作者简介：庞兆君(1985—)，男，讲师，主要从事非线性动力学与航天器动力学与控制研究，E-mail:pangzj@qnjust.edu.cn。
膛线式飞网发射器研究
Structure Design and Analysis of Rifled Netting Launcher
近年来，随着人类频繁的太空活动，积累的太空碎片也越来越多，这些太空碎片围绕着地球高速运动，与正常运行的航天器发生碰撞的概率越来越大，对航天器以及航天员产生的威胁越来越大，同时，一些太空碎片运行在稀少的空间轨道(如地球静止轨道)，对太空资源造成浪费，因此清除太空碎片变得越来越重要[1]。
当前，国内外相关研究机构正在研究的空间碎片清除技术主要有空间飞网捕获技术、电动力绳索移除技术、电动碎片清除技术、激光清除技术和离子束移除技术[2]，其中空间飞网捕获技术是近年来的研究热点。空间飞网捕获系统由飞网发射器、大尺寸柔性网、收口装置、绳系控制系统等组成[3]，飞网发射器将收口装置按一定速度和一定角度发射出去，牵引柔性网在指定距离展开，收口装置在一定时间延迟后启动，将飞网网口收紧并锁死，达到对空间碎片的捕获，再由本体卫星牵拉，通过绳系控制系统控制牵拉力，将空间碎片平稳拖入坟墓轨道，达到清除目的。空间飞网捕获的第一步是要确保柔性网的顺利张开，这就需要飞网发射器精确稳定的将收口装置发射出去，因此，飞网发射器的性能将直接影响飞网捕获的效果。
国外对空间飞网捕获系统进行了深入研究，对其中的飞网展开、碰撞以及绳系控制等方面进行了大量的仿真和试验验证[4-6]，但对飞网发射器的优化设计及性能研究的相关成果的报道却很少。国内对空间飞网捕获系统的研究成果也很多[7-8]，其中在研究和应用的飞网发射器有弹射发射器和旋转发射器，弹射发射器是通过将多个发射筒相对于网筒向外斜置一定角度，利用弹簧储能发射[9]，这种发射器设计简单，但存在收口装置的发射同步性问题，且空间尺寸大，而旋转发射器则是先同时将收口装置及飞网一体弹射出去，再在适当距离启动旋转机构，依靠离心力将飞网展开[10]，相比于弹射发射器，这种发射器不存在发射同步性问题，但飞网展开方向不好控制，且采用两级发射，可靠性差。以上两种飞网发射器都存在致命的缺陷，将直接影响飞网发射的可靠性。
本文通过借鉴武器中的膛线发射技术，研制了一种膛线式飞网发射器。第一节介绍了膛线式飞网发射器的结构及工作原理并详细介绍各分组件的结构，第二节对发射器进行了运动学分析，得出各速度关系，第三节在运动学分析的基础上，对发射器内弹道方程进行修正，并用Matlab进行内弹道仿真分析，第四节是初步的性能验证试验。
1 发射器的结构设计
抛射发射器的同步性差、质量大，同时占用空间大，而旋转发射器的控制困难，发射可靠性差，为此本文提出一种膛线式飞网发射器，如图1所示，发射器主要包括托座、活塞作动装置、收口装置、分离装置4个组件。活塞作动装置位于发射器中部，主要有活塞及活塞筒构成，活塞顶部与托座连接，4个收口装置固定在托座中，随托座一起运动，底部与分离装置连接。整个膛线式飞网发射器外形包络为Φ214 mm×180.5 mm的圆柱，总质量7.08 kg，相对于现有的飞网发射器体积和质量都极大地减小。
1.托座；2.活塞；3.活塞筒；4.收口装置；5.分离装置；6.药室底座；7.点火具
图1 膛线式飞网发射器
膛线式飞网发射器通过膛线作用下的旋转运动产生的离心力达到分散发射，活塞作动装置中的活塞在火药气体的推动下，向外推动托座，托座带动其上的收口装置一起运动，收口装置运动的时候与底部分离器分离。活塞作动装置中的活塞筒外壁上加工有一对膛线，托座中的导向销嵌套在膛线内，因此托座向外运动时，会产生旋转角速度，当活塞运动到顶部时，托座中的四个收口装置由于没有任何限制，将向外散开，牵引飞网展开。在发射过程中，四个收口装置一体发射出来，因此同步性好。以下具体介绍膛线式飞网发射器的各组件结构。
