两种弹射方案对旋转发射架的振动影响分析

李海军，莫子烯，游 坤

(海军航空工程学院 机械电子工程系， 山东 烟台 264001)

【机械制造与检测技术】

两种弹射方案对旋转发射架的振动影响分析

李海军，莫子烯，游 坤

(海军航空工程学院 机械电子工程系， 山东 烟台 264001)

美国与俄罗斯战略轰炸机内部弹舱能够挂载旋转发射架，以旋转供弹方式发射巡航导弹。如战略轰炸机内部弹舱能挂载和投放炸弹，巡航导弹一般采取外挂式发射。这种发射方式气动阻力大，不利于飞机隐身。为国产轰炸机弹舱设计一种适用的旋转发射架，制定一种新式的投弹方案，不同于美俄主流轰炸机投弹的方式。分析两种投弹顺序下旋转发射架的振动情况。分析结果表明：投弹时保证剩余挂弹对称可减小旋转发射架的离心振动，更适合在国产轰炸机上应用。

战略轰炸机；旋转发射架；投弹方案；振动

战略轰炸机隐身性能和气动性能的优劣决定其是否能够远程顺利突防进行战略打击[1]。美俄战略轰炸机，弹舱体积巨大，一般采取内埋式旋转发射架发射巡航导弹，极大地增强了突防打击能力[2]。国产轰炸机弹舱一般挂载炸弹，导弹采取外挂式，突防能力较差，只能中远程打击目标，不易达到战略轰炸机的标准。因此，对旋转发射架技术的研究是提升我军战略轰炸机性能的重要任务。本文参考了美俄战略轰炸机旋转发射架的工作原理，并根据国产轰炸机的性能水平和弹舱尺寸，设计了一种适用旋转发射架；分析比较旋转发射架在两种投弹顺序下的离心振动情况，为旋转发射架的实际应用提供理论参考。

1 旋转发射架设计

美军B1-B飞机可以在其弹舱内安装3个旋转发射架[3]，图-160飞机也能安装两个旋转发射架[4]。如轰炸机的弹舱尺寸狭小，其内部弹舱只能安装1个旋转发射架，用以挂载我军某型空舰巡航导弹。在设计过程中，要注意在满足旋转发射架工作性能的前提下，尽量使装配体足够紧凑，不影响飞机的飞行技术指标。

旋转发射架工作原理如下：旋转发射架安装在轰炸机的弹舱内部，6枚巡航导弹通过专用挂架固定在装置的滚筒上，专用挂架上装有弹射器。装置通过旋转的方式供弹，当导弹转动到最下方指定弹射位置时，锁定机构锁定滚筒的转动，挂架上的弹射器开始弹射导弹。当导弹弹射完毕后，解锁机构解除对滚筒锁定，继续进行旋转供弹。

根据其工作原理，省略电动机和减速器的建模，在SolidWorks中作出旋转发射架的三维装配图如图1。

为使装配体足够紧凑，导弹应采取折叠弹翼模式，弹射后弹翼展开。由于加工条件的限制，滚筒不能设计成封闭型，宜设计成组合式空心轴，空心轴中间圆筒和挂架配合，并用螺栓与两端盖板将其紧固连接[4]。

2 投弹方案与偏心距

2.1 投弹方案设计

以图-160飞机为例，若将投弹过程分为6个行程。旋转发射架的投弹顺序一般采用方案一，如图2所示的，导弹每个行程按图中逆时针转动60°，直至所有的导弹依次弹射完毕。

采取这种投弹顺序时剩余挂弹不对称，使战机受载不平衡。而且滚筒在转动时，受到较大的离心力，甚至产生剧烈的振动。倘轰炸机的抗振能力和抗过载能力不如图-160等飞机，不宜采用上述投弹方案。

轰炸机弹舱在投放炸弹时，一般遵循“一前一后，一左一右”的原则，尽量使飞机受载平衡[5]。同理，旋转发射架发射导弹时，也应该遵循对称的原则。因此，设计一种投弹顺序如方案二所示，如图3。这样使剩余挂弹尽可能对称，减小滚筒转动引起的离心力，能收到减振的效果。

图2 投弹方案一示意图

图3 投弹方案2示意图

如图3所示，行程Ⅰ为旋转发射架满载导弹时情况，导弹1位于弹射准备位置；导弹1弹射完毕后，导弹逆时针转动180°使导弹2转动至弹射准备位置，为行程Ⅱ；导弹2弹射后，导弹逆时针转动60°使导弹3转动至弹射准备位置，为行程Ⅲ；同理，行程Ⅳ滚筒转动180°，行程Ⅴ滚筒转动60°，行程Ⅵ滚筒转动180°，直至所有导弹弹射完毕。

