基于浮动基座偏载发射的初始扰动影响分析

陈苗 姜苏洋 张博宇 弓韬 孟艳

(1 北京航天发射技术研究所，北京，100076；2 火箭军装备部驻北京地区第一军事代表室，北京，100076）

0 引言

随着作战样式和发射方式的不断变化，发射地点的选择范围也随之扩大以增加武器装备的机动性能、隐蔽性能和打击范围。发射地点的结构强度和稳定性会对直接影响作用到发射装置上的载荷，由此会影响导弹发射的初始扰动。

目前，发射地点的选择趋于多样化，国内外诸多学者关于发射地点对导弹初始扰动的影响研究也随之进行。赵风成[1]对舰载武器建立全刚体动力学模型，在不同海况作用下的导弹出筒姿态进行仿真分析；刘荣华等[2]对某型路基行进间发射武器系统建立刚柔耦合动力学模型，分析不同瞄准精度下导弹的发射精度；廖莎莎[3]应用ADAMS软件建立了“捕食者”机载导弹发射系统动力学模型，得出了机载导弹初始扰动与载机之间的影响规律；魏昕林[4]以有限元接触理论为基础建立了机载导弹水平向后发射的有限元模型，结合载机周围流场分析，得到了不同发射影响因素对机载导弹初始扰动的影响；董晓彤[5]通过非线性有限元动力学数值计算，分析了发动机推力偏心、地面倾斜度等不同发射工况对车载双联装发射平台前后两发弹发射精度和发射平台稳定性的影响规律；发射箱口的下沉直影响弹体的初始扰动，李璞等学者[6]结合实际产品的实测数据对发射箱口下沉规律进行研究；风载荷会直接影响发射车系统的稳定性，从而影响导弹的出筒姿态，刘瑞卿等学者[7]基于流固耦合方法针对大型车载垂直发射系统进行了稳定性影响分析；机载武器在发射过程中载机的自身力学环境和空气动力耦合作用会对导弹的初始扰动产生直接影响，高庆等学者[8]建立了气-刚-柔多场耦合系统分析模型，同时结合试验数据分析确定了机载武器弹性的影响。

本文以某型浮动基座发射平台偏载发射为研究对象，通过建立刚柔耦合系统动力学模型，对偏载发射情况下弹体出筒姿态进行仿真，仿真结果经过试验验证仿真可信度90%以上。基于仿真结果和试验数据分析浮动平台结构刚度与偏载发射耦合作用对弹体初始扰动的影响，以指导后续相关方案设计和优化。

1 发射动力学建模

1.1 模型建立原则

在进行发射动力学仿真分析时，根据计算工况需对仿真模型进行简化处理[9]，实际导弹发射时，运载体装载筒弹组合体支撑在浮动基座发射平台上，考虑浮动平台本身的刚度特性，将浮动平台的支撑刚度特性简化为弹簧阻尼模拟，弹体按刚体模拟。仿真模型简化为浮动平台本体、发射筒、弹体、运载体架体四个分系统，仿真模拟发射角度为94°，最终将模型简化为刚柔耦合的弹-架系统动力学仿真模型。

按照几何建模、赋予材料属性、建立约束关系、施加载荷和边界条件、仿真结果判读、根据试验结果模型修正、系统仿真分析的步骤建立基于刚柔耦合方法的发射系统动力学仿真模型，对应的原则如下：a)按真实参数建立发射筒、弹体、浮动平台、运载体的三维模型，并使各部件模型及相关参数（质量、质心、转动惯量等）与设计一致；b)模型装配关系与实际产品装配关系一致；c)忽略紧固件等不传递运动、不起支撑作用的小部件；d)对部件中的倒角、螺纹孔等影响网格质量的部位进行简化处理；e)模型中仅将弹体考虑为刚体，其余均为柔性体；f)模型中各类约束关系均当做理想约束处理，不添加摩擦因素。

1.2 建模过程及拓扑关系

通过三维建模软件Creo建立各部件的三维几何模型并进行装配，导入Abaqus后对各部件赋予材料属性、建立约束关系、施加载荷和边界条件、划分网格，由此建立刚柔耦合动力学仿真模型，各部件之间的拓扑关系如图1所示，各部件之间的位置关系如图2所示。浮动平台有四个支撑点位，单个支撑点位的支撑刚度为9000N/mm。

图1 各部件拓扑关系图Fig.1 Topology diagram

图2 各部件位置关系图Fig.2 Location diagram

仿真坐标系说明：发射原点为回转支耳中心线与纵向对称面交点，X轴正方向为纵向，与运载体前进方向相同；Y轴正方向为侧向，即水平向右（沿车行进方向看）；Z轴正方向为垂向，即垂直于地面为竖直向下。

2 发射过程仿真分析

2.1 仿真可信性分析

对导弹发射过程进行动力学仿真分析，弹体在推力作用下出筒，结合实际试验的高速摄像结果和其他实测数据修正仿真模型，同时分析浮动平台结构刚度与偏载发射耦合作用对弹体初始扰动影响。

对弹体而言，初始扰动的主要影响因素之一就是弹架系统的振动影响弹体的姿态角度和角速度，为更有效的评估仿真可信性，采用试验数据与仿真数据对比进行验证。验证的内容包括筒口振动和弹体出筒姿态，试验过程中弹体在0.6s出筒，因此主要分析0s～0.6s的试验数据。发射筒口振动测点布置如图 3所示。

