基于AMESim的火箭垂直退箭系統(tǒng)量化分析技術(shù)

王旭剛，介黨陽，翟章明，張　健，周一磊，徐明釗

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京　100076)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

基于AMESim的火箭垂直退箭系統(tǒng)量化分析技術(shù)

王旭剛，介黨陽，翟章明，張健，周一磊，徐明釗

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

針對火箭垂直退箭系統(tǒng)中多變量耦合設(shè)計和干擾狀態(tài)下提升能力的適應(yīng)性問題，為實現(xiàn)對多參數(shù)的量化分析目標，采用AEMsim多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，通過仿真分析實現(xiàn)了退箭補氣系統(tǒng)在漏氣干擾情況下的數(shù)值模擬，經(jīng)分析，氣體流量上限取值0.52 kg/s，漏氣時氣體流量系數(shù)Cq取值為0.5，提升速度取值為2.0 m/min,最大提升力為14.7 t，為退箭系統(tǒng)提升機和退箭補氣系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計提供了依據(jù)。

AEMsim；退箭配氣；量化分析

火箭的裝填及退箭系統(tǒng)設(shè)計是“箭-筒-平臺”設(shè)計協(xié)調(diào)要素的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在火箭技術(shù)準備過程中，當火箭在發(fā)射平臺上就位后，若發(fā)生故障，通常需要退箭處理。為克服退箭摩擦力，依靠提升機退箭時需在箭體上施加一個超出箭重和摩擦總和的力，這對箭體結(jié)構(gòu)承載和提升機能力提出了很高要求，設(shè)計成本和總體性能都會受到影響[1,2]。為此，通常采用在箭尾密閉空間內(nèi)充一定壓力的氣體提供輔助退箭力，與提升機協(xié)調(diào)作業(yè)，實現(xiàn)退箭。

在以往設(shè)計過程中，通常根據(jù)積累的經(jīng)驗公式，采用最大包絡(luò)設(shè)計法估算提升機和退箭配氣系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，設(shè)計難度大，提升機拉力和退箭配氣系統(tǒng)能力設(shè)計偏保守，沒有實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。由于箭重和摩擦力大，在有限空間內(nèi)對輔助設(shè)備選型困難也大，給提升機和退箭配氣系統(tǒng)設(shè)計帶來不便。以國內(nèi)某型火箭退彈配氣系統(tǒng)為例，配氣系統(tǒng)耗氣量已成為發(fā)射支持系統(tǒng)氣源的最大潛在用戶，提升機規(guī)模、重量較大，在發(fā)射轉(zhuǎn)場、吊裝等過程中增加了額外的操作風險，亟需通過仿真技術(shù)應(yīng)用，建立一套退箭過程關(guān)鍵參數(shù)量化分析規(guī)程和方法，用于規(guī)范退箭系統(tǒng)設(shè)計流程，提升退箭系統(tǒng)設(shè)計要素的量化分析能力。

1　退箭工作原理

火箭裝填摩擦力與箭重和箭筒間適配裝置相關(guān)，根據(jù)裝填摩擦力的仿真結(jié)果和已有經(jīng)驗，一般相當于箭重的1/3至4/5，為盡可能減少受限空間下的提升機設(shè)計載荷，降低箭體結(jié)構(gòu)承載，通常在發(fā)射裝置底部單獨設(shè)置退箭配氣系統(tǒng)，用以與提升機協(xié)同作業(yè)，通過在火箭底部預(yù)充壓輔助退箭。

此外，為了保證火箭在發(fā)射筒內(nèi)長期貯存時的溫濕度環(huán)境，發(fā)射筒內(nèi)在火箭適配器兩端通常增設(shè)空調(diào)跨接管平衡全箭上下的溫濕度環(huán)境，如圖1所示。

圖1　空調(diào)跨接管示意圖

空調(diào)跨接管的使用不可避免的會造成退箭過程中輔助退箭氣體壓力的瞬時泄漏，勻速提升情況下提升機載荷會瞬時增加，此時需要退箭補氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)。在涉及突發(fā)擾動情況下，必須優(yōu)化提升機最大能力和退箭補氣閥門控制參數(shù)調(diào)整等設(shè)計工作。

2　數(shù)學模型

在已知摩擦力邊界和突發(fā)干擾(空調(diào)跨接管漏氣)條件下，火箭退出操作的設(shè)計參數(shù)主要有提升機提升力、向發(fā)射筒底部補氣的流量，該補氣的流量由發(fā)射裝置上的配氣接口尺寸和保障氣源性能決定。

(1)

在火箭靜止狀態(tài)下設(shè)計參數(shù)較容易確定，但隨著火箭提升火箭底部容積動態(tài)變化，底部壓力、溫度、體積相互影響，適配器出筒過程中經(jīng)過空調(diào)跨接管時，火箭底部高壓氣體會產(chǎn)生瞬時的快速泄漏，對提升機產(chǎn)生一個突發(fā)干擾力，在以一定泄漏面積條件下，充氣流量與發(fā)射筒內(nèi)氣體壓力計算公式為：