1.1 活塞作动装置
活塞作动装置采用的成熟的作动筒发射器结构，如图2所示，活塞上端与托座连接，托座可相对活塞轴线旋转，活塞筒的外壁两条对称的膛线与导向销配合，膛线式飞网发射器依靠活塞推动传递的能量作为发射动能，单一的作动方式使得发射器可靠性高，活塞作动装置底部安装两个制式点火具，点火具的点火成功率达到1-10-6，其发射成功概率
E=1-(1-p)2=1-10-12
(1)
式中：E为发射器的发射成功概率，p为单个点火具点火成功率[11]，可以看出活塞作动装置点火发射成功的安全性指标为10-12，使得膛线式飞网发射器的可靠性极大提升。
1.固定螺母；2.连接盘；3.限位卡圈；4.活塞；5.活塞挡圈；6.活塞筒；7.药室底座；8.点火具
图2 活塞作动装置
1.2 托座及分离装置
托座在膛线式飞网发射器中起到一个传递动能及固定支撑作用，因此设计中，尽量减小其质量，同时又要保证一定的强度，采用铝材整体机工，对不承力部分进行掏空处理，如图3所示，周向为收口装置固定槽，同时侧壁往里开有用于固定有两个导向销的导向销固定孔，底面开有两个导杆固定孔，用于分离装置中的导杆连接。
图3 托座结构
根据分离装置的功能要求，在发射器发射前，需要分离装置能将收口装置紧紧固定在托座上，而在发射器发射过程中，分离装置的分离过程对收口装置的发射影响尽量小，整个发射过程在分离装置消耗的能量尽量小，针对托座的运动情况，设计如图4所示分离装置。
分离装置安装在收口装置的底部，由销子、分离套、分离内套、旋转盘、分离杆和导杆组成，分离套固定在收口装置的底面，两侧开有槽口，槽口底面成45°斜角，分离内套通过托座底面伸入分离套内，分离内套两侧开有插销口，销子插在插销口内，一端与分离套槽口底面贴合，分离内套的中间套着分离杆，分离杆固定在旋转盘上，旋转盘固定在活塞筒底部，能绕着活塞筒旋转，但不能上下移动，旋转盘上装有两根导杆，导杆插入托座的导杆固定孔内，发射器为发射时，托座固定不动，托座与旋转盘之间没有相对运动，此时由于销子卡在分离套上，使收口装置紧紧与托座连接在一起，当发射器发射时，托座旋转向上运动，旋转盘由于导杆的带动与托座一起旋转但不向上运动，使得托座与旋转盘只有竖直方向的分离，旋转盘上的分离杆相对分离内套向下运动，当运动到底时，销子没有约束在挤压力作用下向分离内套中移动使分离内套与分离套分开，收口装置与托座之间解锁，整个分离过程主要受到销子与分离套的摩擦力，因此能量消耗极小，对发射器的发射过程影响极小，且不需要任何电控过程。
图4 分离装置
2 发射器的运动分析
膛线式飞网发射器整个发射过程就是托座带动收口装置一起做螺旋运动，在运动初期，收口装置解开分离装置的限制，损失的动能很小，基本可以忽略，随后托座与收口装置一起运动，在发射器口收口装置由于离心力作用与托座分离。
活塞在膛线筒内做变速运动，托座与活塞有相同的直线运动，同时托座还有绕膛线筒轴线的旋转角速度，其直线运动和角速度运动有固定的运动关系：
(2)
式中：ω为托座旋转角速度；v为活塞与托座的直线运动速度；η为膛线的缠度；r为膛线筒外径。
当活塞运动到极限位置时停止运动，托座也停止运动，而由于动量守恒，托座上的收口装置继续运动并分散开，其由于旋转运动产生的沿旋转轨迹切线方向的运动速度与沿着膛线筒轴线的速度关系：
(3)
式中：vτ为收口装置沿旋转轨迹的切向速度；r1为收口装置质心离膛线筒轴线的距离。
由式(3)可知收口装置的发射角度β，也即收口装置的合速度与膛线筒轴线的夹角
(4)
从式(4)中可以知道，收口装置的发射角β与η，r成反比，而与r1成正相关，η和r越小，β就越大，r1越大，β也越大，通过合理改变η，r，r1的大小来调整收口装置的发射角β。
3 发射器的内弹道方程修正
