非爆破柔性气缸弹射器研究

柳忠彬， 肖守讷， 王欢

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031； 2.四川理工学院 机械工程学院, 四川 自贡 643000)

非爆破柔性气缸弹射器研究

柳忠彬1，2， 肖守讷1， 王欢2

(1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031； 2.四川理工学院 机械工程学院, 四川 自贡 643000)

研究一种基于压缩气体静音发射的柔性气缸弹射器，实现了在约束且不爆破的情况下对弹射物变距离做功。通过弹射理论分析、仿真计算和实验验证相结合的方法，对柔性气缸弹射器动力学特性进行研究。结果表明：柔性气缸折叠压缩、充气展开弹射能实现对弹射物的发射，弹射过程无爆破现象；弹射器弹射能力受到柔性气缸初始长度、柔性气缸与弹射物的接触面积、柔性气缸压力等因素的影响。在对不同初始长度柔性气缸的弹射能力的研究中发现：柔性气缸初始长度越长、折叠量越大，柔性气缸展开弹射的作用距离就越大，弹射能力也就越强；通过4个φ1 000 mm×2 000 mm规格的柔性气缸组在2 MPa压力作用下弹射质量60 t弹射物可产生4.6 MJ能量，可实现对大质量物体的弹射。该研究成果对实现高压气体可控能量释放与大质量弹射技术研究具有参考意义。

飞行器试验技术； 弹射器； 柔性壁; 气缸; 压缩空气弹射

0 引言

弹射器以能量的提供和转化为目的，目前常见的弹射器有燃气式弹射装置、压缩空气式弹射装置、火药式弹射装置、液压式弹射装置、火箭式弹射装置、弹簧式弹射装置、飞轮式弹射装置、电动式弹射装置、蒸汽式弹射装置和电磁式弹射装置等[1-3]，其中应用于美国新一代战机的AVEL液压弹射装置就是一个典型的弹射器[4]，西北工业大学以高压氮气为动力源的内置式弹射机构[5-6]、浙江工业大学提出由高速液压缸、活塞式蓄能器组成的液压弹射机构[7-9]、解放军理工大学提出的NMOHEMS机载单元式气动弹射[10]等都属于压缩式弹射。压缩空气式弹射、液压式弹射是以刚性气缸或液压缸为约束器件，通过气体、液体或汽液混合物高压推动活塞做功，从而实现对弹射物的发射，具有能量大、控制精度高、响应速度快、结构紧凑等优点，但也存在设备笨重、综合性能指标复杂、动作可靠性要求高、高压气缸制造工艺难度大等问题，其弹射能力受到刚性气缸或液压缸长度、口径等因素的制约。

目前对于压缩空气能量释放与做功过程的研究侧重于压缩气体在刚性气缸中进行，被弹射物位于刚性气缸套筒内，受到气缸壁约束并在高压气体作用下沿缸体轴向移动而被弹射，被弹射物脱离气缸后，气缸内高压气体被释放出来，产生具大冲击并伴随音爆现象。本文提出一种压缩气体膨胀于折叠的柔性气缸内展开弹射的方法来解决大质量物体的弹射问题。柔性气缸与刚性气缸不同，被弹射物置于柔性气缸外，在弹射过程中柔性气缸内气体不向外排出，没有音爆现象，其弹射作用的距离来自于柔性气缸的长度变化，此谓柔性气缸的“非爆破”弹射。通过对现有气囊作用方法的研究发现，大多对气囊的研究侧重于利用气体在气囊有限空间内压缩来吸收能量，而对于气囊受压展开推动做功过程的研究还有待探索。本文利用气囊柔性边界展开特性改变传统气缸压缩空气能量释放条件，将刚性气缸对高压气体的约束拓展到柔性气缸动态可变边界约束，以气囊作为柔性气缸，通过其柔性壁可变边界增加气缸长度，实现高压气体受气缸约束且不释放情况下弹射做功的技术方案，为大质量、非爆破、静音弹射提供研究和应用基础。