(2)

(3)

根據(jù)上述數(shù)學模型，分兩個步驟進行量化分析的仿真研究，首先通過預(yù)設(shè)提升力和退箭補氣流量，定性分析火箭退出操作的通過性；在此基礎(chǔ)上再預(yù)設(shè)箭底補氣壓力，定量分析提升機提升力并獲取退箭配氣系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，指導系統(tǒng)設(shè)計。

3　預(yù)設(shè)提升力和退箭補氣流量的退箭通過性分析

退箭配氣系統(tǒng)設(shè)計時，首先需要關(guān)注在預(yù)設(shè)提升力和退箭補氣流量情況下，保證火箭能夠順利地從發(fā)射筒中提升出筒。

借助于AEMsim多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺[3-4]，對Mechanical模型集里面的MAS21子模型進行二次開發(fā)，并將火箭出筒過程中的裝填摩擦力曲線通過AEMset軟件導入到子模型中，采用Hydraulic Component Design模型集相關(guān)模塊對管路系統(tǒng)和發(fā)射筒進行建模，具體工作原理見圖2。

圖2　定性分析退箭操作通過性

舉例說明，假設(shè)火箭總重12.5 t，最大裝填摩擦力為11 t，箭尾適配器寬度約200 mm，退箭長度不大于3 750 mm。空調(diào)跨接管共3道，每道4根，跨距均為325 mm，通徑為DN10，跨接管下側(cè)端口中心距離箭體支撐面位置分別為800 mm、1 600 mm、2 250 mm，箭動前發(fā)射裝置底部初始體積為1.5 m3。校驗以下4種情況下，火箭退出操作的通過性：

工況1：退箭配氣系統(tǒng)最大流量為0.45 kg/s，提升機額定提升力為14 t；

工況2：退箭配氣系統(tǒng)最大流量為0.45 kg/s，提升機額定提升力為16 t；

工況3：退箭配氣系統(tǒng)最大流量為0.3 kg/s，提升機額定提升力為16 t；

工況4：退箭配氣系統(tǒng)最大流量為0.3 kg/s，提升機額定提升力為20 t。

仿真結(jié)果見圖3。

圖3　各工況下的退箭位移曲線

由圖3可以看出工況1和工況3在火箭退出過程中經(jīng)過第一道空調(diào)跨接管時產(chǎn)生氣體泄漏，在固定提升力的情況下，由于提升力不足以克服摩擦力和箭重，火箭停留在第一道空調(diào)跨接管的0.82m處，無法實現(xiàn)退箭。相比工況1和工況3，工況2和工況4分別通過增大提升力和底部氣體流量，均克服了空調(diào)跨接管處氣體泄漏產(chǎn)生的干擾力，均成功退箭。

4　預(yù)設(shè)退箭補氣壓力條件下的提升機和退箭配氣參數(shù)分析

用于火箭退箭的提升機速度為恒速，一般分為若干擋。提升過程中摩擦力發(fā)生變化，箭筒間適配器全部位于發(fā)射筒中，摩擦力最大。隨著退箭過程中適配器出筒，摩擦力呈階梯狀減小。

基于安全性考慮，預(yù)設(shè)箭底輔助退箭氣體壓力以不大于箭重的80%。由于隨著火箭出筒位移增加，箭底流量為變體積恒壓力控制模式，尤其是經(jīng)過突發(fā)干擾空調(diào)跨接管時底部壓力瞬時泄漏。一方面需要控制箭底充入氣體流量使箭底部壓力快速恢復(fù)至預(yù)設(shè)壓力，另一方面需要確保提升機的輸出能力可應(yīng)對底部輔助力擾動，不產(chǎn)生報警。因此，系統(tǒng)模型可以簡化為變體積且存在擾動項的恒壓力控制系統(tǒng)，工程上需要通過模型辨識出箭底充氣流量控制策略和提升能力的最低需求。

通過AEMsim多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，構(gòu)建了恒速提升模擬系統(tǒng)，預(yù)設(shè)箭底補氣壓力，并借助于PID控制模塊，實現(xiàn)了箭底壓力閉環(huán)控制的量化分析問題，其原理參見圖4。

圖4　量化分析退箭系統(tǒng)的原理圖

流量控制的PID傳遞函數(shù)如下：

(4)

式中：u(t)=Pd(t)-PQ(t)，其中Pd(t)為筒底期望壓力，PQ(t) 為筒底反饋壓力；

Kp,Ki,Kd為PID控制的比例、積分和微分系數(shù)。

以第3節(jié)所舉參數(shù)，進行量化分析。在氣體流量值上限為0.52 kg/s，漏氣時氣體流量系數(shù)Cq取0.5，提升速度為2.0 m/min的條件下，提升力和供氣流量需求仿真分析結(jié)果見圖5。