2.2 偏心距计算

∑mi=Mn=nm1+6m2+m筒,n为弹射后剩余导弹数；m1为导弹质量；m2为挂架质量；m筒为滚筒质量。

投弹方案一各行程滚筒转动前截面示意图如图4。

n=6时，滚筒满载导弹。滚筒、导弹和挂架各部分质量相对中心惯性轴平衡，此时系统的偏心距e为0；

将导弹质量m1，挂架质量m2，滚筒质量m筒=ρV，导弹质心与中心轴l1代入，得到剩余挂载导弹数目n与所造成的偏心距e的关系如表1。

图4 方案一滚筒截面示意图

导弹数n654321数值/mm083.7167.3228.4241.8179.7

由表1可以看出，投弹方案一中n=2时，有最大偏心距。

投弹方案二各行程滚筒转动前截面示意图如图5。

图5 方案二滚筒截面示意图

同理，代入得到剩余挂载导弹数目n与的偏心距e的关系如表2。

表2 方案一n与e的关系

由表2可知，挂载导弹数为偶数时，偏心距为0。剩余导弹数n=1时，有最大偏心距。

4 基于ADAMS平台的振动仿真分析

4.1 ADAMS模型建立

将SolidWorks中建立旋转发射架的三维装配体模型保存为ADAMS能识别的扩展名为x_t的PARASOLID文件,将其Import进入ADAMS/VIEW中[7]。根据要求设置坐标系、工作栅格、单位、重力加速度。对模型进行简化，去除不必要的原件，如电动机，传动机构，电机支承，螺栓，螺母等[8]。

根据旋转发射架的工作原理，对各构件添加约束和驱动如图6所示。

图6 ADAMS平台下旋转弹射装置仿真模型示意图

研究滚筒的振动情况时，刚性的系统模型要转换为刚柔混合的系统模型，将滚筒这个刚性构件转换为柔性构件。在分析振动情况时，没有采取传统的有限元分析方法，如在有限元软件中构建某个滚筒的柔性体MNF文件，然后代替刚体系统中的滚筒刚体，从而构建刚柔混合模型；而是利用ADAMS软件中对某部件“Make flexible”功能直接构建刚柔混合模型，这种方法可以对简单的部件直接柔化。

给予滚筒一定转动速度时，由于系统质量不平衡，滚筒质心位置产生变化。对系统振动求解时，以滚筒的质心运动情况来代替系统的响应，该响应主要为滚筒质心的位移和加速度的变化情况。分析即可得到系统稳定的判别条件，与通用标准进行比较。

4.2 投弹方案一仿真

由理论计算得出，投弹方案一滚筒在转动时，每个行程转动60°。已知该型空舰巡航导弹实现连发的时间间隔为T<3.5 s，设滚筒转动一个行程的时间2 s，留出充裕的时间保证导弹正常定位的锁定和解锁。

行程Ⅰ时，即滚筒挂载剩余导弹n=6时，导弹1直接弹射，不需要转动。行程Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ时，滚筒依次转动60°。且在行程Ⅴ时，即剩余导弹n=2时，系统的偏心距最大。此处只分析该情况下的滚筒振动。滚筒的转速应满足梯形加减速模式，设置滚筒转速变化函数式为：

编写驱动函数为基于速度(velocity)的motion=step(time,0,0,0.5,40d)+step(time,1.5,0,2,-40d),意为：驱动在仿真时长的前0.5 s为加速阶段，转速由0缓慢上升到40 (°)/s，中间的1 s为按照该速度平稳运行，后0.5 s为减速阶段，转速缓慢下降为0，滚筒在2 s仿真时长内转动60°。

在仿真界面测试转子系统的运动[10]。分析仿真结果，在Post Processor模块中对结果进行处理。可以得到，滚筒转速变化图。

图7 方案一滚筒转速变化

由图7可以看出，滚筒运行能按照预期设定的梯形加减速模式平稳运行。

滚筒质心相对轴承支撑方向(Y轴)的位移和加速度分别如图8和图9。

图8 方案一行程Ⅴ时滚筒质心位移

图9 方案一行程Ⅴ时滚筒质心加速度

4.3 投弹方案二仿真

同理，方案二n=1时，滚筒转速变化函数式可表达为：

编写驱动函数为基于速度(velocity)的motion=step(time,0,0,0.5,120d)+step(time,1.5,0,2,-120d)。在仿真界面测试转子系统的运动，得到滚筒转速图如图10。

