折疊翼展開試驗與動力學仿真研究*

吳俊全，孫海文，張曉旻

(中國航天科技集團公司第四研究院第41研究所燃燒、流動和熱結構國家級重點實驗室，西安 710025)

0 引言

為縮小貯存、運輸和發射裝置上導彈體積，而需要將彈翼的一部分或全部折疊[1]。在折疊翼的設計過程中，不但要保證折疊翼在折疊和展開狀態均滿足外形要求，而且要保證折疊翼能按要求展開，展開運動必須滿足展開時間、展開角度、展開不同步性的要求[2];展開到位時，折疊翼應定位準確，鎖緊可靠，對彈身干擾小。因此對折疊翼展開過程進行動力學分析，確定機構展開到位，并且通過地面試驗進行驗證，對于武器型號的研制具有重要意義。

1 結構形式

整個折疊翼安裝在導彈殼體外表面，翼座與殼體外表面固連。導彈發射前折疊翼受發射箱約束處于折疊狀態，導彈發射出箱后，折疊翼以拉簧為初始展開驅動力，在軸向過載以及氣動力的共同作用下繞轉軸轉動，展開到位后與鎖緊銷發生碰撞并被鎖緊[3]。結構形式如圖1和圖2所示。

圖1 折疊狀態

圖2 展開狀態

2 動力學仿真模型及計算結果

2.1 仿真模型

通過PRO/E進行機構設計，然后導入ADAMS/View進行運動分析[4]。由于折疊翼出筒展開瞬間，導彈速度相對較低，忽略氣動力的作用。

2.2 動力學仿真分析

2.2.1 自重和拉簧作用下展開情況

圖3和圖4分別給出了單片折疊翼展開過程中的角速度－時間(ω－t)曲線、角加速度－時間(a－t)曲線。圖3中第一個拐點表示折疊翼展開過程中在鎖緊機構的作用下有一定的減速作用，速度出現階躍表明折疊翼展開到位，與翼座發生碰撞作用。圖4中角加速度的階躍也說明折疊翼與翼座的碰撞，二者時間一致均為190ms。

圖3 折疊翼展開過程中ω－t曲線

圖4 折疊翼展開過程中a－t曲線

從計算結果可以看出，折疊翼在自重和拉簧作用下展開所用時間為190ms，展開最大角速度為886°/s(圖中速度的正負值和方向有關)。鎖緊機構鎖緊可靠。

2.2.2 35g過載與拉簧作用下展開情況

圖5和圖6分別給出了單片折疊翼展開過程中的ω－t曲線、a－t曲線。圖5與圖3、圖6與圖4的曲線趨勢基本一致，只是在大過載作用下，前者的展開時間更短、碰撞作用更大。

圖5 折疊翼展開過程中ω－t曲線

圖6 折疊翼展開過程中a－t曲線

從計算結果可以看出，折疊翼在35g軸向過載和拉簧作用下展開所用時間為80.7ms，展開最大角速度為3439°/s。鎖緊機構鎖緊可靠。

3 試驗方案及試驗結果

3.1 自重和拉簧作用試驗

3.1.1 試驗方案

該方案考核折疊翼在自身重力以及拉簧力共同作用下的展開情況。

將試驗件固定到固定臺上，通過手動將2片折疊翼收攏后用約束繩將所有折疊翼約束綁定，將約束繩手動剪斷或點火藥包燒斷后折疊翼解鎖并釋放。折疊翼釋放后，在拉簧力和自身重力作用下展開并鎖緊。用高速攝像機拍攝折疊翼展開過程，試驗布置示意圖見圖7。

圖7 靜態試驗布置示意圖

3.1.2 試驗結果

在試驗過程中觀察到各片折疊翼的展開過程平穩、鎖緊可靠、同步性較好。兩次試驗結果 如 圖 8、圖 9所示。

由圖8和圖9可以得到，折疊翼在自重和拉簧作用下展開試驗的一致性相對較好，所用時間為108ms左右，兩次試驗展開到位的不同步性不大于20ms。折疊翼展開角速度均為900°/s左右。

圖8 手動剪斷約束繩展開速度－時間曲線

3.2 35g和拉簧試驗

3.2.1 試驗方案

該試驗通過轉臺旋轉的離心力模擬折疊翼在35g軸向過載條件下的展開情況。

將試驗件橫臥在轉臺上固定，折疊翼收攏后用包有點火藥包的細繩約束。啟動轉臺，當轉臺達到指定的轉速時，引燃點火藥包，細繩被燒斷，折疊翼展開并鎖緊。用高速攝像機拍攝折疊翼展開過程，試驗布置示意圖見圖10和圖11。

圖9 點火藥包燒斷約束繩展開速度－時間曲線

圖10 旋轉展開試驗布置示意圖(折疊狀態)

圖11 旋轉展開試驗布置示意圖(展開狀態)

3.2.2 試驗結果

由于高速攝像拍攝位置在轉臺轉動下很難定量給予計算，只能定型分析。根據拍攝試驗結果可以得到：折疊翼展開順暢，鎖緊機構可靠鎖緊，所有結構件完好。

轉臺轉速為3.2r/s，在折疊和展開兩種狀態下折疊翼質心距旋轉軸的距離不一致，使得兩種狀態下折疊翼軸向過載分別為29.5g和35g，該條件下折疊翼展開所用時間分別約為72ms和80ms;轉臺轉速為3.8r/s，折疊和展開兩種狀態下折疊翼軸向過載分別為35g和41.5g，該條件下折疊翼展開所用時間分別約為62ms和70ms。

4 計算與試驗結果分析

4.1 自重和拉簧作用下展開情況

根據試驗結果，手動剪斷約束繩和引火藥包燒斷約束繩的計算結果接近，以下用手動剪斷約束繩的試驗結果和仿真結果進行比較。從圖12中可以看出，計算得到的展開角度隨時間變化的曲線和試驗結果具有很好的吻合度。說明以上動力學仿真模型合理，可以用于模擬折疊翼展開過程的分析。

圖12 仿真結果與試驗數據對比

4.2 35g和拉簧下展開情況

模擬35g軸向過載的試驗當中，由于高速攝像機拍攝方向受限，只能得到較為粗略的數據。轉臺轉速為3.8r/s時折疊翼展開到位平均時間為約66ms，轉臺轉速為3.2r/s時折疊翼展開到位平均時間約為76ms。仿真結果中展開到位時間為80.7ms。分析認為由于約束繩綁定不能做到完全拉緊，折疊翼有一個初始的展開角度，使得展開到位時間相對仿真結果較短。

5 結論

文中運用ADAMS動力學仿真軟件建立了折疊翼機構的動力學模型，并通過試驗進行了驗證。結果表明：

1)動力學仿真結果與試驗值誤差較小，可以用于模擬折疊翼展開過程的動態情況;

2)該導彈折疊翼展開的不同步性較小，約為8ms左右，滿足設計要求;

3)折疊翼展開的沖擊作用下，所有結構件完好，滿足強度要求。

[1]王俊生.有翼導彈結構設計圖冊[M].北京：宇航出版社，1992.

[2]趙育善，余旭東，馬彩霞，等.折疊翼展開過程仿真研究[J].彈箭與制導學報，1997(2)：19－23

[3]余旭東，葛金玉，段德高，等.導彈現代結構設計[M].北京：國防工業出版社，2007.

[4]李軍.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002.