氣動彈射器阻尼孔對系統性能影響的研究

劉救世，馬勝鋼，董攀輝，竇小鵬，裴東杰

(1.鄭州大學機械工程學院，河南鄭州450001;2.鄭州機械研究所，河南鄭州450001)

隨著科學技術的發展，無人機的應用越來越廣泛，各種無人機彈射器的研發日趨重要。文中對一種貯氣瓶供氣的無人機氣動彈射器進行了研究。

在氣動彈射系統中，壓縮空氣的可壓縮性大，氣動裝置中部分元件的氣容較大，發射體 (無人機)的慣性大，阻尼孔的形式復雜，發射過程時間短等客觀因素對系統的工作參數及穩定性和過渡過程影響較大。因此，要想科學合理的設計一套滿足彈射功能要求和品質、性能優良的氣動彈射器，必須建立該系統的理論分析模型，通過對該模型的仿真分析，研究該系統主要元件及工作參數對系統性能的影響，確定系統主要工作參數之間的匹配關系，為科學合理設計該系統奠定理論基礎［1］。

1 貯氣瓶供氣氣動彈射器的工作原理

貯氣瓶供氣空氣彈射器的基本原理如圖1所示。該彈射系統的動力源為裝有壓縮空氣的貯氣瓶。

彈射器發射時，電磁換向閥4通電換向，貯氣瓶1中的壓縮空氣經管道、控制器2和電磁閥4進入氣缸5的無桿腔，推動活塞和活塞桿帶動增速器11連同鋼絲繩9、滑車7及無人機8一起做彈射加速運動，氣缸有桿腔中氣體通過消聲器3返回大氣。當滑車運行至發射架末端時，無人機達到發射速度而脫離滑車飛向空中，完成無人機彈射過程。

圖1 貯氣瓶供氣氣動彈射器原理圖

2 貯氣瓶供氣氣動彈射器的數學模型

由于氣動彈射器的工作過程較為復雜，在建立系統數學模型時采取了如下假設:(1)所使用的工作介質遵循理想氣體的基本規律;(2)熱力過程均看作是準靜態過程，各參數視為集中參數;(3)因彈射時間短暫，氣缸的工作過程可視為絕熱過程。

在建立系統數學模型時，作者重點考慮了彈射系統中較大的慣性 (如無人機、滑車的質量)，系統中較大氣容 (如氣缸的空腔)，氣動元件中對系統性能影響較大的氣阻 (如貯氣瓶出口、換向閥通流口、氣缸進出口等)，忽略了次要因素 (如管道的氣阻等)。對模型進行了必要的簡化處理，如對于系統中彈射體的質量，根據增速器的增速比及能量守恒的原則，將無人機及滑車質量等效至氣缸活塞桿端，系統中閥類元件的氣阻可簡化為節流小孔計算等。

簡化后系統彈射過程的理論模型如圖2所示。Sg為貯氣瓶出口阻尼的有效截面積;Sd為換向閥阻尼的有效截面積;Sr為氣缸進氣口阻尼的有效截面積;Sc為氣缸出口阻尼的有效截面積。如此簡化的氣動彈射系統，不僅方便對氣動系統進行設計計算和理論研究，而且還能方便對其主要工作參數進行匹配［2－3］。

圖2 氣動彈射器的理論分析模型

將該系統分三段建立系統的數學模型是科學合理的。建立數學模型中具體參數的含義見表1。

表1 參數含義表

第一段是貯氣瓶放氣過程:

第二段是氣缸充放氣過程:

第三段是彈射體的運動過程:

3 貯氣瓶供氣氣動彈射器的仿真模型

考慮到該系統所建立的數學模型是非線性方程組，選用四階龍格庫塔法求解是可行的。在編制系統的仿真模型時，仿真模型中的結構參數依據設計要求確定，部分無參考資料的性能參數通過試驗確定(如部分元件阻尼孔的有效截面積，部分容性元)。對于在前述建模過程中未能考慮而又必須考慮的個別因素可在仿真模型中加入適當條件給予補償 (如氣缸的行程、氣流速度的臨界點等)。該仿真模型經過理論對比分析和部分試驗驗證，證明了該仿真模型與實際所研究的氣動彈射系統基本吻合，可作為以后理論分析與研究的依據。

