一种浮标投放装置弹射模型的研究

竹建东 孙黎静 赖北平 刘阳雄 张宇

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333001）

1 引言

随着声纳浮标使用的越来越频繁，其在各型飞行平台上的使用和投放方式也越来越多，一般有重力投放方式、炸药发射方式和高压气体投放方式。各种不同的投放系统组成和优缺点如下：

（1）重力投放是利用声纳浮标的重力使浮标自由落体离开飞行载体，重力投放系统一般包括一组投放管，每个投放管底部有一个电控的弹簧门，或在电控系统故障时由人工进行开合操作。同时每一枚装入的浮标参数在飞行前或载机飞行中且浮标投放前进行再次参数设定，投放过程中不需要配浮标投放筒，但投放时对载机姿态和飞行速度控制的要求较高，投放装置对机体的结构设计也相对较复杂；

（2）炸药发射是利用炸药产生的高压气体能量将浮标推射出机体，其投放机构一般包含控制电路、投放管、执行机构和炸药等。首先将装有声纳浮标的浮标投放筒装入投放管内，在需要投放浮标时，操控台给出浮标发射控制信号，执行机构引爆炸药筒，炸药筒产生的高压气体激活释放机构，并利用气体的能量将浮标投出机体，因其带有一定初速，可避免余机体部件（如天线、起落架等）产生碰撞，该投放方式对载机投放的速度和姿态要求相对较低；

（3）高压气体投放是利用发射器自带的高压气体对浮标进行施压从而将浮标推射出机体，其投放机构一般由发射管、电磁阀、减压阀、控制电机和高压气瓶等组成，其安装方式和使用特点同炸药发射方式，只是产生气体的原理不同，同时使用高压气瓶提供气体投放的方式，需不断维护和补充高压起源，其控制执行机构相对精密且复杂。

目前，随着冷气弹射技术在国内外新一代作战飞机中应用的日益成熟，采用清洁免维护的高压气体为作动能源的投放系统已成为弹射发射领域中的研究热点。而浮标在直升机上能否安全水平弹射出舱已成为该应用领域中必须解决的重要环节，若初速过小，则有可能卡滞于机上或者出舱后与机身蒙皮发生碰撞，甚至撞到旋翼导致严重后果。

本文结合直升机上浮标投放装置的安装环境，采用AMESim系统建模与仿真平台对该浮标投放装置两个重要的气路系统参数进行了模拟仿真，最终分析得出适合该型机的气路系统参数。

2 系统工作原理及动力学分析[1-3]

2.1 浮标投放装置系统工作原理

该型浮标投放装置的工作流程为高压气体从储气瓶通过气路传递到作动筒内，推动筒内的活塞和浮标向外运动，实现浮标的水平弹射投放。其气路系统主要由储气瓶、减压阀、电磁阀、气管和作动筒等组成，系统原理框图如图1 所示。

本文中浮标投放装置的投放原理为采用高压气体作为能源以气冲方式将声纳浮标发射离机，声纳浮标在投放前，先将其装入能够累积高压气体能量的浮标投放筒内，而浮标投放筒尾部盖板处一般有4 个径向均布的剪切销，用于锁止声纳浮标在浮标投放筒内；然后将浮标投放筒与浮标一起装入浮标投放装置的发射管中；最后浮标投放装置通过内部的锁止机构与浮标投放筒端部的气嘴进行固定，在锁止的同时完成浮标投放筒的气嘴与浮标投放装置内的气路对接。

声纳浮标需要发射时，高压气体通过浮标投放装置的气路机构快速填充至浮标投放筒内，高压气体所产生的压强推动声纳浮标剪断浮标投放筒尾部的锁止盖剪切销，浮标从浮标投放筒内以一定速度发射出去，而浮标投放筒仍留在浮标投放装置发射管内，载机落地后再由地勤人员进行拆卸操作。

