气态低冲击阻尼式弹上火工作动器研究

吴建刚，黄　敏，尚雅玲

(1.海军驻武汉三江航天集团军事代表室，武汉　430040； 2.湖北三江航天红峰控制有限公司，湖北 孝感　432000;

3.海军航空工程学院，山东 烟台　264001)



气态低冲击阻尼式弹上火工作动器研究

吴建刚1，黄敏2，尚雅玲3

(1.海军驻武汉三江航天集团军事代表室，武汉430040； 2.湖北三江航天红峰控制有限公司，湖北 孝感432000;

3.海军航空工程学院，山东 烟台264001)

摘要：目前国内弹上作动产品较多使用弹簧、扭簧等贮能零件或火工品作用产生的气体所为动力源，在推力、冲击过载等方面分别存在一定的局限性；为了解决该问题，提出了一种基于气体阻尼的作动器，通过调整火药柱的初始质量能够实现弹上火工作动产品大推力、小冲击、速度可控等多方面功能，并且结构简单、体积较小，应用范围广泛。

关键词：作动器；阻尼；推力；冲击

Citation format:WU Jian-gang, HUANG Min, SHANG Ya-ling.Research on High Load Low Impact Damping Onboard Pyrotechnics Actuation Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):34-36.

当前美国和俄罗斯作动器技术基本已趋于成熟，一般通过火工品点燃火药，燃烧产生高压气体，推动活塞机构运动，以类似硅油介质作为缓冲剂。弹上作动器火药燃烧一般燃速极快，几十毫秒内就产生高压气体，在无阻尼的情况下，活塞在瞬间气体推力作用下运动速度大，可达到几十m/s甚至更高，冲击过载达到数万g以上，会对弹上其他机构造成较大冲击，甚至造成结构的损坏。采用机械缓冲或液态缓冲技术，体积较大。气态低冲击阻尼式作动器可通过气体作为缓冲介质，对火药做功时产生的机构冲击起到有效的缓冲作用，同时该作动器还具有体积小、运动速度低、运动平缓等特点[1-5]。

通过对气态低冲击阻尼式弹上火工作动器结构设计、特性仿真研究和试验验证，证明药柱的初始质量对低冲击阻尼式弹上火工作动器的性能有重要影响，通过调整药柱的初始质量可实现高压密封、小冲击、活塞运动速度可控。

1气态低冲击阻尼式弹上作动器设计

1.1实现低阻尼3种方法

实现低冲击阻尼的方式一般有3种：气态阻尼、液态阻尼和固态阻尼。气态阻尼一般采用压缩空气或燃气；液态阻尼一般采用液压油；固定阻尼一般采用弹性材料、弹性零件、固态润滑粉末(如石墨粉、二硫化钼等)等[2,6-8]。

3种阻尼方式的优缺点比较如表1所示。

表1　3种阻尼对照

比较3种阻尼方式，液态阻尼方式虽然阻尼特性较好，结构简单，但由于液态阻尼使用液压油黏度受温度影响较大，一般弹上使用产品工作环境温度较低，有的达到-60℃，因此其阻尼特性受环境影响较大，不宜采用[9-12]。固态阻尼弹性材料、零件一般适用于低阻力、短行程阻尼；固态润滑粉末虽在工业产品有使用，但在军品使用较少，还不太成熟。而采用气态阻尼虽然结构设计较复杂，对密封设计要求较高，但环境适应性好，技术成熟，因此低冲击弹上作动器选择气态阻尼的方式。

1.2低冲击弹上作动器设计

低冲击阻尼弹上作动器主要由点火器、药盒、活塞、筒体和锁定销组成，结构如图1所示。初始状态，活塞由锁定销实现原始位置自锁。工作时，点火器点燃火药，产生的高压气体通过导气管进入作动器阻尼腔，然后气体通过活塞上的小孔进入动力腔，由于两个腔室截面积不同，因此活塞对外界产生推力，推力增加到一定值时，切断锁定销，克服前腔阻尼、弹簧以及外界载荷的阻力活塞缓慢运动，活塞运动过程中，气体不断通过活塞上的进气孔从阻尼腔补充到动力腔，保证活塞运动速度均匀，动作平缓，对弹上其他机构冲击小。活塞运动到规定距离时，由于受到前段结构件阻挡停止运动，同时活塞在气体压力的作用下处于自锁保持状态。