可以看出，提升機的最大提升力發(fā)生在火箭密封環(huán)經(jīng)過第一道空調(diào)跨接管時，底部氣體瞬時泄漏，輔助退箭壓力急劇下降，造成提升機的提升力升高，氣體流量系數(shù)Cq為0.5時，最大提升力14.7 t。箭底最大供氣流量為0.52 kg/s時，提供箭底壓力為25 kPa，箭底供氣流量控制曲線如圖6所示，密封環(huán)經(jīng)過空調(diào)跨接管時，需要將底部供氣流量調(diào)整至最大值。

圖5　供氣流量為0.52 kg/s時的提升力

火箭底部供氣壓力曲線參見圖7，可以看出經(jīng)過空調(diào)跨接管時，由于漏氣嚴重，底部壓力由25 kPa驟降至11.5 kPa，其中最惡劣的情況出現(xiàn)在經(jīng)過第一道跨接管處，要求最大流量持續(xù)時間不小于12 s。

圖6　最大供氣流量為0.52 kg/s，箭底供氣流量控制曲線

圖7　最大供氣流量為0.52 kg/s，箭底供氣壓力曲線

調(diào)整箭底壓力至35 kPa，由于經(jīng)過空調(diào)跨接管時，箭底壓力仍能下降至12 kPa左右，退出過程中對提升力的要求僅稍微下降，具體參見圖8、圖9。

綜上分析，勻速提升時，調(diào)整箭體底部壓力，對提升力要求稍微下降，但不明顯。對于退箭配氣系統(tǒng)來講，還可獲得發(fā)射裝置配氣總量值的量化分析指標，在2.0 m/min提升速度工況下的單發(fā)火箭提升的配氣總量需求為55.2 kg。

圖8　最大供氣流量為0.52 kg/s，箭底供氣壓力最大為35 kPa時提升力

圖9　最大供氣流量為0.52 kg/s，箭底供氣壓力最大為35 kPa時底部動態(tài)壓力

4　結(jié)論

采用AEMsim多學科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，開發(fā)出的火箭退箭配氣系統(tǒng)量化分析模型，系統(tǒng)地解決了某型火箭在裝填與退出的任務(wù)中關(guān)鍵參數(shù)的量化分析問題。分析結(jié)果表明：氣體流量值上限按照0.52 kg/s考慮，漏氣時氣體流量系數(shù)選取0.5，提升速度為2.0 m/min的條件下,最大提升力為14.7 t，仿真結(jié)果對固體運載火箭氣源管路配置和退箭配氣策略起到了量化指導作用，具有較大的工程應(yīng)用價值。

[1]李偉，郭曉偉，溫迎飛.基于PLC的礦井提升機系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2015，23(9)：52-57.

[2]蘇長勝.礦井提升機控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].工礦自動化，2013，39(2)：33-38.

[3]王秋霞，樊丁，彭凱.AEMsim仿真技術(shù)在高速電磁閥中的應(yīng)用[J].航空動力學報，2014，29(3)：702-707.

[4]周小軍.基于AEMsim液壓系統(tǒng)泄漏仿真與故障診斷研究[D].長沙：.國防科技大學，2014：26-48.

[5]楊鵬.一種PID控制仿真的實現(xiàn)[J].計算技術(shù)與自動化，2013，31(1)：25-27.

(責任編輯周江川)

Quantitative Analysis Techniques of Rockets Vertical Arrow System Based on AMESim

WANG Xu-gang, JIE Dang-yang, ZHAI Zhang-ming,ZHANG Jian, ZHOU Yi-lei, XU Ming-zhao

(Beijing Aerospace System Engineering Institute, Beijing 100076, China)

For multi-variable coupling system design and adaptability rocket for vertical lifting capacity in interference state under the back arrow, in order to achieve the goal of multi-parameter quantitative analysis, simulation platform was built by using AEMsim multi-disciplinary field of complex systems modeling, and through simulation analysis, we achieved a return Numerical simulation of qi arrow system in case of leak of interference, and the gas flow rate limit value is 0.52 kg/s, and when thegas leakage flow coefficient valueCqis 0.5, the enhance value of the speed is 2.0 m/min, and the maximum lift force is 14.7 t, which provides a basis to the key parameters design of arrows system hoist and retreat back fill gas system.

AEMsim; back arrow distribution; quantitative analysis

2016-04-18；

2016-05-18

王旭剛(1981—)，男，碩士，高級工程師，主要從事飛行器設(shè)計研究。

10.11809/scbgxb2016.09.005

format:WANG Xu-gang, JIE Dang-yang, ZHAI Zhang-ming, et al.Quantitative Analysis Techniques of Rockets Vertical Arrow System Based on AMESim [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):20-23.

TJ7

A

2096-2304(2016)09-0020-04

本文引用格式：王旭剛，介黨陽，翟章明，等.基于AMESim的火箭垂直退箭系統(tǒng)量化分析技術(shù)[J].兵器裝備工程學報，2016(9):20-23.