1 柔性气缸弹射系统

1.1 柔性气缸弹射工作原理

柔性气缸展开弹射系统如图1所示，主要由气罐、进气口、排气口、气压计、柔性气缸、弹射物、止挡构成。

图1 柔性气缸展开弹射系统示意图Fig.1 Schematic diagram of flexible cylinder ejection system

其工作原理是：首先利用排气口对气罐及柔性气缸内气体进行释放，同时将可折叠柔性气缸折叠压缩于气罐右侧端部，弹射物与柔性气缸右侧端面紧靠，利用止挡锁定弹射物并关闭排气出口。再向柔性气缸内持续充入气体，气压计达到一定值时，通过止挡释放弹射物，弹射物被柔性气缸推动发射。随着柔性气缸长度动态增加，推动力持续作用于弹射物，直到弹射物与柔性气缸推动面脱离，此时停止向柔性气缸内充气。在整个弹射过程中柔性气缸没有气体的排出与爆破现象。柔性边界气缸做功的大小与柔性壁气缸的当量作用面积、压力及气缸对弹射物的作用距离相关。

1.2 柔性气缸加速能量方程

1.2.1 基本假设

在研究柔性气缸弹射能力时作如下假设：

1)气体被视为理想气体；

2)柔性气缸的展开为准静态过程；

3)柔性气缸内气体与气缸外没有热量交换，忽略柔性气缸进气接口、柔性气缸本身的空隙所产生的气体泄漏。柔性气缸的强度足够，在整个过程中不会撕裂。

1.2.2 柔性气缸展开作用能量方程

柔性气缸弹射的充气展开方式有3种：第一种是充入气体，待缸内的气压达到一定值后停止充入气体，即恒气体质量展开(忽略气体泄漏)；第二种是保持气缸内压力值恒定的形式，即恒压力充气展开；第三种是通过流量控制阀，使充气的进气量恒定，即恒定进气量充气展开。第一种方式在气缸展开时，会出现气囊展开不完全的情况，第二种方式对进气流量的控制要求高。从弹射测试实验的实施考虑，为了便于控制，宜采用恒定进气流量的方式。

柔性气缸弹射在稳定流量情况下以恒定充气量向气缸内充气。气缸内气压在气缸展开过程中的计算分解为两个过程：第一个过程视为在(0，t1)内气缸体积不变，充入气体后，气缸内压力增大到p1；第二个过程视为在(t1，t)内气体质量恒定，不再充入气体，气缸展开体积增加到V，气缸内气体压强减小至p.p、V是t时刻在恒定进气量的模式下气缸内的气压和体积。

1)假设气体流入气缸后气缸体积不变为V0，气压从p0增大至p1，流进气缸的气体体积为ΔV=Qt，p1的计算公式为

p1=p0+Δp,

(1)

(2)

(3)

式中：p0、V0分别为气缸展开前的初始气压和体积；Q为流入气缸的气体流速；Ti为气缸内气体温度；ρ为气体密度；M为气体分子质量；R为理想气体常数。

2)压力至增值p1时，释放弹射物后，气缸体积增加至V，压力减小至p(这一阶段假设是恒气体质量展开)，根据理想状态方程有

(4)

V=V0+xS,

(5)

式中：x、p、V分别为t时刻气缸展开长度、气压和体积；T1、T2为不同状态的温度；S为柔性气缸端部的横截面积(即是柔性气缸与弹射物的接触面积，由于柔性气缸端部横截面积在充气变化过程中的变化很小可以忽略不计，认为接触面积恒定)。

(6)

(7)

式中：μ为动摩擦系数；m为可移动物体的质量；g为重力加速度；ttot为气缸推动的总时间。

(7)式也可写为

(8)

将(8)式两边对时间求2阶导数得

(9)

p′1=Δp′,p″1=Δp″,

(10)

(11)

联立(10)式、(11)式求得气缸内压力函数p(t). 通过气缸压力函数求得柔性气缸展开作用能量方程为

(12)

(13)

式中：v为t时刻弹射物的速度。

再由(13)式求得弹射物在各时刻的速度。

2 仿真分析与实验研究

2.1 仿真分析

柔性气缸可由多个基本气缸单元串联而成，图2为3个单元气缸串联后得到的气缸。气缸推动模型中，y0为气缸自由长度，yc为气缸被压缩过程中的长度，yd为气缸在展开过程中的长度，ymax为气缸在展开过程中的最长长度。

图2 气缸弹射状态随时间的变化Fig.2 Change of cylinder ejection state over time

气缸固定在刚性墙壁上，弹射物简化为一个质量块，只能沿Y方向移动。本文将柔性气缸受压展开弹射过程定义为在一定时间段内气缸展开作用的宏观力学行为：0～t1时间段,在弹射物上施加外力压缩气缸，气缸端部与弹射物之间产生接触力，并锁定弹射物，然后对气缸进行充气；t1～t2时间段,拆除作用在弹射物上的外力，气缸推动弹射物沿Y方向加速移动；t2～t3时间段,气缸已完全展开，停止充气，弹射物在摩擦力的作用下减速移动。

