基于EHA的機載導彈彈簧蓄能彈射可行性分析

李海軍，王殿宇，陳玉良

(海軍航空工程學院 兵器科學與技術系，山東 煙臺　264001)

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基于EHA的機載導彈彈簧蓄能彈射可行性分析

李海軍，王殿宇，陳玉良

(海軍航空工程學院 兵器科學與技術系，山東 煙臺264001)

摘要：針對目前廣泛應用的“熱”彈射和“冷”彈射兩種彈射動力源的不足，提出了一種利用EHA壓縮彈簧蓄能作為彈射動力源的新型冷彈裝置，此方案既不會對零部件造成燒蝕污染，也可以保證壓縮蓄能的快速性，同時可自主提供彈射能源，縮短飛機準備時間。運用動力學以及材料力學理論對彈簧蓄能的可行性進行了分析，結果表明，利用彈簧蓄能壓縮彈射是合理可行的。

關鍵詞：機載導彈；EHA；彈簧蓄能；彈射；可行性分析

目前我國的彈射式發射裝置中，“熱”彈射大多采用拋放彈燃燒產生的高壓氣體作為動力源，“冷”彈射通常采用高壓氮氣作為動力源，這兩種彈射方式均存在不同的優缺點：

1) “熱”彈射：采用電火花引爆火藥，瞬間將火藥燃氣轉化為推動導彈運動的動能，具有能量大、體積小、設備結構簡單等優點[1]。雖然目前此種彈射裝置被廣泛應用，但是其缺點也很明顯，主要表現在：① 污染環境，產生氣體高溫高壓易燒蝕機件；② 每次發射后需對掛鉤等部件清洗擦拭；③ 日常維護危險性高。

2) “冷”彈射：利用儲存在氣瓶中的高壓惰性氣體或空氣作為彈射能源，其優點是對發射裝置無污染、腐蝕，可以連續使用，也可以重新充氣[1]。其動力源一般采用高壓氮氣。其缺點為：① 高壓氣瓶體積大、質量大(如DF-4高壓氣瓶+搖臂大約150 kg)；② 充放氣時間長，導彈掛架機務準備時間太長。

電靜液作動器(Electro-Hydrostatic Actuator， EHA)是一種將機械、電子、液壓3種技術集成一體的功率電傳裝置。它克服了傳統液壓系統泄漏高、噪音大、效率較低等缺點，利用電纜代替液壓傳遞功率，不再需要沉重的液壓能源系統以及復雜的液壓管路。將EHA應用于機載領域，不但可以有效地減輕載機的負重、節約成本，還能提高功率傳遞的效率，使載機具有更強的生存能力和作戰性能，并且有助于減輕地面人員的維護和保養負擔。故本研究采用EHA作為彈簧的壓縮蓄能以及彈射桿回收的動力源。

1總體設計方案

針對目前廣泛應用的兩種彈射動力源的不足，提出一種利用EHA壓縮彈簧蓄能作為彈射動力源的新型冷彈裝置，此方案既不會對零部件造成燒蝕污染，也可以保證壓縮蓄能的快速性，同時可自主提供彈射能源，縮短飛機準備時間，克服了當前兩種廣泛采用的彈射能源的主要缺點。

總體方案設計示意圖如圖1。

圖1　總體設計方案示意圖

彈射裝置的工作流程如下：

1) 飛行員根據作戰態勢，投放前發出蓄能指令；

2) EHA作動器工作，壓縮彈簧蓄能，當彈簧壓縮至預定位置時，相應微動開關閉合，蓄能停止，液壓缸保持壓力；

3) 發出彈射投放指令；

4) 電磁開鎖機構產生開鎖力，使掛鉤組件開鎖的同時，通過同步解鎖機構打開彈射機構閉鎖裝置；

5) 彈射止動器的彈射桿在彈簧力作用下推動導彈向下推出，導彈被投放；

6) 彈射行程終了時，EHA作動器換向工作，將彈射桿回收復位。

2彈簧蓄能可行性分析

根據我國軍標GJB1400—92號《機載導彈彈射式發射裝置通用設計準則》中的彈射分離技術要求：為保證導彈與載機安全分離，彈射行程的終點速度，即懸掛物與彈射裝置分離的速度應控制在在4.8～9 m/s之間。

利用彈簧蓄能彈射能否達到我國軍標所要求的分離速度，選取合適的彈簧是關鍵，因此必須選定彈簧尺寸參數。由動能定理可得

(1)

其中：m為懸掛物質量；v為彈射行程終點懸掛物速度；k為彈簧剛度系數；x為彈簧壓縮量；W為其余作用力所做功，包括彈簧阻尼損耗及氣動力所做功。

在不考慮W的情況下，得到v與k的關系式

(2)

參考GDJ-Ⅲ7型彈射發射裝置的結構尺寸，將彈射桿長度L暫定為300 mm，壓縮量x暫定為150 mm，重力加速度g為9.8 m/s。將m,x代入式(2)，并編寫Matlab程序，得到如圖2所示分離速度v與彈簧剛度系數k的函數關系曲線，其中v的單位是m/s，k的單位是N/m。根據分離速度要求范圍，截取曲線部分點可得表1所示數據。

