膛線式飛網發射器研究

卓 新，龐兆君，司驥躍，張登峰，徐同昆

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2.黑龍江北方工具有限公司, 黑龍江 牡丹江 157000)

近年來，隨著人類頻繁的太空活動，積累的太空碎片也越來越多，這些太空碎片圍繞著地球高速運動，與正常運行的航天器發生碰撞的概率越來越大，對航天器以及航天員產生的威脅越來越大，同時，一些太空碎片運行在稀少的空間軌道(如地球靜止軌道)，對太空資源造成浪費，因此清除太空碎片變得越來越重要[1]。

當前，國內外相關研究機構正在研究的空間碎片清除技術主要有空間飛網捕獲技術、電動力繩索移除技術、電動碎片清除技術、激光清除技術和離子束移除技術[2]，其中空間飛網捕獲技術是近年來的研究熱點。空間飛網捕獲系統由飛網發射器、大尺寸柔性網、收口裝置、繩系控制系統等組成[3]，飛網發射器將收口裝置按一定速度和一定角度發射出去，牽引柔性網在指定距離展開，收口裝置在一定時間延遲后啟動，將飛網網口收緊并鎖死，達到對空間碎片的捕獲，再由本體衛星牽拉，通過繩系控制系統控制牽拉力，將空間碎片平穩拖入墳墓軌道，達到清除目的。空間飛網捕獲的第一步是要確保柔性網的順利張開，這就需要飛網發射器精確穩定的將收口裝置發射出去，因此，飛網發射器的性能將直接影響飛網捕獲的效果。

國外對空間飛網捕獲系統進行了深入研究，對其中的飛網展開、碰撞以及繩系控制等方面進行了大量的仿真和試驗驗證[4-6]，但對飛網發射器的優化設計及性能研究的相關成果的報道卻很少。國內對空間飛網捕獲系統的研究成果也很多[7-8]，其中在研究和應用的飛網發射器有彈射發射器和旋轉發射器，彈射發射器是通過將多個發射筒相對于網筒向外斜置一定角度，利用彈簧儲能發射[9]，這種發射器設計簡單，但存在收口裝置的發射同步性問題，且空間尺寸大，而旋轉發射器則是先同時將收口裝置及飛網一體彈射出去，再在適當距離啟動旋轉機構，依靠離心力將飛網展開[10]，相比于彈射發射器，這種發射器不存在發射同步性問題，但飛網展開方向不好控制，且采用兩級發射，可靠性差。以上兩種飛網發射器都存在致命的缺陷，將直接影響飛網發射的可靠性。

本文通過借鑒武器中的膛線發射技術，研制了一種膛線式飛網發射器。第一節介紹了膛線式飛網發射器的結構及工作原理并詳細介紹各分組件的結構，第二節對發射器進行了運動學分析，得出各速度關系，第三節在運動學分析的基礎上，對發射器內彈道方程進行修正，并用Matlab進行內彈道仿真分析，第四節是初步的性能驗證試驗。

1 發射器的結構設計

拋射發射器的同步性差、質量大，同時占用空間大，而旋轉發射器的控制困難，發射可靠性差，為此本文提出一種膛線式飛網發射器，如圖1所示，發射器主要包括托座、活塞作動裝置、收口裝置、分離裝置4個組件。活塞作動裝置位于發射器中部，主要有活塞及活塞筒構成，活塞頂部與托座連接，4個收口裝置固定在托座中，隨托座一起運動，底部與分離裝置連接。整個膛線式飛網發射器外形包絡為Φ214 mm×180.5 mm的圓柱，總質量7.08 kg，相對于現有的飛網發射器體積和質量都極大地減小。

膛線式飛網發射器通過膛線作用下的旋轉運動產生的離心力達到分散發射，活塞作動裝置中的活塞在火藥氣體的推動下，向外推動托座，托座帶動其上的收口裝置一起運動，收口裝置運動的時候與底部分離器分離。活塞作動裝置中的活塞筒外壁上加工有一對膛線，托座中的導向銷嵌套在膛線內，因此托座向外運動時，會產生旋轉角速度，當活塞運動到頂部時，托座中的四個收口裝置由于沒有任何限制，將向外散開，牽引飛網展開。在發射過程中，四個收口裝置一體發射出來，因此同步性好。以下具體介紹膛線式飛網發射器的各組件結構。