2.2 柔性气缸的充气展开过程仿真

本文使用LS-PREPOST软件建立柔性气缸充气展开弹射的有限元模型, 再生成K文件并通过LS-DYNA求解器进行求解。

建模时采用了CV法来描述柔性气缸充气受压展开过程，用*SIMPLE-AIRBAG-MODEL定义充气模型，气缸的材料为*MAT_FABRIC. 柔性气缸固定在气罐上，气罐简化为刚性壁，其材料由*MAT_RIGID定义，刚性壁是固定不动的，应限制其X、Y、Z方向的位移和转动。弹射物同样也简化为刚体，除Y向位移外，其余5个自由度固定。柔性气缸与刚体之间的接触模型为点面接触模型，用关键字*NODE_TO_SURFACE定义。

为在LS-DYNA中计算柔性气缸弹射展开动力学过程，需要对弹射物、柔性气缸等的弹性模量作出定义，系统仿真具体参数见表1.

表1 系统仿真材料参数

注：EA代表X方向，EB代表Y方向，EC代表Z方向；GAB代表X、Y方向，GBC代表Y、Z方向，GCA代表Z、Y方向；PRBA代表Y、X方向，PRCA代表Z、X方向，PRCB代表Z、Y方向。

柔性气缸对弹射物的弹射作用与气缸的结构要素(如柔性气缸作用于弹射物的距离y、柔性气缸与弹射物之间的接触面积S、柔性气缸内压力p等)密切相关。设定进气流量恒定，在充气达到初始压强0.8 MPa时释放弹射物。仿真模型中，柔性气缸的最大半径为250 mm，原始长度为1 500 mm，弹射物受止档的作用力通过在弹射物上施加大小恒定的止推力来模拟，柔性气缸折叠压缩后的长度由施加的止推力和充气时柔性气缸内压力大小共同决定。弹射物的质量为100 kg，接触面积为0.196 m2.

图3中，图3(a)为弹射物与柔性气缸接触。通过外加止推力作用于弹射物，使得弹射物反向压缩气缸，此为柔性气缸的压缩折叠过程，如图3(b)所示。在外加止推力锁定作用下增加柔性气缸内气压并达到要求值后，拆除止推力使得弹射物只受地面摩擦力和气缸推动力，如图3(c)所示。弹射物受到柔性气缸推动力作用并沿Y方向(柔性气缸展开方向)做加速直线运动直至气缸完全展开，如图3(d)、图3(e)所示。图3(f)反映出柔性气缸与弹射物分离。

图3 柔性气缸压缩折叠充气展开弹射的形态Fig.3 The form of the flexible cylinder folding, compression, inflatable unfolding and catapulting

2.3 柔性气缸弹射能量特征

图4 不同长度柔性气缸在Y方向的动能特性曲线Fig.4 Kinetic energy characteristic curves of flexible cylinders with different lengths in direction Y

弹射物在柔性气缸展开弹射过程中的能量指标是首要的。弹射物获得能量的大小与诸多因素有关，如作用距离、柔性气缸内的压力大小、柔性气缸与弹射物的接触面积和展开形态等，其中作用距离、压力大小、推动面积是关键因素。图4为在充气达到相同压力、柔性气缸与弹射物的接触面积相同而初始长度不同的情况下，柔性气缸在充气展开过程中弹射物的动能特征曲线。曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为长柔性气缸，中长柔性气缸和短柔性气缸动能的变化规律，长、中长和短柔性气缸的长度比为3∶2∶1.

