基于3D打印的輕型導彈適配器

王飛

摘 要： 針對導彈適配器研制生產周期長，傳統材料生產的適配器重量重，發射后容易與導彈發射干涉，進而影響導彈正常飛行等問題，提出采用3D打印快速成型制造輕型導彈適配器方法，應用于導彈適配器的研制生產。遵循適配器設計指導原則，進行導彈適配器結構設計，并進行輕量化評估。搭建彈-適配器-發射筒結構拓撲模型，并對發射筒進行柔性處理，建立適配器發射動力學模型。模型校核后進行相應工況的數值仿真分析，結果表明，適配器出筒流暢，與導彈可靠分離。

關鍵詞： 3D打印；適配器；發射動力學

1引言

采用適配器支撐導彈發射技術是重要的導彈發射技術。導彈發射前，為支撐導彈發射筒筒體同軸，在導彈與發射筒之間設置適配器。適配器與導彈出筒后，會受到筒內流場的尾流、筒外大氣的空氣動力效應、導彈點火燃氣射流效應等影響形成復雜的、不確定的運動軌跡，將嚴重影響導彈飛行[1]，為防止發射過程中適配器與導彈發生干涉，適配器應進行輕量化設計。

3D打印技術具有成型速度快、材料利用率高以及生產周期短等優點，越來越廣泛地應用于航空航天制造產業，縮短科研階段導彈適配器研制周期，最大限度體現數字化研制生產先進性，本文基于3D打印技術進行適配器輕量化設計，并對輕型適配器進行數值計算仿真分析，以驗證其分離特性是否是否滿足要求。

2適配器設計

輕型導彈適配器設計應遵循以下設計原則：

a）支撐導彈艙體圓柱段，使導彈與發射筒筒體同軸；

b）保證發射全程導彈適配器在發射筒內無卡滯；

c）發射出筒后導彈適配器應與導彈可靠分離。

2.1結構設計

依據設計原則進行導彈適配器結構設計，結構設計過程如下：

為滿足發射后與導彈可靠分離，適配器在滿足結構強度的前提下進行輕量化設計。適配器采用中間鏤空設計，兩端對稱受力的結構型式，主要結構厚度為1.5mm；適配器內弧面支撐彈體，半徑為100mm；適配器外弧面支撐筒體，為使適配器出筒順暢，半徑比筒體略微減小，半徑為200mm；為增大迎風面積，便于發射后與導彈分離，將適配器前端作倒角處理，切削角度為45°。適配器結構設計如圖1。

2.2材料選擇

為保證適配器順利出筒并可靠分離，適配器與發射筒和導彈接觸部位應盡量光潔，從光滑度、密度以及3D打印材料配置等方面出發，選擇尼龍作為適配器的制造材料。考慮到尼龍材質制造的適配器的剛性遠小于導彈與發射筒的材料特性，若發生意外卡滯時，適配器會優先變形，讓開卡滯區域；

經過輕量化設計，適配器整體質量為81g，遠小于采用鋁合金制造的適配器重量（約為1kg）。

3發射動力學分析

導彈采用傾斜無軌筒式熱發射。導彈發射時，導彈發射筒通過導彈彈上凸起與適配器配合，適配器內弧面和外弧面分別與導彈和發射筒配合。適配器采用上下對稱布置的搭配方式支撐導彈彈體以避免導彈與發射筒筒體的干涉。為驗證適配器分離特性，對導彈發射過程進行動力學分析。

3.1模型建立與分析

導彈發射全程僅通過適配器與發射筒配合，如圖2建立筒彈配合各元素拓撲關系。

為提高數值仿真可靠度，考慮導彈發射筒發射過程中的柔性變形，對其進行模態分析，各階模態如圖3。

3.2仿真參數設置

筒彈各部件質心局部坐標定義為：x向逆射向為正，y向垂直彈體外表面切面指向彈體為正，z向按右手定則確定。筒彈各部件慣性參數如表1。

本文基于成熟商業軟件ADAMS進行導彈發射動力學分析，適配器與導彈及發射筒均考慮接觸特性，相關參數設置見表2。

根據模擬的導彈發動機推力數據作為仿真載荷輸入，如圖4所示。

3.3仿真結果分析

數值仿真工況為導彈高低射角35°，進行動力學分析，適配器離筒狀態如圖5所示。

可以看出，適配器沿筒體運動狀態良好，適配器受力狀態正常，適配器出筒速度為17.48m/s。

導彈適配器離筒后沿導彈舵面滑離導彈，下適配器離筒后質心距彈體軸線最大位移量為250mm，上適配器最大位移量為167mm，見圖6。

導彈在發動機點火后142ms離筒，同時導彈穩定尾翼開始展開，適配器離筒后沿舵面滑離導彈，并于169ms運動至尾翼處。根據導彈尾翼展開特性可知，適配器運動至導彈尾翼處時導彈尾翼已經完全展開。導彈尾翼展開即可認為導彈成功出筒，并且與適配器分離成功。

4結論

本文基于3D打印技術對導彈適配器進行數字化輕量化設計，并進一步對輕型適配器發射過程中的分離特性進行動力學分析，數值仿真分析結果表明，適配器出筒過程順利，出筒后與導彈迅速分離。

根據3D打印技術的特點，3D打印適配器僅需一周即可完成一輪產品的研制，可有效提高研制效率，縮短研制周期，降低研制風險。3D打印適配器設計方案滿足適配器設計原則，輕量化適配器設計方案可行。本文動力學建模過程中未考慮加工精度、導彈燃氣流、流場、發射陣地風力等因素的影響，對適配器分離特性分析具有一定的局限性。■

參考文獻

[1]施俊凱.垂直發射適配器分離過程虛擬試驗研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

[2]李小麗，馬劍雄，李萍，等.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014，35（1）：1-5.

[3]姚昌仁，唐國梁，榮廷倫.火箭導彈發射動力學[M].北京理工大學出版社，1996.

[4]王華吉，林禹，申鵬，等.導彈適配器分離時間計算方法及影響因素研究[J].導彈與航天運載技術，2015（6）：71-74.

[5]陳大雄，瞿軍.基于ADAMS對某導彈適配器的動力學仿真[J].艦船電子工程，2015（3）：73-76.

[6]馬天信.適配器用硬質聚氨酯泡沫材料的研究[J].航天制造技術，2011（4）：25-29.

[7]趙華，王敏杰，楊為，等.箱式發射導彈適配器[J].戰術導彈技術，2007（4）：42-50.endprint