为实现火工作动器大推力、低冲击和体积小的要求，火药作动时推力的大小可以通过火工品和药剂的选型、药量的匹配计算、动力腔和阻尼腔的压力调整、进气通道的参数设置等方式来实现。

图1　低冲击阻尼弹上作动器结构示意图

2低冲击阻尼式弹上作动器特性分析

2.1作动器气动方程

由于作动器作用时间短，因此，将作动器与外界的能量交换忽略。按功能特点将作动器的气动空间划分为3个部分：燃气发生腔、缓冲腔和动力腔，各腔室间在作用过程中能量与质量传递关系如图2所示。

图2　作动器能量与质量传递关系

根据图2，建立各腔室在瞬态下气体的能量与质量微分方程

(1)

(2)

式中：m为药柱的初始质量；γ为燃气的比热比(1.266 3)；fV为定容火药力。

缓冲腔气体质量和能量微分方程为：

(3)

(4)

式中：U为活塞的运动速度；S1为缓冲腔一侧活塞承压面积。

动力腔气体质量和能量微分方程为

(5)

(6)

式中S2为动力腔一侧活塞承压面积。

由气体状态方程，各腔室压强、温度、气体质量、能量有如下关系：

缓冲腔

(7)

(8)

式中：V1为阻尼腔体积；R为气体常数，由通用气体常数Rm除以燃气摩尔质量得到。

动力腔

(9)

(10)

式中：S1为动力腔一侧活塞承压面积；V2为动力腔初始体积；S为活塞运动位移。

2.2仿真计算结果

利用Matlab软件对上述方程进行求解，得到动力腔与缓冲腔压力-时间曲线如图3所示(实线为缓冲腔曲线，虚线为动力腔曲线)；活塞位移-时间关系仿真曲线如图4所示。

图3　动力腔与缓冲腔压力-时间关系仿真曲线

图4　活塞运动位移-时间关系仿真曲线

3试验验证

在不同的温度、载荷情况下给低冲击阻尼式弹上作动器供电(直流28.5V)，记录从作动器开始动作到动作到位的时间、测试作动器在动作过程中对其他机构的冲击、活塞运动时间和位移。试验情况如表2所示[3]。

表2　作动器试验情况汇总

试验表明本文设计的冲击阻尼式弹上火工作动器具有缓冲压力、降低活塞速度，在不同温度环境下使用，通过调整药柱的初始质量实现了机构推力、速度、行程可调整功能。

4结论

本文针对弹上火工作动器集动力输出功能与缓冲作用为一体的研究目的，开展了结构方案设计、进行了理论计算和有效的试验验证，证明药柱的初始质量对低冲击阻尼式弹上火工作动器的性能有重要影响，调整药柱的初始质量可实现高压密封、小冲击，使活塞运动速度可控。由于不同型号自身结构特点以及环境条件存在差异，低冲击阻尼式弹上火工作动器在具体应用时还需进行参数调整，适应性改进设计。

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(责任编辑周江川)

Research on High Load Low Impact Damping Onboard Pyrotechnics Actuation Technology

WU Jian-gang1, HUANG Min2, SHANG Ya-ling3

(1.Military Representative Office of Navy in Sanjiang Aerospace Corp., Wuhan 430040, China;2.Owned Station of Hong Feng Mechanical Factory, Xiaogan 432000, China;3.Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China)

Abstract:At present, more domestic onboard actuation products use energy generated by storage components or pyrotechnics such as spring and torsion spring as a power source, but there are some limitations in the thrust and impact overload respectively. This paper proposed a new kind of actuator based on gas damping. It can make the onboard actuation in large thrust, small impact and achieve many functions such as speed controllable by adjusting the initial weight of stick. This product has simple structure, small size and wide range of applications.

Key words:actuator; damping; thrust; impact

文章编号：1006-0707(2016)02-0034-04

中图分类号：TJ45+4

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.009

作者简介：吴建刚(1979—),男,硕士,主要从事自动控制技术研究。

收稿日期：2015-06-29；修回日期：2015-07-25

本文引用格式：吴建刚，黄敏，尚雅玲.气态低冲击阻尼式弹上火工作动器研究[J].兵器装备工程学报，2016(2):34-36.

【装备理论与装备技术】