从图4中可以看出，柔性气缸初始长度增加对弹射物所获得能量的影响是非常显著的。在0.04 s 时，短柔性气缸推动弹射物的能量为2 kJ，中长柔性气缸推动弹射物的能量为6 kJ，长柔性气缸推动弹射物的能量为12 kJ. 由此可看出长柔性气缸展开推动的加速动力与短柔性气缸和中长柔性气缸相比，其加速度的大小及推动延续的时间长度显然更为突出，显示出柔性气缸初始长度越长的气缸，其推动能量越大。

2.4 柔性气缸展开作用距离

柔性气缸展开弹射过程中其柔性壁随着气压膨胀而发生长度上的变化，柔性气缸对气体的约束作用没有改变，其作为气缸的推动作用依然存在并持续对弹射物产生推动力。

图5为跟踪不同长度柔性气缸端部位置特征点(图2中A、B、C点)，得到柔性壁气缸展开的作用距离曲线。Ⅲ为短柔性气缸端部特征点C的位移曲线，最大位移为0.08 m；Ⅱ为中长柔性气缸端部特征点B的位移曲线，最大位移为0.15 m；Ⅰ为长柔性气缸端部特征点A的位移曲线，最大位移为0.25 m；且在0.06 s后作用距离均维持不变。这说明在柔性气缸展开过程中，柔性气缸无气体向外释放，没有出现爆破使得柔性气缸失压而丧失弹射作用。另外柔性气缸端部位置特征点负向位移反映了柔性气缸的折叠过程。从负向位移的大小可知，长柔性气缸的折叠量最大(即柔性气缸折叠压缩的程度最大)，所以展开长度最长，与图4中长柔性气缸获得的动能最大相对应。上述推动展开距离随柔性气缸充气达到的初始压力和柔性气缸长度而改变，反映出不同长度柔性气缸在折叠充气情况下的展开弹射能力差异较大，长度越长、折叠量越大，弹射能力越强。

图5 柔性气缸充气展开的作用距离Fig.5 Pushing distance of flexible cylinder unfolding

2.5 弹射测试

柔性气缸弹射测试系统由阀门、压力传感器、速度传感器、加速度传感器、电磁控制器、高速摄影仪、触发控制器、1号安全阀、2号安全阀、计算机等组成(见图6)。阀门用来控制气体由空气压缩机进入高压气罐的流量和流速，1号安全阀用来控制高压气罐气体的压力。2号安全阀用来控制与气缸相连的气室内气体的压力，当气室内压力大于2号安全阀设定的阈值时，2号安全阀将自动排气，直至气室内压力低于设定值为止。另外，在进行气缸展开弹射实验时，为了避免气缸长时间处于高压状态，当气缸展开完成时，通过压力表检测气缸内压力状况，并通过触发控制器控制2号安全阀自动打开释放气体压力，直到气缸内压力等于大气压力为止。

图6 柔性气缸弹射测试系统Fig.6 Flexible cylinder catapult test system

弹射物的侧位安置了速度传感器，其由两个探测点构成，检测弹射物移动过程中通过此两点的时间，由两点之间的距离可推算出弹射物的速度；由COCO-90动态信号分析仪及三维加速度传感器对气缸移动过程中某一点上的X、Y、Z3个方向的加速度进行监测。高速摄像机则主要用于检测气缸展开过程中气缸的形态变化。电磁控制器是通过控制电磁吸附装置对柔性气缸进行压缩，并对弹射物进行限位，当电磁控制器打开时，电磁吸附关闭，弹射物被释放，在气缸展开推动的作用下加速移动。压力传感器、速度传感器、加速度传感器、电磁控制器、高速摄影仪、触发控制器、2号安全阀通过多路信号与计算机进行联通，实现信号采集与控制。

图7给出了弹射物质量为100 kg情况下，通过仿真分析和实验测试得出柔性气缸在充气达到不同初始压力p1下的速度v分布。可知所提出的柔性气缸自增长弹射驱动方法理论结果和实际结果相近，显示仿真模型的正确合理性，可在此基础上进行大质量的弹射仿真分析。

图7 在初始不同压力下仿真和实验的速度比较Fig.7 Comparison of experimental and simulated speeds at different initial pressures

2.6 大质量弹射分析

如图8(a)、图8(b)所示，设计规格为φ1 000 mm×2 000 mm柔性气缸按4×1并联组合成弹射系统，考查其弹射能力。为简化模型所建柔性气缸为自然成形，没有折叠，其折叠过程在弹射物反向压缩过程中体现，弹射物质量60 t，柔性气缸压力维持在2 MPa.