圖2　懸掛物分離速度-彈簧剛度系數曲線

序號k/(N·m-1)v/(m·s-1)序號k/(N·m-1)v/(m·s-1)1440004.798681140007.36482540005.219291240007.66423640005.6338101340007.95244740006.0200111440008.23045840006.3828121540008.49946940006.7261131640008.760171040007.0527141740009.0133

從表1可以觀察到，當彈簧剛度系數k取值在44 000～174 000 N/m時，彈射分離速度可以達到4.8 m/s到9 m/s。

又知彈簧剛度系數公式

(3)

其中：G為彈簧材料切變模量；n為彈簧有效圈數；D為彈簧直徑；d為彈簧線徑。

這里選取目前被廣泛應用的60Si2Mn彈簧鋼作為彈簧材料，經450℃回火處理后其切變模量可達到83 160 MPa，高強度、耐熱腐蝕。查閱彈簧手冊可知長度為300 mm，線粗為8 mm的彈簧通?？側祅0為16圈，有效圈數n可取14。參考GDJ-Ⅲ7型彈射發射裝置彈射桿直徑，暫定彈簧直徑D為60 mm。代入已知量，同樣，編寫Matlab程序，計算得到彈簧剛度系數k與彈簧線徑的函數關系曲線如圖3。

圖3　彈簧剛度系數-彈簧線徑曲線

根據計算分析，選取彈簧線徑d=8 mm，代入式(3)可得k≈140.8 N/mm，k在取值范圍之內。由分離速度與彈簧剛度系數曲線可得v≈7.96 m/s，所需預加壓縮力為F=kx=21 120 N。此時彈簧可壓縮量Δx=l-n0×d=172 mm，故工作時可以達到預定的150 mm壓縮量。

選取了彈簧尺寸之后，必須對彈簧的強度進行驗證，分析在受到預加壓縮力的情況下，彈簧的強度是否能滿足要求。

如圖4所示當彈簧受到來自豎直方向上的壓縮力時，彈簧線徑方向上的任意剖面都受到：

扭矩T=FRcosα；

彎矩M=FRsinα；

切向力FQ=Fcosα；

法向力NF=Fsinα。

圖4　彈簧受力分析

在α取值較小(壓縮彈簧在6～9°)的情況下，可忽略彎矩M和法向力N。所以，扭矩T和切向力Q為剖面上實際起作用的力。α的值較小時，cosα≈1?？扇=FR，Q=F。簡化之后所得結果與實際相比差距很小。故此時彈簧所受剪切應力為

(4)

其中WT為彈簧扭轉截面系數。代入已知數據可得τ≈588.52 MPa。

查閱機械設計手冊可知，若采用經過450℃回火處理后的60Si2Mn作為材料，當壓縮彈簧所受變載荷作用次數在1 000～100 000時，許用切應力[τ]可以達到720 MPa，故τ<[τ]，因此彈簧在受到所設預加載荷時，可以滿足強度要求。

故壓縮彈簧蓄能彈射是合理可行的。初始彈簧尺寸參數如表2所示。

表2　彈簧初始設計參數

3結論

本研究在分析現有機載導彈彈射裝置動力源不足的基礎上，提出一種利用EHA作為動力源，壓縮彈簧進行蓄能的新型彈射裝置。首先提出了彈射裝置的總體設計方案，然后根據設計需求，運用動力學理論計算出所需彈簧的剛度系數范圍，參考現有彈射裝置尺寸確定彈簧初始設計尺寸，最后利用材料力學理論對所選取的彈簧進行強度分析，驗證了所選彈簧可以達到強度要求，進而論證了利用壓縮彈簧進行蓄能彈射的可行性，為進一步的研究工作打下了基礎。

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(責任編輯周江川)

本文引用格式：李海軍，王殿宇，陳玉良.基于EHA的機載導彈彈簧蓄能彈射可行性分析[J].兵器裝備工程學報，2016(4):5-7.

Citation format:LI Hai-jun，WANG Dian-yu，CHEN Yu-liang.Design Analysis and Research of a New Type of Aircraft Missile Launcher Lock Mechanism[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):5-7.

Design Analysis and Research of a New Type of Aircraft Missile Launcher Lock Mechanism

LI Hai-jun，WANG Dian-yu，CHEN Yu-liang

(Department of Armament Science and Technology,Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:Aiming at the shortage of the two kinds of ejection power source of “hot” and “cold”, this paper put forward a new type of cold elastic device which can be used as the power source for the ejection of EHA. This scheme can not only cause the pollution of the components, but also can guarantee the fast of the compressed energy storage. At the same time, it can provide the catapult energy independently and shorten the preparation time.The feasibility of the spring energy storage was analyzed by using dynamics and material mechanics theory. The results show that it is reasonable and feasible to use the spring energy storage to compress the ejection.

Key words:airborne missile; EHA; spring energy storage; eject; feasibility analysis

文章編號：1006-0707(2016)04-0005-04

中圖分類號：TJ768；TH122

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.002

作者簡介：李海軍(1966—)，男，博士，教授，主要從事航空導彈測試與故障診斷研究。

收稿日期：2015-11-07；修回日期：2015-11-30

【裝備理論與裝備技術】