機載武器彈射投放系統氣-剛-柔耦合分析及試驗研究

高慶 常漢江 孫學麒 蔡毅鵬 周曉和 盧鑫

機載武器彈射投放系統氣-剛-柔耦合分析及試驗研究

高慶 常漢江 孫學麒 蔡毅鵬 周曉和 盧鑫

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

本文建立了某氣動彈射裝置與機載武器彈射分離過程的氣-剛-柔多場耦合系統分析模型，涵蓋了彈射裝置的氣體運動、機載武器的剛體運動以及彈性運動等多種因素，并獲得典型地面聯合彈射投放試驗的驗證，分析確定了機載武器彈性的影響，可支撐機載武器及其彈射投放系統的設計。

彈射投放；氣動-剛性-柔性耦合動力學；動態響應

0 引言

在現代飛機/導彈武器系統研制過程中，機載武器發射是一項重要的研究內容和關鍵環節，發射方式主要包括投放式、導軌式與彈射式等，采用投放式發射的主要是重型空地導彈，其他導彈大多數是采用導軌式或彈射式發射。彈射式發射裝置（ERU）[1]出現于20世紀60年代后期，可使得機載武器按照預定的速度和角速度迅速離機，脫離載機干擾，并避免武器發射噴流引起載機發動機熄火停車，并保證載機的低阻和隱身特性。目前美國、俄羅斯等飛機上已裝備了多種彈射發射裝置和相應的空地、空艦等機載武器。

彈射發射方式為載機提供了良好條件的同時，也產生一定的副作用，例如彈射反作用力不應影響載機和導彈的飛行姿態穩定性、不能超過被彈射導彈所能承受的最大橫向過載、彈射分離速度應保證機彈安全分離、彈射后導彈延遲點火等[2]。例如美國F-22A采用的LAU-142/A彈射發射裝置，發射AIM-120C時，能在0.11s時間及0.23m行程內，得到7.62m/s的離機速度，期間的過載高達40g。因此彈射作用力可能與機載武器產生動態耦合，導致武器本體產生顯著的動態響應，使得彈射過程成為機載武器的載荷和強度設計工況。

Piersol[3]詳細研究了“魚叉”AMG-84A導彈（Harpoon）彈射投放過程中的動態響應，分析了發射裝置、彈架間隙、機載武器結構等因素的影響；美軍標MIL-HDBK-1670[4]和北約標準AECTP-200[5]等，簡要描述了彈射投放過程加速度、沖擊等動態參數。而國內也開展了各種彈射投放裝置/系統的仿真、分析研究工作[6]，但主要側重于離架速度、姿態等分離安全性問題，高慧杰[7]、艾森[8]等研究了彈射力測量技術以及彈射過程機翼的動態響應，張士衛[9]、王許可[10]等研究了彈射裝置結構剛度的影響，落?壽[11]、唐霄漢[12]等將運載火箭整流罩分離過程視作典型彈性運動和剛體運動復合的撓性多體動力學系統，分析和試驗表明整流罩彈性的影響不可忽略。但少見彈射裝置（氣體運動）和機載武器（剛體運動+彈性運動）分離過程的全系統耦合建模方面的研究。

本文建立了某氣動彈射裝置與機載武器彈射分離過程的全系統耦合模型，考慮彈射裝置的氣體運動、機載武器的剛體運動以及彈性運動，研究分析了機載武器彈性的影響，并獲得典型狀態的地面聯合彈射投放試驗的驗證，可為機載武器的彈射投放設計以及載荷設計提供依據。

1 彈射裝置

某彈射裝置采用高壓氣體為能源，主要由高壓氣瓶、管路/閥門、掛鉤解鎖機構和左右彈射作動筒等部件組成。髙壓氣瓶中的氣體，由電磁開關閥控制，一部分推動開鉤活塞，釋放懸掛物吊掛；另一部分進入彈射作動筒，將懸掛物推離載機。控制進入左、右彈射作動筒的氣體流量，可確保懸掛物離機時獲得所需要的速度、加速度和姿態，其原理如圖1所示。

2 彈射模型

該彈射系統中氣瓶、管路、活塞作動筒等主要為氣體運動，機載武器主要為剛性和彈性運動，兩者的耦合環節為活塞作動筒的位移和作用力，因此該系統為氣-剛-柔耦合的復雜系統。

2.1 氮氣氣瓶氣體

2.2 導氣管氣體

管路中的氣體滿足一維非定常流守恒基本假設，即：1）摩擦和散熱滿足雷諾比擬關系；2）氣流參數只與軸向距離和時間有關，而與管道徑向距離無關；3）因管道彎曲、截面突變等而產生的各種局部損失，按分布阻力考慮，將其影響歸結于摩擦系數中。

