折叠式小口径智能弹药鸭舵展开技术研究

刘 伟，谭左红，许 刚，廖长清

(重庆航天机电设计院，重庆 400039)

0 引言

折叠式鸭舵是智能弹药的重要部件之一,对于采用舵机为执行机构的小口径智能弹药,在发射后按照一定的控制时序,在执行机构的作用下完成舵片展开,并在锁定销作用下即停于锁定位置[1]。折叠式鸭舵相较于固定舵便于贮存、运输和发射,加上结构简单,占用空间小等优点而广泛应用于智能弹药系统[2-4]。

针对折叠舵的展开过程,国内外学者开展了一系列的研究。侯政等[5]基于拓扑优化技术,对导弹折叠舵结构颤振进行了优化设计;王国超等[6]以导弹为例,对其折叠舵进行了动力学仿真和可靠性分析;刘昊鹏[7]针对舰上弹射模拟系统,对折叠舵开展了动力学试验和仿真工作,对比分析了试验和仿真结果,为折叠舵的设计提供了指导。目前,大多学者涉及的折叠舵执行机构均为扭簧,具有占用空间大,操作费时费力,不利于小口径智能弹药装配等缺点。

文中针对小口径智能弹药的鸭式电动舵机结构,设计了一种折叠舵机构,并通过动力学仿真及试验相结合的方式对其性能进行分析验证。仿真及试验结果均表明,舵片在外力作用下展开迅速且展开到位后舵片没有发生明显的回弹现象,说明折叠舵机构设计合理,可为折叠舵的工程应用提供一定参考。

1 折叠舵机构设计与分析

1.1 总体方案

折叠舵机构的功能是在弹药发射前实现舵片的折叠锁定,发射后根据智能弹药的控制指令,完成舵片的展开及展后锁定。主要由舵机、舵片、推销器组件、折叠机构等组成,如图1所示。

图1 舵系统总体方案Fig.1 Overall scheme of rudder system

1.2 舵机设计

对于选用双通道或三通道控制方式的小口径智能弹药,舵机的体积与数量必然对空间布局产生重要影响,综合传动效率与性价比,为缩短研制周期,提高产品可靠性,舵机最终采用锥齿与直齿相结合的减速传动方案,伺服电机的动力通过一级锥齿轮和三级直齿减速传递到舵机输出轴,输出轴与舵片连接,舵机控制器根据接收的控制指令实现对舵机输出角度的控制,如图2所示。

图2 舵机传动示意图Fig.2 Schematic diagram of steering gear transmission

1.3 推销机构设计

推销机构采用由推销器火工品和锁舵机构的构成方案,锁舵机构由推舵装置和锁舵装置组成,如图3所示。在设计中将推舵装置的斜面与舵片底缘斜率保持一致,并采用推舵装置对舵片的行程距离大于锁舵装置对推销器火工品的行程设计,以确保舵片在推销器的作用下顺利展开。当舵片处于展前锁紧状态时,锁舵机构通过锁舵装置将舵片卡住;当推销器执行舵展指令时,火工品引爆并带动锁舵机构上移,上移后的锁舵机构产生两种作用效果:一是锁舵装置解除对舵片的约束,二是推舵装置通过斜面对舵片施加一向上推力,结合折叠机构作用于舵柄的弹力,两者相互配合共同完成舵片的展开及锁定。推销器机构锁舵效果见图4。

图3 锁舵机构示意图Fig.3 Schematic diagram of rudder locking mechanism

图4 推销器机构锁舵效果示意图Fig.4 Schematic diagram of rudder locking effect of pusher mechanism

1.4 折叠机构设计

折叠机构采用与舵机一体化设计,工作原理为:折叠机构与舵机输出轴共轴,共同形成舵机的转轴,由压簧和附在其表面的推销组成。舵片与舵机输出轴的机械接口采用销固连,进而实现舵机带动舵片偏转。当推销器执行舵展指令时,折叠舵的压簧由于轴向约束减小,向外作用于推销,推销的移动通过舵柄处斜面限制舵片俯仰位移,进而卡住舵片,实现舵片锁定。舵片展开前后效果如图5所示。