2.2 动力学分析

作动筒内活塞的动力学方程为：

图1：浮标投放装置气路系统原理框图

图2：浮标投放装置仿真模型

图3：进口压力对浮标速度的影响

图4：电磁阀开启时间对浮标速度的影响

表1：模型部分图标意义及参数

式（1）中Frod 为活塞输出的力，P1 为活塞进口压力，A1 为P1 作用的横截面积，P2 为浮标对活塞的反作用力，A2 为P2 作用的横截面积，V 为活塞的速度，Visc 为粘滞摩擦系数。

活塞左侧的容积可定义为：

以及活塞右侧的容积为：

式（2）、（3）中stroke 为活塞的冲程（即最大行程），xact为活塞的位移，dead1 为活塞左侧死腔容积，dead2 为活塞右侧死腔容积。

电磁阀工作原理为通过脉冲电流控制阀体移动来挡住或漏出排气孔，而排气孔打开时，高压气体就会进入排气管，然后通过高压气体的压力来推动气压缸的活塞，活塞推动浮标。通过控制电磁阀的电流就控制了浮标的投放。

电磁阀出口的气体质量流量公式：

同时理想气体状态方程为：

式（5）中n=m/M（m 为质量，M 为平均摩尔质量），p 为压强，V 为体积，R 为理想气体常数，T 为绝对温度。

由（2）、（4）、（5）式方程联立，可得：

由于作动筒内浮标的动力学方程：

式中Mass 为浮标的质量，μ 为浮标与作动筒之间的摩擦系数。同时：

由（1）、（6）、（7）、（8）式联立可得：

3 浮标投放装置仿真模型[4-5]

AMESim 提供了一个系统及工程的完整平台，从其丰富的气动库和气动元件设计库可以搭建各种符合仿真需求的气路系统[3]。但气动库中的气路控制阀门种类较为单一，不能满足本仿真试验的气动系统设计要求。根据浮标投放装置气路控制的结构设计原理，利用气动元件设计库中的子模型组合可建立满足本次仿真所需气动控制系统的模型，仿真模型和部分模型参数如图2、表1 所示。

4 仿真分析

根据图2 浮标投放装置的仿真模型，通过对输入信号活塞进口压力Pup 分别取3MPa～7MPa；以及电磁阀开启时间分别取0.04s～0.10s 进行仿真，仿真结果如图3 和图4 所示。

从图3 中可以看出，活塞进口压力值的大小对声纳浮标初始速度的影响较大。活塞进口压力值越大，浮标的分离速度（初始速度）越大且分离时间越短。当活塞进口压力值为5MPa 时，声纳浮标的初始速度大概为15.6m/s，当塞进口压力值为5.5MPa 时，声纳浮标的初始速度大概为16.3m/s，当塞进口压力值继续增大时，其速度的增幅相对较小，而从工程经验来看，当声纳浮标的初始速度大于10m/s 时，一般都能满足载机飞行安全。

从图4 中可以看出，电磁阀的开启时间在0.06s 以下时其对声纳浮标的分离速度影响相对较大，即电磁阀开启时间越长，声纳浮标的分离速度越大。当开启时间大于0.06s 时，浮标的速度曲线基本保持不变。因此，从经济性上考虑，为了固定量的气瓶所能达到最大的浮标投放次数，可设定电磁阀的开启时间为0.06s。

5 结论

上述仿真过程对浮标投放装置高压气体投放方式下与声纳浮标离机速度最重要的参数投放气压和电磁阀开启时间进行了数值仿真，若需达到实际的工程应用，则还需对相应平台的实际机体环境（机体结构、天线和起落架等）的限制条件、不同声纳浮标的重量、实际下洗流参数状态、风速风向和浮标投放装置投放响应时间等参数进行综合评估、仿真，得出在不同浮标重量状态下，以及浮标投放装置本身的参数条件下，仿真出复合实际需求的声纳浮标初始发射速度。

本文通过AMESim 对一种浮标投放装置进行建模和仿真，得出了不同进口压力、电磁阀不同开启时间对浮标速度响应的影响，当进口压力为5.5MPa、电磁阀开启时间为0.06s 左右时对设计浮标投放装置较为经济且效果良好。该仿真试验对气动弹射浮标的工作原理有进一步的深入了解，对浮标投放装置在直升机及固定翼上的设计和使用研究具有一定的指导作用。