力学仿真结果与试验值误差较小，可以用于模拟折叠翼展开过程的动态情况;

2)该导弹折叠翼展开的不同步性较小，约为8ms左右，满足设计要求;

3)折叠翼展开的冲击作用下，所有结构件完好，满足强度要求。

[1]王俊生.有翼导弹结构设计图册[M].北京：宇航出版社，1992.

[2]赵育善，余旭东，马彩霞，等.折叠翼展开过程仿真研究[J].弹箭与制导学报，1997(2)：19－23

[3]余旭东，葛金玉，段德高，等.导弹现代结构设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

[4]李军.ADAMS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002.