新型冷氣彈射式發射裝置分離速度穩定性研究

摘 要：針對新型冷氣彈射式發射裝裝置彈射分離參數受高壓冷氣壓力的影響較大問題，文章通過對不同溫度條件下懸掛物分離速度受氣瓶壓力和流通面積的影響進行分析計算，形成典型氣瓶壓力受流通面積影響的等速曲線圖，采用圖像法進行了曲線分段擬合。在等速曲線分段擬合的基礎上，進行彈射式發射裝裝置彈射分離速度穩定性的原理設計，為新型彈射發射裝置及同類懸掛裝置對懸掛物彈射分離速度穩定性控制提供技術支持。

關鍵詞：冷氣；彈射式發射裝置；分離速度；穩定性

中圖分類號：TJ760.13 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0038-03

彈射式發射裝置是指用來懸掛、運載和彈射分離懸掛物的機載設備，是載機懸掛裝置的一種，在導彈發動機點火之前，利用彈射能源產生的瞬間彈射力將導彈彈離載機。通過彈射式發射裝置能將導彈安裝在機內或干擾流場作用較大的武器掛點上。同時可以避免導彈尾噴流對載機的侵蝕影響。

隨著彈射式發射裝置的大面積應用，采用拋放彈作為彈射式發射裝置的彈射作動能源，其本身電爆不完全燃燒的特性和化學殘留對懸掛裝置的影響逐漸引起重視，拋放彈點燃后產生的化學腐蝕、殘渣等增加了懸掛裝置的使用維護要求，降低了懸掛裝置的性能、縮短了懸掛裝置的壽命，此外拋放彈還涉及到相關的儲存、保管、損耗和廢舊處理等過程，進而引發懸掛裝置全壽命使用維護費用的增加。

20世紀80年代在美空軍的資助下，EDO公司成功地演示驗證了非拋放彈彈射作動懸掛裝置免維護效果。全氣體作動的炸彈架和導彈彈射架項目也在美空軍裝備實驗室成功驗證，懸掛裝置進入潔凈彈射作動能源時代，采用潔凈彈射作動能源的彈射發射裝置得以不斷的發展。

隨著高壓冷氣作動技術的進一步研究應用，高壓冷氣壓強隨溫度大范圍變化，從而影響懸掛物分離參數及分離姿態的穩定性的特點成為影響高壓冷氣作動技術深入推廣的重要因素。本文從彈射發射裝置采用高壓冷氣為彈射作動能源入手，開展彈射作動能源環境溫度影響、彈射分離速度穩定性等問題的研究，試圖尋找一種控制彈射發射裝置懸掛分離速度穩定性的有效方法，為懸掛裝置的配套研制提供解決途徑。

1 環境溫度與高壓氣體壓力關系

1.1 真實氣體狀態方程

真實氣體只是在溫度不太低，壓力不太高的條件下，才能遵守理想氣體的狀態方程。理想氣體方程應用到真實氣體，必須考慮到真實氣體的特征，予以必要的修正。范德瓦爾斯方程是1873年荷蘭物理學家范德瓦爾斯（van der Waals）在對理想氣體兩條基本假定（忽略分子固有體積、忽略除碰撞外的分子間相互作用力）分別做出兩條重要修正后得到的，能描述真實氣體行為的物態方程。

1.2 試驗對比

為進一步確認氣體方程計算值與實際實驗值的符合性，在初始溫度為20℃，懸掛裝置充氣20 MPa，進行壓力隨溫度變化值測量。由測量數據可看出，實驗測量結果與范德瓦爾斯方程計算結果符合程度較高（圖1），因此本文以下壓力隨溫度變化數據均采用范德瓦爾斯方程進行計算求解。

2 彈射分離速度穩定性分析

2.1 彈射分離速度穩定性要求及解決途徑

本文以某新型彈射發射裝置為例，使用環境溫度為-55℃～+70℃，標準條件下（+25℃～+35℃）彈射發射裝置作動能源壓力為28 MPa。經試驗驗證，在該型彈射發射裝置全溫度工作范圍內，其彈射作動能源壓力從16～20 MPa變化到38～42 MPa，對應的懸掛物彈射分離速度也從7.6 m/s變化到11.2 m/s，懸掛物在彈射分離時的動能相差近1倍。由于懸掛物彈射分離過程的作用時間小于200 ms，作用時間短，作用力大，如何有效控制懸掛物的彈射分離速度偏差，提高懸掛物的分離姿態穩定性，成為該新型彈射發射裝置設計的一項關鍵技術。