图10 方案二的滚筒转速

由图10可以看出，滚筒运行能按照预期设定的梯形加减速模式，实现平稳运行。

滚筒质心相对(Y轴)的位移和加速度分别如图11和图12。

图11 方案二行程Ⅵ时滚筒质心位移

图12 方案二行程Ⅵ时滚筒质心加速度

方案一行程Ⅴ和方案二Ⅵ分别是这两种方案系统偏心距最大，由于系统离心力造成的振动幅度也是最大，故只须比较这两种情况下的振动情况，即可判别哪种投弹方案更优。由图8、图11可以看出，两种情况下滚筒质心均围绕Y轴的负半轴某点振荡，而非位于转轴上。这是因为滚筒受到自身重力和导弹重力的作用发生一定的弹性变形，使滚筒质心向下偏离转轴。且方案一的滚筒质心振幅比方案二更大，由此可知方案二比方案一更优。由图9、图12可以看出，方案一滚筒质心加速度比方案二更大，即其受到冲击更大。方案二中滚筒质心加速度最大为0.85g，小于我国军标GJB(军用飞机强度和刚度规范-振动)规定的1.5g，也小于挂载的该型空舰巡航导弹发射过载2g。故该方案二可以应用在国产轰炸机的旋转发射架上，而不发生剧烈振动。

5 结论

本文初步为国产轰炸机构思了一种旋转发射架，构建其物理三维模型，制定一种新式投弹方案，比较两种轰炸机投弹方案下的振动情况。在选取投弹方案二时能尽量保证剩余挂弹的对称性，减小系统的偏心距，减小了系统振动，更加适合在国产轰炸机上应用。

采用制作物理样机方式研究机载武器，可以减少重复设计与试验次数，节约了研究成本，为后续的试验工作提供重要的理论参考。

[1] 车海林.战斗机内埋武器装载方式初探[J].飞机工程，2015.2:5-9.

[2] TRACY J,WELTERLEN,WEAPONS.Bay Flow Flied Simulantion[C].AIAA,2000-3926.

[3] NICHOL R H,SHAWN WESTMORELAND.Comparison of Computatioal Fluid Dynamics Approaches for Simulating Weapons Bay Flow[J].Journal of Aircraft,2007,44(3).

[4] LEVASSEUR V,SAGAUT P,MALLET M,et al.Unstructured Large Eddy Simulation of the passive control in a weapon bay[J].Journal of Fluids and Structures,v 24,n 8,November,2008,1204-1215.

[5] 曲晓燕.航空军械装置[M].烟台:海军航空工程学院,2015.

[6] 闻邦春.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2015.

[7] 张浩，冯长建.基于SolidWorks软件的虚拟样机技术及其应用[J].煤矿机械，2014(9)：67-69.

[8] 景风理.基于ADAMS弹射发射装置实时动态仿真分析[J].弹箭与制导学报，2004，24(2)：176-178.

[9] 陶希海.基于ADAMS机械机构的自动化设计和运动特性分析[J].中国农机化学报，2015(1)：59-62,66.

[10]郝雄.ADAMS动力学仿真算法及参数设置分析[J].传动技术，2005,19(3)： 27-30.

(责任编辑 唐定国)

Vibration Simulation Analysis of Rotary Launcher in Two Missile Ejecting Plan

LI Haijun， MO Zixi， YOU Kun

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Naval Aeronautical University, Yantai 264001, China)

The US and Russia strategic bombers inner weapon bay can mount rotary launcher to launch cruise missile. But our strategic bombers weapon bay can only load bombs instead of cruise missile. Cruise missile can only be launched outside the weapon bay, which is not good for the aerodynamics and stealth performance of a strategic bomber. This paper designs a new kind of rotary launcher for our bombers in order to launch cruise missile inside its weapon bay. It chooses a new kind of missile launching order for this new rotary launcher to compare its differences with the traditional kind which was used by the US and Russian bombers. Then it analyzes its vibration situation of two rotating launchers. We find out that the missiles left are symmetry to make the vibration caused by centrifugation reduced.

strategic bomber; rotary launcher; ejecting plan; vibration

2017-04-25；

2017-05-15

李海军(1965—)，男，主要从事航空武器机电控制技术研究。

10.11809/scbgxb2017.08.032

format:LI Haijun，MO Zixi，YOU Kun.Vibration Simulation Analysis of Rotary Launcher in Two Missile Ejecting Plan[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):153-156.

TJ762.2

A

2096-2304(2017)08-0153-04

本文引用格式：李海军，莫子烯，游坤.两种弹射方案对旋转发射架的振动影响分析[J].兵器装备工程学报，2017(8):153-156.