（2）

2.3 活塞腔內氣體

a）左側彈射筒

氣體的密度變化為

氣體的壓力變化為：

氣體的散熱量為

理想氣體方程為

b）右側彈射筒

氣體的密度變化為

氣體的壓力變化為

氣體的散熱量為

2.4 機載武器運動

2.5 系統模型

根據上述各構成元件的數學模型以及相互之間的耦合關系，可建立系統的數學模型，可見圖2。

圖2 彈射裝置-機載武器彈射系統氣-剛-柔耦合分析模型

3 試驗驗證

某彈射裝置與機載武器的地面聯合彈射試驗，如圖3所示。機載武器安裝在彈射裝置上，模擬實際飛機掛載情況。所有數據采集設備都布置在試驗臺附近，并用電纜與彈上傳感器相連，測量彈射分離過程中各部位的低頻加速度等數據。其中加速度傳感器位于機載武器兩端，有效頻率范圍為0～ 100Hz，用于測量彈射過程中機載武器產生的剛體和彈性加速度。

圖3 某彈射投放試驗示意圖

3.1 時域特征

彈射過程的機載武器兩端實測及質心預示的低頻加速度響應時間歷程如圖4所示，前端加速度響應峰值大于25g，后端峰值大于15g，并快速衰減。

與質心（剛體）預示結果相比，機載武器彈性影響顯著，表現為：

a）在彈射起始時刻，機載武器兩端的加速度方向與彈射方向相反；

b）彈射過程中，兩端響應差異明顯，且振蕩過程顯著；

c）彈射結束，即機載武器離架后，彈性響應衰減消失，兩端響應與質心預示結果趨于吻合；

d）為保證機載武器離架時的低頭姿態，理論上剛體加速度分布規律應為前端>質心>后端，但由于機載武器彈性響應的疊加效應，前后端實測加速度峰值均大于質心處。在彈射筒的快速作用下，機載武器同時存在剛體運動和彈性運動，并且彈性響應貢獻較大，對載荷的影響不可忽略。實測數據和模型分析結果對比表明，彈射裝置—機載武器彈射系統氣-剛-柔耦合分析模型能夠較好的表征實際機載武器的彈射響應，初步驗證了分析模型的正確性。

3.2 頻域特征

利用快速傅立葉(FFT)分析方法，可以獲得彈射過程低頻加速度的頻譜特征，以及能量在頻域內的分布特性，分析結果見圖5。頻譜分析時，對圖4中的實測結果進行了高通濾波，濾波截止頻率為5Hz。可見，彈射過程的主要能量集中低頻段，且彈射時機載武器對彈射作用力的響應非常明顯（55Hz附近）。

圖4 機載武器兩端的典型加速度時間歷程

圖5 機載武器兩端加速度的頻譜分析結果

4 機載武器彈性影響分析

4.1 對機載武器響應的影響

利用上述彈射裝置-機載武器彈射系統氣-剛-柔耦合分析模型，可得到機載武器彈性運動和剛性運動對加速度和姿態角速度等響應的影響，如圖6和圖7所示。

可見機載武器彈性將使得加速度和角加速度響應均具有顯著的動態特性，分析表明其頻率成分以機載武器橫向模態頻率為主，兩者的最大值顯著大于剛體運動的響應。機載武器一階頻率為60Hz時，前端加速度最大值增大約15%，后端最大值增大約20%；機載武器一階頻率為30Hz時，前端加速度最大值增大約50%，后端最大值增大約70%。因此機載武器彈性運動對機載武器動態響應的影響不可忽略，且彈性越大，影響越顯著。

圖6 彈性運動對加速度響應的影響

圖7 彈性運動對俯仰角速度響應的影響

4.2 對彈射裝置的影響

同樣也可得到機載武器彈性運動和剛性運動對彈射裝置氣路壓力和彈射力等的影響，如圖8和圖9所示。可見機載武器一階頻率為60Hz時，氣瓶壓力受到的影響較小，變化不超過2%；前彈射筒壓力和彈射力受到的影響稍大，最大值增大約2%；后彈射筒壓力和彈射力受到的影響較大，最大值增大約5%。

圖8 彈性運動對氣路壓力的影響

圖9 彈性運動對彈射力的影響

機載武器一階頻率為30Hz時，氣瓶壓力、前彈射筒壓力和彈射力受到的影響稍大，最大值增大約5%；后彈射筒壓力和彈射力受到的影響較大，最大值增大約18%。因此，機載武器彈性越大對彈射裝置的影響越大，若機載武器剛度較弱，則彈射裝置設計時不可忽略機載武器彈性的影響。