1.1 活塞作動裝置

活塞作動裝置采用的成熟的作動筒發射器結構，如圖2所示，活塞上端與托座連接，托座可相對活塞軸線旋轉，活塞筒的外壁兩條對稱的膛線與導向銷配合，膛線式飛網發射器依靠活塞推動傳遞的能量作為發射動能，單一的作動方式使得發射器可靠性高，活塞作動裝置底部安裝兩個制式點火具，點火具的點火成功率達到1-10-6，其發射成功概率

E=1-(1-p)2=1-10-12

(1)

式中：E為發射器的發射成功概率，p為單個點火具點火成功率[11]，可以看出活塞作動裝置點火發射成功的安全性指標為10-12，使得膛線式飛網發射器的可靠性極大提升。

1.固定螺母；2.連接盤；3.限位卡圈；4.活塞；5.活塞擋圈；6.活塞筒；7.藥室底座；8.點火具

1.2 托座及分離裝置

托座在膛線式飛網發射器中起到一個傳遞動能及固定支撐作用，因此設計中，盡量減小其質量，同時又要保證一定的強度，采用鋁材整體機工，對不承力部分進行掏空處理，如圖3所示，周向為收口裝置固定槽，同時側壁往里開有用于固定有兩個導向銷的導向銷固定孔，底面開有兩個導桿固定孔，用于分離裝置中的導桿連接。

圖3 托座結構

根據分離裝置的功能要求，在發射器發射前，需要分離裝置能將收口裝置緊緊固定在托座上，而在發射器發射過程中，分離裝置的分離過程對收口裝置的發射影響盡量小，整個發射過程在分離裝置消耗的能量盡量小，針對托座的運動情況，設計如圖4所示分離裝置。

分離裝置安裝在收口裝置的底部，由銷子、分離套、分離內套、旋轉盤、分離桿和導桿組成，分離套固定在收口裝置的底面，兩側開有槽口，槽口底面成45°斜角，分離內套通過托座底面伸入分離套內，分離內套兩側開有插銷口，銷子插在插銷口內，一端與分離套槽口底面貼合，分離內套的中間套著分離桿，分離桿固定在旋轉盤上，旋轉盤固定在活塞筒底部，能繞著活塞筒旋轉，但不能上下移動，旋轉盤上裝有兩根導桿，導桿插入托座的導桿固定孔內，發射器為發射時，托座固定不動，托座與旋轉盤之間沒有相對運動，此時由于銷子卡在分離套上，使收口裝置緊緊與托座連接在一起，當發射器發射時，托座旋轉向上運動，旋轉盤由于導桿的帶動與托座一起旋轉但不向上運動，使得托座與旋轉盤只有豎直方向的分離，旋轉盤上的分離桿相對分離內套向下運動，當運動到底時，銷子沒有約束在擠壓力作用下向分離內套中移動使分離內套與分離套分開，收口裝置與托座之間解鎖，整個分離過程主要受到銷子與分離套的摩擦力，因此能量消耗極小，對發射器的發射過程影響極小，且不需要任何電控過程。

圖4 分離裝置

2 發射器的運動分析

膛線式飛網發射器整個發射過程就是托座帶動收口裝置一起做螺旋運動，在運動初期，收口裝置解開分離裝置的限制，損失的動能很小，基本可以忽略，隨后托座與收口裝置一起運動，在發射器口收口裝置由于離心力作用與托座分離。

活塞在膛線筒內做變速運動，托座與活塞有相同的直線運動，同時托座還有繞膛線筒軸線的旋轉角速度，其直線運動和角速度運動有固定的運動關系：

(2)

式中：ω為托座旋轉角速度；v為活塞與托座的直線運動速度；η為膛線的纏度；r為膛線筒外徑。

當活塞運動到極限位置時停止運動，托座也停止運動，而由于動量守恒，托座上的收口裝置繼續運動并分散開，其由于旋轉運動產生的沿旋轉軌跡切線方向的運動速度與沿著膛線筒軸線的速度關系：

(3)

式中：vτ為收口裝置沿旋轉軌跡的切向速度；r1為收口裝置質心離膛線筒軸線的距離。

由式(3)可知收口裝置的發射角度β，也即收口裝置的合速度與膛線筒軸線的夾角

(4)

從式(4)中可以知道，收口裝置的發射角β與η，r成反比，而與r1成正相關，η和r越小，β就越大，r1越大，β也越大，通過合理改變η，r，r1的大小來調整收口裝置的發射角β。

