基于ADAMS的机载导弹弹簧蓄能弹射机构性能影响分析

目前我国机载导弹大部分采用燃气式弹射装置，是典型的热弹射装置。它由抛放弹作为弹射装置的驱动能源，具有体积小、能量大、结构较简单、重复悬挂精度高等特点，而且技术上比较成熟[1]。但是热弹射同时也存在很多缺点：污染环境，产生气体高温高压易烧蚀机件；每次发射后需对挂钩等部件清洗擦拭；日常维护危险性高。另一种被广泛采用的是以高压气瓶作为驱动能源的弹射装置。这种装置的缺点是高压气瓶体积大、质量大，充放气时间长，不能满足部队快速反应要求[2-3]。针对以上两种弹射装置的弊端，本研究提出了一种利用EHA(电静液作动器)压缩弹簧来蓄能的新型弹射方案。电静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)是一种将机械、电子、液压三种技术集成一体的功率电传装置，它克服了传统液压系统泄漏高、噪音大、效率较低等长期存在的缺点，利用电缆代替液压来传递功率，而不再需要沉重的液压能源系统以及复杂的液压管路。将EHA应用于机载领域，不但可以有效地减轻载机的负重、节约成本，还能提高功率传递的效率，使载机具有更强的生存能力和作战性能，并且有助于减轻地面人员的维护和保养负担。故本文采用EHA作为弹簧的压缩蓄能以及弹射杆回收的动力源，并在此基础之上，利用动力学仿真软件ADAMS对其弹射机构性能影响因素进行分析。

1 总体设计方案

弹射装置总体方案如图1所示，其工作流程为：① 飞行员根据作战态势，在投放前发出蓄能指令；② EHA作动器工作，压缩弹簧蓄能，当弹簧被压缩至预定位置时，相应微动开关(SW)闭合，蓄能停止，液压缸保持一定压力；③ 发出弹射投放指令；④ 电磁开锁机构产生开锁力，使挂钩组件与弹射组件的闭锁装置打开；⑤ 弹射止动器的弹射杆在弹簧力作用下推动导弹向下推出，导弹被投放；⑥ 弹射行程终止时，EHA作动器换向工作，将弹射杆回收。

2 关键模型构建

根据设计方案，首先利用三维CAD建模软件SolidWorks构建关键组件模型，并进行整体装配，如图2。再将三维模型导入动力学仿真软件ADAMS，并添加约束条件，使弹射机构能够实现预定功能，如图3所示。

3 弹射过程动力学仿真分析

3.1 初始设计参数下仿真结果分析

首先在初始设计参数下对弹射机构进行仿真[4]，影响动力学仿真结果的主要参数如表1所示。

为了节约计算时间，明确仿真目标，不妨将仿真分为3个阶段。第一阶段为同步解锁阶段，即对挂钩闭锁机构和同步解锁机构进行仿真；第二阶段为弹射分离仿真阶段，即对弹射杆和悬挂物进行运动仿真；第三阶段为回收阶段，即对回收过程中楔形块卡锁进行运动仿真分析。

3.2 弹射行程对弹射性能影响分析

根据理论计算，固定弹簧刚度系数k的值不变，更改弹簧压缩量，即改变弹射行程，在100～170 mm之间均匀取8个弹射行程量，如图4所示，利用ADAMS仿真运算得到各行程的弹射速度-时间曲线，并将它们绘在同一张图中，从图4中可以观察得到各弹射行程下的悬挂物分离速度，如表2所示。

由上至下分别是弹射行程从小到大的弹射速度曲线。从图表中可以观察到，在固定弹簧刚度系数k的情况下，弹射行程越长，所需的压缩力就越大，弹射的分离速度也就越大。当弹射行程在120～170 mm之间时，弹射分离速度均在4.8～9 m/s，满足技术要求；从图中还可以看出，弹射分离时间在0.028～0.034 s，这表明相对于弹射行程的变化，由于弹射速度较大，弹射行程的改变对弹射分离时间的影响较小。

3.3 弹簧直径对弹射性能影响分析

由于本文采用弹簧蓄能弹射，弹簧的直径又会影响弹簧的刚度系数，弹射杆的直径是由设计所选取的弹簧直径来决定的。固定弹簧的材质、线径以及弹射行程，只改变弹簧的直径和对应的压缩力，在ADAMS中进行仿真分析，得到各弹射杆直径下的弹射速度仿真曲线并将它们绘制在同一张图中，如图5所示，分离参数数据如表3所示。

如图5所示，由下至上分别是弹簧直径从40 mm到80 mm的弹射速度曲线。从图中可以观察到，弹射杆直径越小，弹簧刚度就越大，所需的预加载荷也越大，从而使分离速度更大。需要注意的是，与改变弹射行程不同，改变弹簧直径对弹射分离时间影响较大，图中5种弹簧直径的弹射分离时间在0.018～0.043 s，分离速度在3.86 m/s到11.63 m/s，其中只有弹射杆直径为50 mm和60 mm时的分离速度达到国军标分离速度要求。

3.4 弹射间隙对弹射性能影响分析

弹射杆下端与悬挂物之间不可能完全接触，必定留有一定的间隙，从而会造成弹射有一定的延迟时间。前文弹射的运动仿真是在理想状态下进行的，并未考虑弹射杆与悬挂物之间的间隙。通过在ADAMS中移动悬挂物的位置，就可以改变弹射杆与悬挂物之间的间隙，从而进行运动仿真得到不同的间隙对于弹射速度及加速度的影响。为了更明显地观察不同间隙下弹射分离响应时间的变化，将仿真时间设置为0.05 s，得到各间隙下弹射速度及加速度曲线如图6和图7所示，由下至上6条曲线分别为从零间隙开始，以10 mm为间隔逐步增加到50 mm的曲线，得到分离参数数据如表4所示。

由图6、图7可以看出，弹射杆与悬挂物的弹射间隙越大，损失的动能就越大，同样条件下分离速度以及分离加速度就越小。另外弹射间隙越大，弹射延迟就越大。由表4中分离参数可知，当间隙小于30 mm时，分离速度可以达到4.8 m/s以上，符合国军标分离速度要求；若间隙大于30 mm则会影响弹射机构的弹射性能，不能达到标准。

3.5 悬挂物质量对弹射性能影响分析

本研究设计的弹射机构主要应用对象为SDB小直径制导炸弹，其体积质量较小，只有100 kg左右，故弹射分离需要的动能较小。下面在ADAMS原模型的基础上，只改变悬挂物的质量设定，研究悬挂物质量对分离速度及加速度的影响。

图8和图9中由下至上分别是悬挂物100 kg到400 kg的速度以及加速度曲线。从曲线和表5中可以观察到，悬挂物质量越大，所需的弹射动能就越大，在同等条件下达到的分离速度以及最大加速度就越小，其中只有100 kg和200 kg的悬挂物的分离速度满足国军标分离速度要求，表明本文设计参数下的弹射机构适用于质量较小的悬挂物的弹射。

4 结论

当弹射行程在120～170 mm，弹射杆直径为50 mm或60 mm，弹射间隙小于30 mm，悬挂物质量小于200 kg时，此弹射装置可以满足GJB1400—92号《机载导弹弹射式发射装置通用设计准则》悬挂物分离的技术要求：“为保证导弹与载机安全分离，弹射行程的终点速度，即悬挂物与弹射装置分离的速度应控制在在4.8～9 m/s。”本文的研究与论证工作对于机载弹簧蓄能弹射装置的设计与优化有着较大的参考价值。

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