传统的武器发射器的内弹道方程中，由于弹丸旋转运动的能量以及摩擦消耗的能量很小，通过次要功系数φ来进行修正。膛线式飞网发射器中，托座和收口装置有大角速度的旋转运动和直线运动，活塞只有直线运动，而且托座和收口装置的旋转运动的能量占整个运动的能量的比例大，因此，通过采用等效质量法来修正膛线式飞网发射器的内弹道方程，将膛线式飞网发射器等效为一个发射只有直线运动弹丸的发射器。
首先计算托座、收口装置和活塞直线运动的动能
(5)
式中：m1为托座与收口装置的总质量；m2为活塞的质量。
其次计算托座和收口装置旋转运动的动能
(6)
式中：J为托座和收口装置相对于活塞筒轴线的转动惯量，将式(2)中的ω代入式(6)中得
(7)
最后计算由于导向销与膛线槽壁摩擦产生的能量，导向销的受力如图5所示，导向销受到高压气体传导过来的推力S×p，其中S为活塞底面积，p为膛压，推力沿着膛线筒轴向向上，在高压气体推力作用下导向柱挤压在膛线槽壁上，受到膛线槽壁对其的反向压力FN，方向垂直膛线，导向销沿着膛线运动时，受到摩擦力f,且有如下关系
f=μFN
(8)
式中μ为摩擦因数。
图5中α为膛线角，由膛线缠度的定义可知
(9)
图5 导向柱受力示意图
导向柱沿活塞筒轴线方向的加速度与其总加速度关系为
a总
(10)
(11)
由此建立导向柱的受力关系
f+m1a总
(12)
分析导向销在移动过程中摩擦力做功与托座直线加速过程的关系，当导向销沿轴线上升Δh时，其在膛线上滑动了Δl，两者的关系
(13)
则摩擦力所做的功
(14)
又因为托座和收口装置直线运动后的动能就是直线加速运动的积分，因此
m1a轴
(15)
由式(10)、式(11)、式(14)、式(15)可得
(16)
因此火药气体所作的主要功为
(17)
由此得到等效弹丸的质量为
(18)
再与经典内弹道方程组结合对膛线式飞网发射器进行修正得
(19)
根据修正后的内弹道方程，运用Matlab进行编程仿真，可得出各参数与收口装置出口速度之间的关系，从而进行结构优化以及发射药量的选择。
本研究的膛线式飞网发射器采用地面试验算例进行内弹道计算，m1=1kg，m2=0.08 kg，r=65 mm，μ=0.15，η=4，J=4 833 kg·mm2，通过内弹道仿真得到发射药量与收口装置出口直线速度关系表1所示。
表1 仿真速度药量关系
飞网抓捕中，收口装置的出口速度在20 m/s左右是比较合适的，因此根据仿真分析得出的膛线式飞网发射器的发射药量为4 g。
同时由仿真结果得出的速度曲线及膛压曲线如图6所示。
图6 发射药量的速度曲线(a)与膛压曲线(b)
4 试验研究
为验证膛线式飞网发射器的可行性，加工了一套简化版膛线式飞网发射器进行试验，简化版膛线式飞网发射器参数与上一节的算例参数一致，其活塞未受限制，会随着收口装置一起飞出，首先对发射器的发射速度进行测速试验，试验现场布置如图7所示，发射器水平固定在支架上，前端设置着光幕测速仪，发射器内的托座及收口装置用等质量的配重块代替。共测速了3次，得出的速度及药量关系如表2所示。
表2 测速试验数据
图7 测速试验现场布置
由表2可知，试验结果与仿真结果相吻合。
再进行了发射展开试验，试验所用膛线式飞网发射器如图8，试验过程将发射器固定在空地向上发射，远处安全区域设置高速摄像机对收口装置的出口飞行状态进行记录(高速摄像机如图9)。拍摄的照片如图10。
图8 膛线式飞网发射器
图9 高速摄像机
图10 发射展开试验
由试验照片可以看出，四个收口装置(牵引体替代)同时飞出，且在飞网展开过程中一直保持相同速度，将飞网从网筒中牵引展开，试验最后飞网完全展开落地。验证了膛线式飞网发射器的可行性，且发射器的同步性好。
5 结论
通过对膛线式飞网发射器的结构设计及运动分析，并进行内弹道修正，仿真分析得出发射器的出口速度与发射药量的关系，验证了内弹道方程的正确性和膛线式飞网发射器的可行性和同步性，为飞网发射提供了一种新型发射方式，具有潜在的工程应用价值。
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