基于能量耦合理論的轉管炮發射動力學仿真

吳寶雙,陳永奎,魏立新,陳延偉,樊永鋒

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

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基于能量耦合理論的轉管炮發射動力學仿真

吳寶雙,陳永奎,魏立新,陳延偉,樊永鋒

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

以某轉管炮為研究對象，基于多能量范疇耦合理論，依據內源式FORC差動補償原理，構建內源式FORC裝置；建立了內外能源耦合控制系統的邏輯關系圖，對轉管炮進行了發射動力學仿真。在內能源與耦合能源兩種射擊狀態下，得到全炮的后坐速度及后坐阻力數據。對比并分析仿真結果，得出在耦合能源作用下，轉管炮的射速更趨于穩定。此仿真結果對轉管武器的內外能源耦合研究具有一定的參考價值。

兵器科學與技術；鍵合圖；轉管炮；耦合理論；發射動力學

速射火炮是一個包含機、電、液、氣與控制等多能量范疇的復雜系統，為模擬速射火炮發射動力學特性，為此選用了鍵合圖理論和鍵合空間理論進行動力學仿真。鍵合圖理論是上世紀50年代由麻省理工大學的Paryter教授提出，它的基本思想是：把不同能量范疇的物理量統一歸納為4種狀態變量，即勢、流、位變和動量，同時采用表征基本物理性能和描述系統中功率流向與轉換基本聯接方式的11種元件，按照規定的步驟制定系統的鍵合圖模型和狀態方程。

1 發射動力學建模及狀態方程

發射動力學試驗樣機方案主要包括身管組件、炮箱組件、導氣裝置及傳動組件、星形體及閂體組件、緩沖器等組成。筆者在分析其動作原理的基礎上，應用鍵合空間理論建立了發射動力學全炮鍵合空間模型[1]，如圖1所示。

圖1中的符號含義與鍵合圖理論中關于符號的定義一致，即：I代表慣性元件；C代表容性元件；R代表阻性元件；E代表勢源；TFH代表轉換器和摩阻元件集成的兩通口元件；1表示共流結；0表示共勢結；并且為了更方便地將電機表示出來，這里采用有源阻性元件S來表示啟動電機特性元件，啟動特性函數用S表示。在鍵合空間模型中，下標A代表全炮緩沖運動的鍵合空間；下標B代表基礎構件相對于全炮緩沖的運動的鍵合空間，在發射動力學中，即為導氣室活塞相對于炮箱的運動，指向該結點的E元件中包含了火藥氣體對導氣室活塞的壓力；下標0表示基礎構件即導氣室活塞的運動的鍵合空間；下標U表示從動構件相對于全炮緩沖運動由基礎構件運動確定，即運動剛性傳遞關系元件的鍵合空間；下標V表示從動構件相對于全炮緩沖運動與基礎構件間通過柔性元件(即彈性元件)聯接，即運動彈性傳遞元件的鍵合空間。

通常自動機從動構件和基礎構件間的運動傳遞關系以運動剛性傳遞為主，而運動彈性傳遞多用于運動傳遞過程的貯能、過載保護等場合，在構件剛度不夠，彈性變形較大時，也應按運動彈性傳遞考慮。將自動機從動構件與基礎構件運動傳遞關系分為運動剛性傳遞和運動彈性傳遞，能夠更好地表述自動機動力學模型。

2 內源式FORC差動補償原理

2.1 理想控制模型

內源式FORC裝置理想控制鍵合圖模型如圖2所示。

鍵標號的含義為:0代表轉管炮后坐部分；2代表轉管炮后坐阻力；3代表炮膛合力；5代表差控制閥受的彈簧初力；6代表差控閥簧的柔度；7代表貯能器氣室柔度函數；8代表貯能器初壓；9代表差控閥及復進節流閥流液阻尼。圖中的零功率鍵代表一個差控閥對貯液腔和e4壓差所形成的一個負反饋，它是以R9差控閥位移q6的函數來體現，因此差控閥對壓差有一定的自適應調節的功能。由內源FORC裝置理想控制鍵合圖模型可得到其狀態方程[2]

(1)

得到后坐阻力的表達式為

(2)

貯能器氣體的變化仍然設定為絕熱變化，則

(3)

對于液壓阻尼函數可近似表示為

(4)

式中,ξ、α、β分別為常系數。

則

(5)