5 結論

本文針對機載武器彈射投放過程，分別建立了彈射裝置氣路模型、機載武器剛體和彈性運動模型、彈射作動筒與機載武器的力和位移匹配關系，得到了彈射裝置-機載武器彈射系統的氣-剛-柔耦合模型。利用地面彈射試驗進行了校驗，修正了模型參數，驗證了耦合系統仿真模型的精度，可用于機載武器彈射過程的運動姿態、彈性響應、載荷條件等的分析和設計。得到以下結論：彈射投放的主要動態特征是彈射力的快速變化，與機載武器動態響應的耦合和疊加；機載武器彈性對機載武器自身的過載、載荷等影響明顯，對彈射裝置影響稍小，但彈性越大影響越大。

[1] 盧永祥. 機載導彈發射裝置研究現狀及發展趨勢[J]. 中國軍轉民, 2013(11): 62-64. [Lu Yongxiang. Research status and development trend of airborne missile launcher[J]. Defence Industry Conversion in China, 2013(11): 62-64.]

[2] 辜席傳, 李石山. 機載導彈彈射發射技術初探[J]. 航空兵器, 1989(1): 24-27.[Gu Xichuan, Li Shishan. Discussion on eject launch technology for airborne missile[J]. Aero Weaponry, 1989(1): 24-27.]

[3] Piersol A G, Evaluation of the harpoon missile shock environment during ejection launch by aircraft launchers[R]. NWC-TP-5881, China Lake, CA, 1977.

[4] MIL-HDBK-1670. Environmental criteria and guidelines for air-launched weapons[S]. 2007.

[5] AECTP 200, Environmental Conditions[S]. 2006.

[6] 甄建斌. 機載懸掛武器彈射裝置動力學仿真與優化[D]. 南京理工大學, 2014.

[7] 高慧杰, 張建, 周志衛, 等. 懸掛發射裝置彈射力的光學測量方法[J]. 重慶理工大學學報(自然科學), 2013, 27(2): 111-115.[Gao Huijie, Zhang Jian, Zhou Zhiwei, el al. Research on the optical measurement method of the airborne ejection force foe suspension type launch equipment[J]. Journal of Chongqing University of technology (Natural Science), 2013, 27(2): 111-115.]

[8] 艾森, 劉龍, 張俊瑤, 等. 導彈發射過程對機翼結構力學響應的影響研究[J]. 工程與試驗, 2017, 57(1): 32-35.[Ai Sen, Liu Long, Zhang Junyao, el al. Study on influence of missile launching on structural mechanics response of a wing[J]. Engineering & Test, 2017, 57(1): 32-35.]

[9] 張士衛. 彈射裝置剛柔耦合動力學分析[J]. 科學技術與工程, 2010, 10(22): 5456-5461. [Zhang Shiwei, Dynamical analysis of eject launcher relating to the coupling of rigidity and flexibility [J]. Science Technology and Engineering, 2010, 10(22): 5456-5461.]

[10] 王許可. 機載武器發射系統剛柔耦合動力學仿真[J]. 四川兵工學報, 2014, 35(7): 9-20. [Wang Xuke, Dynamical simulation of airborne eject launcher relating to the coupling of rigidity and flexibility [J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2014, 35(7): 9-20.

[11] 落?壽. 整流罩地面分離試驗流固藕合分析與數值模擬[D]. 哈爾濱工業大學, 2008. [Luo Yanshou. Fluid-structure interaction analysis of the separating of fairings on ground and numerical simulation[D]. Harbin Institute of Technology, 2008.]

[12] 唐霄漢. 新一代運載火箭整流罩關鍵分離特性研究[D]. 大連理工大學, 2018.

Simulation and Test Research on Gas-Rigid-Flexible Coupling of the Ejection Launch System

GAO Qing CHANG Han-jiang SUN Xue-qi CAI Yi-peng ZHOU Xiao-he LU Xin

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

An analysis model of the gas-rigid-flexible coupling system between the ejection launcher (ERU) and airborne weapons is established, considering the gas motion of the ejection launcher, the rigid and flexible motion of the weapon, and verified by the typical ground joint ejection test. The influence of the weapon’s elasticity is studied and analyzed. The model is helpful in the design of the ejection launcher (ERU) and air-launched weapon.

Ejection launches system; Gas-rigid-flexible coupled dynamics; Dynamic response

V421.7

A

1006-3919(2021)04-0001-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.001

2021-04-11；

2021-06-05

國家自然科學基金資助項目(11902363)

高慶(1982—)，男，高級工程師，研究方向：結構動力學及力學環境等；（100076）北京9200信箱1分箱-1.