某导弹电磁弹射装置发射稳定性分析

2019-12-18陈建平沙赵明

空天防御 2019年4期

孔超，王军，陈建平，沙赵明

(1. 上海机电工程研究所，上海 210109； 2. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

电磁弹射是指利用电磁力做功，将电磁能转化为机械能，从而推进物体到高速或超高速的发射技术[1-3]。目前，导弹发射主要采用自动力方式，但随着导弹作战需求向多样化发展，导弹弹射相关技术越来越受到重视[4]。燃气式弹射技术具有结构简单、使用方便等特点，因此应用较多，但在工作过程中燃气温度高、压力大，燃气式弹射装置工作环境恶劣[5]。电磁弹射技术具有能量利用率高、推力大、无污染等优势，已经成为发射领域的热门研究技术[6]，但对于导弹电磁弹射技术的相关研究较少。

本文针对某导弹电磁弹射装置进行发射稳定性分析，研究电磁弹射技术应用于某导弹发射的可行性。

1 总体结构组成

根据电磁弹射装置的功能和性能要求，参考火箭弹发射装置的结构[7-10]，某导弹电磁弹装置主要包括导弹、发射箱、电磁弹射器、起落架、回转体、高低机、方向机、底架、运载车、支腿和驻锄等部分，其总体结构组成如图1所示。

图1 总体结构组成Fig.1 Overall structure composition

2 发射动力学数学模型

某导弹电磁弹射装置多刚体动力学方程为

(1)

3 发射动力学仿真模型

利用ADAMS软件建立某导弹电磁弹射装置发射动力学仿真模型，如图2所示。各部分的约束关系为：导弹与发射箱、发射箱与电磁弹射器、电磁弹射器与起落架之间分别采用固定副连接；起落架与回转体之间采用转动副连接；高低机内外筒之间采用移动副连接，并建立大刚度弹簧以模拟高低机作用；回转体与底架之间采用转动副连接，并建立具有结构阻尼的扭簧以等效方向受力；底架与运载车之间采用固定副连接；轮胎与运载车之间采用固定副连接；支腿与运载车之间采用移动副连接，并建立一定刚度和阻尼的弹簧以模拟支腿作用；支腿与地面之间采用三向力连接，其竖直方向受力利用单侧碰撞函数IMPACT模拟；轮胎与地面采用ADAMS软件/Tire模块建立；驻锄与运载车之间采用固定副连接；驻锄与地面之间采用三向力连接，其水平方向与侧向受力利用双侧碰撞函数BISTOP模拟，竖直方向受力利用单侧碰撞函数IMPACT模拟。

1. 发射箱(含导弹);2. 电磁弹射器;3. 底架;4. 驻锄;5. 回转体;6. 支腿;7. 方向机;8. 运载车;9. 地面;10. 高低机;11. 起落架。图2 某导弹电磁弹射装置发射动力学仿真模型Fig.2 Launch dynamics simulation model of a missile electromagnetic ejection device

导弹发射时，导弹受到电磁弹射器产生的电磁推力作用，电磁弹射器受到后坐力和制动反力的作用。

根据设计要求和电磁弹射器电机堵动状态下的受力变化规律，设定导弹所受的电磁推力如图3所示。根据电磁推力和电磁弹射器制动特性，设定电磁弹射器所受的后坐力和制动反力如图4所示。

图3 导弹所受的电磁推力Fig.3 Electromagnetic force on missile

图4 电磁弹射器所受的后坐力和制动反力Fig.4 The recoil force and braking counterforce of electromagnetic catapult

某导弹电磁弹射装置采用倾斜方式发射，方向射角为±30°，高低射角为15°～60°，选取4种极限射角工况进行发射稳定性分析，计算工况如表1所示。

表1 计算工况Tab.1 Calculation conditions

4 发射稳定性分析

电磁弹射装置中心处的位移曲线如图5所示。由图5(a)可知，电磁弹射装置存在一定程度的横向位移，在工况三时，横向位移最大，约为15 mm。由图5(b)可知，电磁弹射装置先后移再前移，在工况一时，后移幅度最大，约为70 mm。由图5(c)可知，电磁弹射装置存在一定程度的垂向位移，在工况一时，垂向位移最大，约为3.5 mm。

(a) 横向位移

(b) 纵向位移

左侧、右侧驻锄的垂向位移曲线分别如图6、图7所示。由图6可知，左侧驻锄先下移后上移，在工况三时，上移幅度最大，约为13 mm。由图7可知，在工况三时，右侧驻锄下移幅度最大，约为12 mm，然后在制动反力的作用下上移约14 mm。

图6 左侧驻锄垂向位移Fig.6 Vertical displacement of left spade

图7 右侧驻锄垂向位移Fig.7 Vertical displacement of right spade

运载车轮胎所受地面垂直支反力曲线如图8～11所示。由图8和图9可知，在4种工况下，运载车左侧、右侧前轮胎所受地面支反力先减小后增大，但始终不小于零，说明左侧、右侧前轮胎一直未离开地面；由图10和图11可知，由于后坐力的消失和制动反力的作用，左侧、右侧后轮胎均出现地面支反力为零的情况，说明轮胎存在离开地面的情况，但时间较短，根据驻锄上移的高度可知，轮胎离地高度在可接受范围之内。

图8 左侧前轮胎所受地面垂直支反力Fig.8 The vertical counterforce of the left front tire against the ground

图9 右侧前轮胎所受地面垂直支反力Fig.9 The vertical counterforce of the right front tire against the ground

图10 左侧后轮胎所受地面垂直支反力Fig.10 The vertical counterforce of the left rear tire against the ground

图11 右侧后轮胎所受地面垂直支反力Fig.11 The vertical counterforce of the right rear tire against the ground

发射稳定性是指发射装置在自重和外部载荷的作用下抵抗倾覆的能力[11]。由于电磁弹射装置的导弹发射间隔较长，因此弹射装置的位移在可接受范围内即可达到发射稳定性要求。同时，可以通过优化驻锄接地面积来提高电磁弹射装置的发射稳定性。

5 结束语

本文对某导弹电磁弹射装置动力学模型进行了稳定性分析，由分析可知：在方向射角30°、高低射角15°的工况下，电磁弹射装置的横向位移最大；在方向射角0°、高低射角15°的工况下，电磁弹射装置的纵向和垂向位移最大；在4种工况下运载车轮胎所受地面支反力基本上保持在0以上。虽然电磁弹射装置存在一定程度的移动，但都在可接受范围内。因此，某导弹电磁弹射装置具有较好的发射稳定性，可以应用电磁弹射技术进行某导弹的发射。后期可根据某导弹电磁弹射装置的设计方案制造小型试验样机，进行电磁弹射试验，将试验数据与仿真数据对比分析，进一步优化某导弹电磁弹射装置的设计。