图5 舵机传动示意图Fig.5 Schematic diagram of steering gear transmission

2 折叠舵展开过程的动力学仿真模型

2.1 动力学仿真模型

在三维建模软件中构建折叠舵机构的三维模型,导入动力学仿真软件并建立折叠舵机构的展前锁定、展开和展后锁定的动力学仿真模型。

其中,在动力学模型中,舵机施加固定约束,舵柄根部施加转动副;推销机构和折叠机构施加滑动副以及加载设置弹簧参数,舵片与推销机构间、舵片与折叠机构间、舵片与舵机将施加接触条件,忽略空气阻力以及摩擦阻力,加载后的最终效果如图6所示。

图6 折叠舵动力学仿真模型加载示意图Fig.6 Schematic diagram of dynamic simulation model loading

2.2 舵展开过程中的动力学仿真结果

根据以往设计经验,并结合文献[8-9],设置折叠机构的压簧预压载荷为15 N,推销器火工品的初始推力为300 N,将仿真时间设为20 ms,步长取值为0.1 ms,进行仿真。重点关注的结果为压舵展开角度、展开时间以及展开到位冲击载荷等,仿真结果见图7、图8。

图7 展开角度Fig.7 Unfolding angle

图8 单只舵片展开过程中冲击载荷Fig.8 Impact load of single rudder blade during deployment

从仿真结果可以得出:舵片展开时间为18.4 ms,满足技术指标小于20 ms的要求;折叠舵片展开到位的角度为96°,且展开到位后稳定锁住(舵片展前锁定于舵机舱的角度值);单只舵片展开过程中承受的冲击载荷在8 ms附近达到最大值77 N,之后推舵装置解除对舵片的推力作用,舵片受到的冲击载荷迅速减小,只在折叠机构推销的作用下继续展开到位,整个舵片展开过程受到的冲击载荷满足技术指标小于100 N的要求。

3 折叠舵展开过程的试验研究

鸭舵静态展开试验是弹上推销机构及折叠机构在静态情况下,考核推销机构杆件是否能够实现展舵以及折叠机构能否有效实现舵展后锁定的要求。试验前先将测试工装搭建在空旷的实验室并完成舵机、推销机构与舵机舱的展前锁定装配,其次完成舵机舱与测试工装底板的安装,最后在舵机舱上部,推销器火工品模拟件通过内套一压簧凸出底板上表面一定高度;试验时通过安装于测试台一旁的高速摄像机,试验人员手持力作用器作用于推销器火工品模拟器,实现舵片展开和锁定。

试验原理和具体试验过程如图9、图10所示。

图9 舵静态展开试验原理图Fig.9 Schematic diagram of duck rudder static deployment test

图10 舵静态展开试验过程图Fig.10 Static deployment test process of duck rudder

由高速摄像机摄像原理[10-12],本次试验选取的高速摄像机取样时间为1 ms。从拍摄记录的结果可知,舵片从开始展开到展开结束,共摄录的照片数为19,进而可推得舵片从展开到锁定的时间共计19 ms,表明折叠机构的展开时间满足小于 20 ms的要求,仿真结果与试验结果一致,并且展开到位后舵片没有发生明显的回弹现象,说明折叠舵机构设计合理。

4 总结

针对折叠式小口径智能弹药,从舵机、推销机构、折叠机构三方面开展了折叠式鸭舵机构的设计,建立了折叠鸭舵展开过程的动力学仿真模型,通过使用动力学仿真及试验相结合的方式对其性能进行分析验证,结果表明:舵片在外力作用下展开迅速并展开锁定后舵片没有发生明显的回弹现象,说明折叠舵机构设计合理,可为折叠舵的工程运用提供参考。