图8 柔性气缸组弹射系统Fig.8 Flexible cylinder group catapult system

在对上述柔性气缸组进行仿真计算中，为了节约计算时间，首先对柔性气缸组进行压缩，然后直接释放弹射物，通过柔性气缸对其进行展开弹射，中间过程没有停止。以下为柔性气缸推动过程中弹射物位移、速度、加速度、动能等分析结果。

图9～图12中体现了柔性气缸在压缩折叠与展开弹射过程中，弹射物的位移、速度、加速度和动能随时间变化的曲线。各图中0.3 s的拐点为气缸折叠压缩程度最大状态向开始弹射状态转变。图9反映了柔性气缸的折叠量为1.5 m. 图10反映了弹射物在Y方向上的速度起伏较大，方向由负转为正，但所获得的能量为正，如图12所示。另外，由于图12所反映的是大质量物体的弹射过程，在弹射作用时间上与小质量弹射(见图4)比较，弹射作用时间更长，能量更大，二者反映了相似的弹射规律。由

图9 弹射物位移曲线Fig.9 Projectile displacement curve

图10 弹射物速度曲线Fig.10 Curve of projectile velocity

图11 弹射物加速度曲线Fig.11 Curve of projectile acceleration

图12 弹射物在Y方向上的总动能曲线Fig.12 Total kinetic energy curve of ejection object in direction Y

图9～图12可知，采用4个φ1 000 mm×2 000 mm规格的柔性气缸按4×1并列组合的弹射系统，在2 MPa压力环境下能提供约4.6 MJ能量，能使60 t弹射物达到10 m/s的速度。

3 结论

本文为实现压缩气体静音非爆破发射提出了柔性气缸弹射器，实现高压气体在不爆破情况下对弹射物的变距离做功，通过对柔性气缸弹射理论、仿真模型分析和实验验证，得出如下结论：

1) 柔性气缸在压缩折叠后充气展开的弹射能力与其展开长度相关，若折叠压缩越充分，弹射有效作用距离就越长。柔性气缸初始长度越大，其弹射推动的加速度能力及推动作用持续的时间会变得更加突出，所产生的推动能量上升越明显。且在仿真和实验过程中柔性气缸没有出现压缩气缸爆破失效的现象。

2) 在相同弹射物质量和充气达到的不同初始压力情况下，对柔性气缸弹射性能进行的理论分析和实验测试得出相近的弹射速度分布，表明本文所提出的柔性气缸自增长弹射驱动方法是可行的。在一定的柔性气缸初始长度、柔性气缸与弹射物之间的接触面积和初始充气压力下，可实现不同质量弹射物的发射。以4个φ1 000 mm×2 000 mm规格柔性气缸并列组合，并在2 MPa压力作用下对60 t弹射物进行弹射仿真分析，结果显示出该弹射系统能提供约4.6 MJ能量，可使60 t弹射物达到10 m/s的速度。柔性气缸弹射器在折叠压缩和一定大小的高压气体瞬间弹射条件下可获得较好的加速度与能量。本文研究成果对实现高压气体可控能量释放与大质量弹射技术研究具有参考意义。

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Research on Non-blasting Flexible Cylinder Launcher

LIU Zhong-bin1，2， XIAO Shou-ne1， WANG Huan2

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, Sichuan， China;2.School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, Sichuan， China)

A flexible cylinder launcher based on compressed gas mute launch was developed in order to realize to do work in changing distance to ejection object in the case of constraint and non-blasting. The dynamic characteristics of flexible cylinder launcher is studied through the analysis of catapult theory, simulation calculation and experimental verification. Results indicate that the flexible cylinder launcher can catapult the projectiles when it is folded, compressed, inflated and unfolded, and no blasting phenomenon exists during catapulting. The catapult ability of launcher is affected by the initial length of the flexible cylinder, the contact area of flexible cylinder and projectile, the pressure in flexible cylinder and other factors. The catapult ability of flexible cylinder with different initial lengths is researched. It is found that the longer the initial length is, and the more the fold number of flexible cylinder is, the longer the its catapult distance is, and the stronger its catapult ability is. Under the action of the pressure 2 MPa, aφ1 000 mm×2 000 mm four flexible cylinder group which catapults a 60 t projectile can produce 4.6 MJ energy. It reflects that flexible cylinder launcher can realize to catapult large mass object.

experimental technology of aerocraft; launcher; flexible wall; cylinder; compressed air catapult

2016-07-20

牵引动力国家重点实验室开放基金项目(TPL1405)； 四川理工学院人才引进项目(2016RCL23)

肖守讷(1964—)，男，研究员。E-mail:snxiao@home.swjtu.edu.cn

柳忠彬(1972—)，男，教授，硕士生导师。E-mail:172232288@qq.com

V216.5+5

A

1000-1093(2017)02-0389-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.02.025