4 阻尼孔對系統彈射性能的影響

影響該系統彈射性能的關鍵參數除了貯氣瓶工作壓力、容積、氣缸有效作用面積、彈射體質量以外，氣動系統阻尼孔的組成形式、阻尼孔大小以及其匹配也對系統彈射性能有重大影響。研究的氣動彈射器的基本工作要求是:彈射體質量80 kg、彈射末速度24 m/s、 (氣缸的彈射末速度3 m/s)、彈射行程8 m。在該約束條件下分析阻尼孔對系統彈射性能的影響如下:

(1)氣缸進氣路阻尼孔對系統彈射性能的影響

氣缸進氣路阻尼孔包括:貯氣瓶出氣阻尼孔Sg、換向閥阻尼孔Sd、氣缸無桿腔進氣阻尼孔Sr。由彈射器的理論分析模型可知這3個阻尼孔的組成形式為串聯關系，它們的綜合作用可用阻尼孔串聯合成有效截面積表示:

當系統其他參數一定時 (如:貯氣瓶壓力3 MPa，貯氣瓶容積0.05 m3，氣缸內徑250 mm)，改變各阻尼孔的大小對系統彈射性能影響結果如表2所示。

表2 氣缸進氣路阻尼孔對系統性能影響

表2的仿真結果表明:

①在系統其他條件一定的情況下，無論阻尼孔Sg、Sd、Sr3者各自有效截面積的大小如何，他們3個合成的有效截面積S決定了系統的彈射性能。合成有效截面積S越大，系統的彈射速度越大、彈射時間越短。

②盡管合成有效截面積S由Sg、Sd、Sr共同決定，但當三者各自有效截面積的差值較大時 (如表2中Sg、Sd、Sr分別為4.91 ×10－4m2、7.85 ×10－5m2、7.07×10－4m2)，有效截面積較小的阻尼孔 (Sd為7.85×10－5m2)決定了系統的彈射性能 (彈射末速度v為2.72 m/s，仍然不能滿足彈射性能要求)。也就是說如果其中一個阻尼孔過小時，另外兩個阻尼孔無論如何大也難以滿足系統的彈射要求，三者各自阻尼孔的有效截面積的匹配差值不能太大。因此，在氣動彈射系統中除了合理選擇設計驅動氣缸進氣口和貯氣瓶出氣口的有效截面積外，選用大通徑換向閥與其匹配也是重要的 (如表 2中Sg、Sd、Sr分別為4.91 ×10－4m2、1.77 × 10－4m2、7.07 × 10－4m2，彈射末速度為3.502 m/s，滿足彈射性能要求)。

(2)氣缸有桿腔出氣路阻尼孔Sc對系統彈射性能的影響

當氣缸無桿腔進氣路阻尼孔合成有效面積為S=1.62×10－4m2，不同阻尼孔Sc對系統性能的影響如表3所示。

表3 阻尼孔Sc對系統性能的影響

當氣缸出氣路阻尼孔截面積達到一定值時(4.0×10－4m2)，該阻尼孔對彈射氣缸有桿腔內排放的氣體幾乎無阻礙作用，氣缸運動阻力小、氣體可迅速排放到大氣中，氣缸獲得的速度大。仿真結果表明:在此彈射過程中，有桿腔內壓力幾乎等于大氣壓力，繼續增加氣缸出口阻尼孔截面積已無意義對系統彈射性能的影響很小。

氣缸彈射的末速度隨著氣缸出口阻尼孔截面積的減小而降低。在彈射過程中，當氣缸出氣路阻尼孔截面積較小時 (1.0×10－8～1.0×10－4m2)，該阻尼孔對彈射氣缸有桿腔內排放的氣體的阻力較大，隨著有桿腔容積的減小，有桿腔內的壓力顯著增加，對彈射氣缸運動的阻力增大，氣缸的加速度減小。從表3仿真數據可知，彈射完成后，有桿腔內的壓力較大。

5 結論

(1)對貯氣瓶供氣彈射過程進行仿真研究時，采用的建模方法是正確可行的。

(2)對貯氣瓶供氣彈射過程進行仿真研究的結果為科學合理設計貯氣瓶供氣彈射裝置奠定了理論基礎。

［1］何慶，劉東升，于存貴，等.無人機發射技術［J］.飛航導彈，2010(2):24－27.

［2］陳怦，趙濤，王建培.無人機發射過程仿真與參數敏感性分析［J］.飛行力學，2002(3):21－24.

［3］李悅，張海黎.無人機氣液壓發射原理試驗研究［J］.南京航空航天大學學報，2010(12):699－703.

［4］李浩，肖前貴，胡壽松.火箭助推無人機起飛發射段建模與仿真［J］.東南大學學報:自然科學版，2010(9):136－139.