彈射發射裝置的冷氣作動系統采用電磁閥進行彈射作動能源的釋放控制，氣體流量受電磁閥通徑影響，通常電磁閥的通徑是定值，不隨溫度—壓強變化，如圖2所示。

若想在不同的壓力下，獲得近似相同的彈射分離速度，可通過改變電磁閥的開關時間和控制電磁閥通徑的方法來實現。電磁閥的開關時間控制環節較多，系統誤差較大，電磁閥的控制環節和實現效果誤差較大，不宜采用實現。下面就采用控制電磁閥通徑隨壓力變化的方法，來達到控制懸掛物分離速度的穩定進行分析研究。

2.2 溫度壓力與彈射系統流通面積的關系

本文采用AMEsim軟件進行彈射系統仿真建模，系統原理見圖2所示。以7.6 m/s為懸掛物的分離速度設計低限，以8.3 m/s為懸掛物的分離速度設計高限，進行-55℃～+70℃全溫度范圍彈射發射裝置彈射作動壓力和流通面積關系計算，計算結果如圖3所示。

由圖3可知，兩條速度曲線在氣瓶壓力小于28 MPa時，彈射作動壓力變化引起彈射系統有效流通面積變化較大；當氣瓶壓力大于28 MPa時，隨著彈射作動壓力變化引起彈射系統有效流通面積變化較小。由此可采取分段控制的措施，進行彈射分離速度的近似擬合，以確保各種溫度壓力條件下彈射發射裝置彈射分離速度的相對穩定性。

2.3 速度曲線擬合

采用直線擬合方式進行函數曲線的擬合，具有原理簡單，易于實現等特點，所以針對圖3曲線，下文擬采用直線分段擬合的形式來保證不同壓力條件下彈射作動系統流通面積的實時變化。

當彈射作動壓力大于28 MPa時，隨著彈射作動壓力變化彈射系統有效流通面積變化較小，此段曲線可采用平直直線進行擬合，就是采取確定的流通面積的方式，確保適配溫度和壓力條件下懸掛物彈射分離速度在確定速度范圍內。

彈射作動壓力小于28 MPa時，隨著壓力變化彈射系統有效流通面積變化較大，所以在壓力小于28 MPa的曲線部分，采用大斜率直線進行擬合，使大斜率直線落在速度上下限曲線之間。最后調整大斜率擬合段直線和平直段擬合段直線，形成連續的線段，即為彈射發射裝置彈射作動系統流通面積隨壓力變化的參考設計線，如圖4所示。

3 典型等速曲線擬合的原理實現及計算

3.1 原理實現

分析圖4典型等速曲線平直段擬合+大斜率段擬合，平直段擬合的物理實現為彈射發射裝置作動能源在高壓強下的固定流通面積，大斜率段擬合的物理實現為類似y=k×x函數特性的結構形式。彈簧的函數為F=k×x，為作用力和作用距離的關系函數，與大斜率段擬合直線函數y=k×x相似，調整兩函數關系，形成如圖5擬合后彈射發射裝置的冷氣作動系統原理圖。

3.2 仿真分析

采用AMEsim軟件對擬合后彈射發射裝置的冷氣作動系統，進行42 MPa彈射作動壓力時彈射發射裝置對懸掛物彈射分離速度的穩定性計算。

經計算，等速曲線擬合控制部件在系統作動瞬間彈射系統有效流通面積從31.4 mm2變化到35.2 mm2，如圖6所示；懸掛物分離速度基本穩定在8.23 m/s左右，如圖7所示，小于原彈射作動壓力42 MPa時彈射發射裝置對懸掛物彈射分離速度11.2 m/s，與擬合曲線設定速度上限8.3 m/s接近。

通過以上計算，擬合后的彈射發射裝置冷氣作動系統原理，可以起到穩定的作用，達到穩定彈射發射裝置對懸掛物彈射分離速度的目的。

4 結 論

本文通過對不同溫度條件下，彈射發射裝置對懸掛物分離速度設計低限和設計高限設定，對彈射發射裝置彈射作動壓力受流通面積大小的影響進行分析計算，形成彈射發射裝置彈射作動壓力與流通面積大小變化的典型等速曲線趨勢圖，采用圖像法進行了曲線分段擬合；在等速曲線分段擬合的基礎上，形成彈射發射裝置彈射系統分離速度穩定性工作原理，并進行最大作動壓力下彈射發射裝置對懸掛物彈射分離速度穩定性仿真計算。

通過對該彈射發射裝置彈射系統典型等速曲線擬合和對懸掛物彈射分離速度穩定性仿真計算，結果表明該等速擬合方法能夠實現穩定彈射發射裝置對懸掛物彈射分離速度的目的，為新型彈射發射裝置及同類懸掛裝置對懸掛物彈射分離速度穩定性設計提供實現途徑。

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