车载导弹箱式倾斜发射出箱安全性分析*

王化政，姜 毅，王勃漫，黎 兰

(1 北京理工大学宇航学院， 北京 100081； 2 北京航天发射技术研究所， 北京 100076)

0 引言

箱式倾斜发射方式是现代车载导弹的主要发射方式之一，导弹发射方式采用滑块-导轨发射方式。发射过程中，导弹发动机点火，导弹滑块在导轨上滑动一段时间后离轨出箱，获得出箱速度以及一定的初始姿态。导弹在导轨上的滑动过程中，滑块和导轨之间的间隙会使导弹产生振动。其次，前滑块滑离导轨后，导弹由于重力作用，会绕后滑块产生转动，导致头部下沉现象[1-4]。此外，发射车在导弹发射过程中的振动会导致出箱过程更加恶劣。因此，导弹在出箱过程中的影响因素会影响导弹的出箱姿态，甚至有可能和箱体发生碰撞。因此，各个影响因素对导弹出箱安全性的规律性研究，可以为箱式倾斜发射导弹提供设计参考。文中搭建车载导弹箱式倾斜发射动力学模型，考虑发射车振动对发射过程的耦合影响，将发射箱进行柔性化处理，考虑发射箱以及导轨变形的影响。分析起竖油缸刚度、不同推力载荷、导弹热发射燃气流以及导弹设计偏差对导弹出箱安全性的影响规律。

1 车载导弹箱式倾斜发射动力学模型设置

1.1 模态综合法理论

多柔体系统是在多刚体系统的基础上考虑部件柔性效应的多体系统，对柔性结构变形进行描述，通常使用有限元方法和模态综合法。文中基于模态综合法描述柔性体的运动变形[5-7]。

模态综合法的原理是采用模态分析向量及相应的模态坐标来描述物体在空间随时间变化的位移(变形)，即uf=φqn，式中φ=[φ1,φ2,…,φn]为模态向量矩阵，qn=qn(t)为模态坐标，n为模态向量数。采用模态分析法的优点在于：首先，可以根据先验的响应特征和精度要求来考虑模态截取的范围。其次，可以进一步采用模态综合技术来研究大型复杂系统振动。另外，可以直接应用试验模态技术所得的结果，使理论和数值分析与实验数据紧密结合。

1.2 车载导弹箱式倾斜发射动力学模型

建立如图1所示的箱式倾斜发射动力学模型，模型包括发射车车架、底盘、车轮、发射架、发射箱、导弹、调平油缸以及起竖油缸。发射箱模型如图2所示，导弹和发射箱通过导轨-滑块连接，发射角度为70°。

图1 车载导弹箱式倾斜发射动力学整体模型

图2 发射箱内部结构模型

车载导弹箱式倾斜发射模型的约束设置如图3所示，其中，发射车的悬挂系统采用弹簧阻尼器模拟，起竖油缸与调平油缸采用弹簧阻尼器模拟，导轨滑块之间设置接触。在此模型中，考虑发射箱、导轨的柔性变形，将发射箱以及导轨的模态文件输出至动力学模型中。

图3 车载箱式倾斜发射模型拓扑结构

系统中包含有N个物体，其中刚体的数量为m。基于刚柔耦合动力学理论，联装发射系统的动力学方程组如式(1)所示。

(1)

1.3 导弹燃气流计算模型

导弹在出箱过程中会发生头部下沉现象，此时导弹的轴线和发射箱轴线产生一定的偏转角度，导弹燃气流在发射箱中不再对称分布，会对发射箱造成一定的扰动。通过动力学模型计算，分析不同工况下导弹的出箱过程。在导弹轴线与箱体轴线产生偏转到导弹完全出箱的过程中选取3个时刻，分别分析其状态下导弹燃气射流的流场，并计算作用在箱体上的压力值。