图3 振动传感器安装位置示意图Fig.3 Vibration sensor installation position diagram

据安装电容加速度传感器，电容加速度传感器具备过载测试功能，数据处理对筒口振动曲线进行平滑滤波处理，提取趋势性项数据即为筒口过载加速度数据，处理后数据曲线如图 4～图 6所示。

图4 筒口x向振动Fig.4 X direction vibration of canister head

图5 筒口y向振动Fig.5 Y direction vibration of canister head

图6 筒口z向振动Fig.6 Z direction vibration of canister head

弹体出筒时刻筒口过载加速度对比情况如表 1所示。

表1 弹体出筒时刻筒口过载加速度对比Table1 Acceleration of canister head

因为偏载发射工况，导致发射过程中在发射载荷作用下浮动平台左侧支撑装置压缩，导致整体出现侧向偏移，因此筒口Y向和Z向过载较大。

根据高速摄影结果分析，弹体出筒时的角速度为3.153°/s；根据仿真分析结果，弹体出筒瞬间，筒口侧向速度0.2m/s，弹体质心侧向速度0.18m/s，角速度3.10°/s。由此角速度仿真误差1.68%。

图7 高速摄像结果Fig.7 High speed photography diagram

根据高速摄影判读，弹体出筒瞬间筒口侧向偏移271mm、垂向下沉56mm；根据仿真结果，弹体出筒瞬间筒口侧向偏移251mm、垂向下沉52mm。侧向偏移仿真误差在7.4%，垂向偏移仿真误差在7.1%。

图8 筒口偏移情况Fig.8 Deviation of canister head

通过试验结果与仿真结果对比分析，仿真结果与试验数据吻合良好，误差在10%以内，仿真模型准确，仿真结果可信。

2.2 浮动平台对出筒影响分析

为对比浮动平台偏载发射对弹体初始扰动的影响，对比分析浮动平台偏载发射和普通硬质场坪发射的仿真结果。因为浮动平台为偏载发射，所以主要对比弹体侧向姿态和筒口的侧向变化情况。

仿真设置中前1s为静平衡阶段，第1s开始发射载荷开始作用，随即弹体在0.6s完全出筒，因此后续仿真结果主要对比1s～1.7s的数据。

2.2.1 弹体出筒角度对比

弹体出筒侧向角度对比如图 9所示，硬质场坪发射时最大侧向角度为0.258°，浮动平台偏载发射时最大侧向角度为1.223°，由此浮动平台偏载发射下角度增加374%。

图9 弹体出筒侧向角度对比Fig.9 Lateral angle comparison

2.2.2 弹体出筒角速度对比

弹体出筒侧向角度对比如图 10所示，硬质场坪发射时出筒侧向角速度为0.84°/s，浮动平台偏载发射时出筒侧向角速度为2.8°/s，由此浮动平台偏载发射下出筒角速度增加233%。

图10 弹体出筒侧向角速度对比Fig.10 Lateral angle speed comparison

硬质场坪发射过程中最大侧向角速度为2.03°/s，浮动平台偏载发射过程中最大侧向角速度为6.8°/s，由此浮动平台偏载发射下出筒过程最大角速度增加207%。

2.2.3 弹体出筒角加速度对比

弹体出筒侧向角度对比如图 11所示，硬质场坪发射时最大侧向角加速度为18.35°/s2，浮动平台偏载发射时最大侧向角加速度为67.03°/s2，由此浮动平台偏载发射下侧向角加速度增加265%。

图11 弹体出筒侧向角加速度对比Fig.11 Lateral angle acceleration comparison

2.2.4 筒口位移变化

因为是偏载发射工况，因此重点关注发射筒筒口侧向位移情况，具体如图 12和图 13所示。

图12 弹体出筒过程筒口垂向位移Fig.12 Vertical position of canister head

图13 弹体出筒过程筒口侧向位移Fig.13 Lateral position of canister head

浮动场坪偏载发射工况在静平衡阶段发射筒口垂向下沉75mm、侧向偏移17.8mm，这是由于浮动平台支撑刚度和偏载工况引起的。发射过程中，在发射载荷作用下发射筒口的侧向偏移量为26.5mm，垂向下沉12mm，弹射结束后相比于初始位置，发射筒筒口垂向上移17mm。

硬质场坪发射工况在静平衡阶段发射筒口垂向下沉14.7mm、侧向偏移0.299mm。发射过程中，在发射载荷作用下发射筒口的侧向偏移量为13.26mm，垂向下沉7.3mm。

3 结论

a)本文以某型浮动基座发射平台偏载发射为研究对象，建立刚柔耦合系统动力学模型，经试验验证仿真误差小于9.5%，仿真模型真实有效。

b)通过对比分析浮动平台偏载发射工况和硬质场坪地面发射工况，前者主要影响弹体侧向出筒姿态，前者的侧向出筒角度增加374%、角速度增加233%、角加速度增加265%。

c)在浮动平台支撑刚度和偏载发射耦合作用下，发射过程中发射筒出现较大侧向偏移，由此引起弹体出筒姿态的变化。