3 發射器的內彈道方程修正

傳統的武器發射器的內彈道方程中，由于彈丸旋轉運動的能量以及摩擦消耗的能量很小，通過次要功系數φ來進行修正。膛線式飛網發射器中，托座和收口裝置有大角速度的旋轉運動和直線運動，活塞只有直線運動，而且托座和收口裝置的旋轉運動的能量占整個運動的能量的比例大，因此，通過采用等效質量法來修正膛線式飛網發射器的內彈道方程，將膛線式飛網發射器等效為一個發射只有直線運動彈丸的發射器。

首先計算托座、收口裝置和活塞直線運動的動能

(5)

式中：m1為托座與收口裝置的總質量；m2為活塞的質量。

其次計算托座和收口裝置旋轉運動的動能

(6)

式中：J為托座和收口裝置相對于活塞筒軸線的轉動慣量，將式(2)中的ω代入式(6)中得

(7)

最后計算由于導向銷與膛線槽壁摩擦產生的能量，導向銷的受力如圖5所示，導向銷受到高壓氣體傳導過來的推力S×p，其中S為活塞底面積，p為膛壓，推力沿著膛線筒軸向向上，在高壓氣體推力作用下導向柱擠壓在膛線槽壁上，受到膛線槽壁對其的反向壓力FN，方向垂直膛線，導向銷沿著膛線運動時，受到摩擦力f,且有如下關系

f=μFN

(8)

式中μ為摩擦因數。

圖5中α為膛線角，由膛線纏度的定義可知

(9)

圖5 導向柱受力示意圖

導向柱沿活塞筒軸線方向的加速度與其總加速度關系為

(10)

(11)

由此建立導向柱的受力關系

(12)

分析導向銷在移動過程中摩擦力做功與托座直線加速過程的關系，當導向銷沿軸線上升Δh時，其在膛線上滑動了Δl，兩者的關系

(13)

則摩擦力所做的功

(14)

又因為托座和收口裝置直線運動后的動能就是直線加速運動的積分，因此

(15)

由式(10)、式(11)、式(14)、式(15)可得

(16)

因此火藥氣體所作的主要功為

(17)

由此得到等效彈丸的質量為

(18)

再與經典內彈道方程組結合對膛線式飛網發射器進行修正得

(19)

根據修正后的內彈道方程，運用Matlab進行編程仿真，可得出各參數與收口裝置出口速度之間的關系，從而進行結構優化以及發射藥量的選擇。

本研究的膛線式飛網發射器采用地面試驗算例進行內彈道計算，m1=1kg，m2=0.08 kg，r=65 mm，μ=0.15，η=4，J=4 833 kg·mm2，通過內彈道仿真得到發射藥量與收口裝置出口直線速度關系表1所示。

表1 仿真速度藥量關系

飛網抓捕中，收口裝置的出口速度在20 m/s左右是比較合適的，因此根據仿真分析得出的膛線式飛網發射器的發射藥量為4 g。

同時由仿真結果得出的速度曲線及膛壓曲線如圖6所示。

圖6 發射藥量的速度曲線(a)與膛壓曲線(b)

4 試驗研究

為驗證膛線式飛網發射器的可行性，加工了一套簡化版膛線式飛網發射器進行試驗，簡化版膛線式飛網發射器參數與上一節的算例參數一致，其活塞未受限制，會隨著收口裝置一起飛出，首先對發射器的發射速度進行測速試驗，試驗現場布置如圖7所示，發射器水平固定在支架上，前端設置著光幕測速儀，發射器內的托座及收口裝置用等質量的配重塊代替。共測速了3次，得出的速度及藥量關系如表2所示。

表2 測速試驗數據

圖7 測速試驗現場布置

由表2可知，試驗結果與仿真結果相吻合。

再進行了發射展開試驗，試驗所用膛線式飛網發射器如圖8，試驗過程將發射器固定在空地向上發射，遠處安全區域設置高速攝像機對收口裝置的出口飛行狀態進行記錄(高速攝像機如圖9)。拍攝的照片如圖10。

圖8 膛線式飛網發射器

圖9 高速攝像機

圖10 發射展開試驗

由試驗照片可以看出，四個收口裝置(牽引體替代)同時飛出，且在飛網展開過程中一直保持相同速度，將飛網從網筒中牽引展開，試驗最后飛網完全展開落地。驗證了膛線式飛網發射器的可行性，且發射器的同步性好。

5 結論

通過對膛線式飛網發射器的結構設計及運動分析，并進行內彈道修正，仿真分析得出發射器的出口速度與發射藥量的關系，驗證了內彈道方程的正確性和膛線式飛網發射器的可行性和同步性，為飛網發射提供了一種新型發射方式，具有潛在的工程應用價值。