1.4 计算工况

文中分析不同发动机推力条件、起竖油缸刚度不同、导弹燃气流的扰动影响以及导弹的制造偏差对出箱安全性的影响。具体计算工况如表1所示。

表1 计算工况表

2 计算结果与分析

2.1 导弹燃气流计算结果及分析

通过动力学模型的仿真计算，在导弹开始偏转到出箱中选取3个时刻，分别为初始时刻，发射箱内运动至一定高度时刻，以及出箱时刻。分析3个时刻状态下的流场。图4和图5为推力180 000 N工况下的3个时刻马赫数云图与箱内压强云图。可以看出，初始时刻弹体与发射箱同轴，因此火箭燃气未直接喷在发射箱内壁面，此时发射箱内壁面压力分布大致呈轴对称。随着发射过程中，发射箱的轴线与弹体轴线相交，并且交角逐渐增大，越来越多的燃气流直接冲击在发射箱内壁面，且与壁面接触的位置越来越高，导致压力云图中壁面侧边逐渐出现高压区，且高压区随着时间变化向上移动。最后的出筒时刻，发射箱的轴线已经与弹体轴线相交的角度更大，多数中后部燃气流直接冲击在发射箱壁面，且与壁面接触的位置更高。

图4 3种不同时刻马赫数云图

图5 3种不同时刻箱内压强云图

通过燃气流场的计算，对每种工况、每个时刻发射箱的壁面压强进行积分，得出发射箱在此时刻受到的力和力矩，并将其通过插值的方式输入到动力学模型，分析导弹燃气流对其出箱安全性的影响。

2.2 不同推力条件下计算结果及分析

通过改变不同的推力条件，根据动力学仿真计算，分析其对出箱安全性的影响，以及对发射车产生的振动影响。推力条件分别设置为110 000 N、130 000 N、150 000 N以及180 000 N。不同推力条件下的仿真结果如图6、表2所示。

图6 不同推力工况下仿真结果

通过仿真结果可以得出，导弹发动机推力越大，导弹弹体以及尾翼和箱体之间的最小距离越大，越安全。但是，推力越大，导弹出箱时的俯仰角速度增大，不利于导弹的出箱后的控制。同时，推力对发射车垂向位移以及俯仰角速度的振幅影响相对较小，但推力越大，发射车振动的频率越快。

表2 不同推力工况下仿真结果

2.3 考虑制造偏差、燃气流影响工况下仿真结果及分析

考虑质心偏差、发动机推力偏差以及导弹燃气流影响，根据动力学仿真计算，分析其对出箱安全性的影响，以及对发射车产生的振动影响，仿真结果如图7、表3所示。

通过仿真结果可以得出，质心偏移以及推力偏心会使出箱环境更加恶劣，降低其安全距离，增加出箱后的俯仰角速度，增大发射车振幅。考虑燃气射流的影响，其出箱过程中，弹体、尾翼和箱体之间的最小距离会减小，安全距离缩短，同时，燃气射流的影响会增加其出箱角速度，增加对发射车的振动幅度。因此，车载导弹的出箱安全性分析中，考虑燃气射流的影响是必要的。

表3 考虑制造偏差、燃气流影响工况下仿真结果

图7 考虑制造偏差、考虑燃气流影响工况下仿真结果

2.4 不同起竖油缸刚度工况下仿真结果及分析

考虑不同起竖油缸刚度的影响，根据动力学仿真计算，分析其对出箱安全性的影响，以及对发射车产生的振动影响，仿真结果如图8、表4所示。

根据仿真结果可得，起竖油缸刚度越大，导弹弹体、尾翼和箱体之间的最小距离越大，即越安全。同时，起竖油缸刚度越大，导弹出箱俯仰角速度越小，发射精度越高。

3 结论

建立完整的车载导弹箱式倾斜发射刚柔耦合模型，考虑发射车振动对发射过程的耦合影响，将发射箱进行柔性化处理，对模型进行动力学分析。分析起竖油缸刚度、不同推力载荷、导弹热发射燃气流以及导弹设计偏差对导弹出箱安全性的影响。分析表明，导弹发动机推力越大，出箱安全性越高，但导弹出箱时的俯仰角速度会增大。导弹燃气射流以及制造偏差均会使导弹出箱工况更加恶劣，因此设计时应重点考虑。起竖油缸刚度越大，出箱安全性越好，发射精度越高。

图8 不同起竖油缸刚度工况下仿真结果

表4 不同起竖油缸刚度工况下仿真结果