2.2 差動補償原理

設后坐時期后坐阻力近似為恒值[3]，其值大小為后坐終了時的值，即

(6)

這樣可以將式(5)轉化為

(7)

令

(8)

通常對于內源式FORC裝置來講，一般δ7=20%以內[2]，這時壓力的變化也近似為一條斜線，因此把貯能器的柔度函數線性化，有

(9)

所以由式(7)可得差控補償方程

(10)

且后坐到位時間為

(11)

3 內源式FORC裝置

內源式FORC結構較簡單，體積和質量較小，不需要外部能源，適應性好，容易實用化。但是若沒有其他的輔助設備，用內源式FORC難以實現全浮動。高速自動炮FORC緩沖裝置采用的是內源式FORC原理，內源式FORC裝置是一套閥控系統。它主要由貯能器、液壓筒、復進節流閥、殼體、主活塞、氣液活塞、差控閥等部分組成。這種緩沖裝置適用于小口徑自動炮，具有很好的通用性，可根據自動炮后坐部分的沖量的大小，選擇緩沖器的個數。內源式FORC結構裝配圖如圖3所示。

4 內外能源耦合轉管炮射控系統分析

內外能源耦合轉管炮系統，由電動機、傳動機構、轉管自動機、供輸彈機構、控制設備和電源組成。

根據內外能源耦合轉管自動機的特點，結合陸基防空反導的要求，確定系統的控制時序[4]，如圖4所示。

5 動力學仿真

5.1 仿真參數設置

進行轉管炮耦合能源發射動力學仿真需要大量參數數據，包括內能源式導氣數據、外能源式電機數據及轉管炮相關機構尺寸數據[5-6]，部分數據如表1所示。

表1 仿真參數數據

5.2 仿真結果數據

5.2.1 內能源射擊

內能源射擊時，以冷氣啟動方式啟射，啟射射速為4 200發/min，仿真結果如圖5～7所示。

由圖5～7可以看出，內能源射擊時，射速為4 698 發/min,最大后坐速度為0.37 m/s；后坐阻力最大值為31 kN，100連發所用總時間為1 277 ms。

5.2.2 耦合能源射擊

耦合能源射擊時，電機拖動啟動，啟射射速為5 300 r/min，電機最大啟動力矩為81 N·m，電機折點轉速為3 600 r/min，電機截止轉速為7 200 r/min，仿真結果如圖8～10所示。

由圖8～10可以看出，耦合能源射擊時，射速為5 363發/min，最大后坐速度為0.42 m/s；后坐阻力最大值為31.35 kN，100連發所用總時間為1 118.75 ms。內能源射擊與耦合能源射擊結果數據對比如表2所示。

表2 內能源與耦合能源射擊對比

6 結論

筆者基于多能量范疇耦合理論，對小口徑轉管炮進行了發射動力學仿真，綜合對比內能源與耦合能源兩種射擊狀態下，星行體的轉速、全炮最大后坐速度及最大后坐阻力的變化規律。得出以下結論：在有電機情況下的耦合能源射擊時，可提高轉管炮的射速，同時后坐最大速度也會增大，但最大后坐阻力值增幅相對較小，此仿真結果對轉管武器的內外能源耦合研究具有一定的參考價值。

References)

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Based on the Theory of Energy Coupling Gatling Gun Launching Dynamics Simulation

WU Baoshuang, CHEN Yongkui, WEI Lixin, CHEN Yanwei, FAN Yongfeng

(The 713th Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou 450015,Henan, China)

With the Gatling gun taken for study, based on the multi-energy category coupling theory, endogenous type apparatus FORC was constructed according to the principle of endogenous type apparatus FORC differential compensation with inner and outer energy control system logical diagram established, and with Gatling gun simulated for emission dynamics. Under the two shooting states of inner energy and coupling energy, the whole gun’s recoil velocity and recoil force data was obtained. Through a comparison and analysis of the simulation results, it is concluded that under the effect of coupling energy, Gatling gun firing rate tends to be more stable. The simulation results have certain reference value for the coupling on the inner and outer energy gatling weapons.

ordnance science and technology; bond graph; Gatling gun; coupling theory; launch dynamics

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.002

2016-03-16

國防基礎科研(A0820132003)

吳寶雙(1987—)，男，碩士，主要從事小口徑艦炮結構設計與仿真分析技術研究。E-mail：wbshuang_713@163.com

TJ306

A

1673-6524(2016)04-0005-05