兩種彈射方案對旋轉發射架的振動影響分析

李海軍，莫子烯，游 坤

(海軍航空工程學院 機械電子工程系， 山東 煙臺 264001)

【機械制造與檢測技術】

兩種彈射方案對旋轉發射架的振動影響分析

李海軍，莫子烯，游 坤

(海軍航空工程學院 機械電子工程系， 山東 煙臺 264001)

美國與俄羅斯戰略轟炸機內部彈艙能夠掛載旋轉發射架，以旋轉供彈方式發射巡航導彈。如戰略轟炸機內部彈艙能掛載和投放炸彈，巡航導彈一般采取外掛式發射。這種發射方式氣動阻力大，不利于飛機隱身。為國產轟炸機彈艙設計一種適用的旋轉發射架，制定一種新式的投彈方案，不同于美俄主流轟炸機投彈的方式。分析兩種投彈順序下旋轉發射架的振動情況。分析結果表明：投彈時保證剩余掛彈對稱可減小旋轉發射架的離心振動，更適合在國產轟炸機上應用。

戰略轟炸機；旋轉發射架；投彈方案；振動

戰略轟炸機隱身性能和氣動性能的優劣決定其是否能夠遠程順利突防進行戰略打擊[1]。美俄戰略轟炸機，彈艙體積巨大，一般采取內埋式旋轉發射架發射巡航導彈，極大地增強了突防打擊能力[2]。國產轟炸機彈艙一般掛載炸彈，導彈采取外掛式，突防能力較差，只能中遠程打擊目標，不易達到戰略轟炸機的標準。因此，對旋轉發射架技術的研究是提升我軍戰略轟炸機性能的重要任務。本文參考了美俄戰略轟炸機旋轉發射架的工作原理，并根據國產轟炸機的性能水平和彈艙尺寸，設計了一種適用旋轉發射架；分析比較旋轉發射架在兩種投彈順序下的離心振動情況，為旋轉發射架的實際應用提供理論參考。

1 旋轉發射架設計

美軍B1-B飛機可以在其彈艙內安裝3個旋轉發射架[3]，圖-160飛機也能安裝兩個旋轉發射架[4]。如轟炸機的彈艙尺寸狹小，其內部彈艙只能安裝1個旋轉發射架，用以掛載我軍某型空艦巡航導彈。在設計過程中，要注意在滿足旋轉發射架工作性能的前提下，盡量使裝配體足夠緊湊，不影響飛機的飛行技術指標。

旋轉發射架工作原理如下：旋轉發射架安裝在轟炸機的彈艙內部，6枚巡航導彈通過專用掛架固定在裝置的滾筒上，專用掛架上裝有彈射器。裝置通過旋轉的方式供彈，當導彈轉動到最下方指定彈射位置時，鎖定機構鎖定滾筒的轉動，掛架上的彈射器開始彈射導彈。當導彈彈射完畢后，解鎖機構解除對滾筒鎖定，繼續進行旋轉供彈。

根據其工作原理，省略電動機和減速器的建模，在SolidWorks中作出旋轉發射架的三維裝配圖如圖1。

為使裝配體足夠緊湊，導彈應采取折疊彈翼模式，彈射后彈翼展開。由于加工條件的限制，滾筒不能設計成封閉型，宜設計成組合式空心軸，空心軸中間圓筒和掛架配合，并用螺栓與兩端蓋板將其緊固連接[4]。

2 投彈方案與偏心距

2.1 投彈方案設計

以圖-160飛機為例，若將投彈過程分為6個行程。旋轉發射架的投彈順序一般采用方案一，如圖2所示的，導彈每個行程按圖中逆時針轉動60°，直至所有的導彈依次彈射完畢。

采取這種投彈順序時剩余掛彈不對稱，使戰機受載不平衡。而且滾筒在轉動時，受到較大的離心力，甚至產生劇烈的振動。倘轟炸機的抗振能力和抗過載能力不如圖-160等飛機，不宜采用上述投彈方案。

轟炸機彈艙在投放炸彈時，一般遵循“一前一后，一左一右”的原則，盡量使飛機受載平衡[5]。同理，旋轉發射架發射導彈時，也應該遵循對稱的原則。因此，設計一種投彈順序如方案二所示，如圖3。這樣使剩余掛彈盡可能對稱，減小滾筒轉動引起的離心力，能收到減振的效果。

圖2 投彈方案一示意圖

圖3 投彈方案2示意圖

如圖3所示，行程Ⅰ為旋轉發射架滿載導彈時情況，導彈1位于彈射準備位置；導彈1彈射完畢后，導彈逆時針轉動180°使導彈2轉動至彈射準備位置，為行程Ⅱ；導彈2彈射后，導彈逆時針轉動60°使導彈3轉動至彈射準備位置，為行程Ⅲ；同理，行程Ⅳ滾筒轉動180°，行程Ⅴ滾筒轉動60°，行程Ⅵ滾筒轉動180°，直至所有導彈彈射完畢。

2.2 偏心距計算

∑mi=Mn=nm1+6m2+m筒,n為彈射后剩余導彈數；m1為導彈質量；m2為掛架質量；m筒為滾筒質量。

投彈方案一各行程滾筒轉動前截面示意圖如圖4。

n=6時，滾筒滿載導彈。滾筒、導彈和掛架各部分質量相對中心慣性軸平衡，此時系統的偏心距e為0；

將導彈質量m1，掛架質量m2，滾筒質量m筒=ρV，導彈質心與中心軸l1代入，得到剩余掛載導彈數目n與所造成的偏心距e的關系如表1。

圖4 方案一滾筒截面示意圖

導彈數n654321數值/mm083.7167.3228.4241.8179.7

由表1可以看出，投彈方案一中n=2時，有最大偏心距。

投彈方案二各行程滾筒轉動前截面示意圖如圖5。

圖5 方案二滾筒截面示意圖

同理，代入得到剩余掛載導彈數目n與的偏心距e的關系如表2。

表2 方案一n與e的關系

由表2可知，掛載導彈數為偶數時，偏心距為0。剩余導彈數n=1時，有最大偏心距。

4 基于ADAMS平臺的振動仿真分析

4.1 ADAMS模型建立

將SolidWorks中建立旋轉發射架的三維裝配體模型保存為ADAMS能識別的擴展名為x_t的PARASOLID文件,將其Import進入ADAMS/VIEW中[7]。根據要求設置坐標系、工作柵格、單位、重力加速度。對模型進行簡化，去除不必要的原件，如電動機，傳動機構，電機支承，螺栓，螺母等[8]。

根據旋轉發射架的工作原理，對各構件添加約束和驅動如圖6所示。

圖6 ADAMS平臺下旋轉彈射裝置仿真模型示意圖

研究滾筒的振動情況時，剛性的系統模型要轉換為剛柔混合的系統模型，將滾筒這個剛性構件轉換為柔性構件。在分析振動情況時，沒有采取傳統的有限元分析方法，如在有限元軟件中構建某個滾筒的柔性體MNF文件，然后代替剛體系統中的滾筒剛體，從而構建剛柔混合模型；而是利用ADAMS軟件中對某部件“Make flexible”功能直接構建剛柔混合模型，這種方法可以對簡單的部件直接柔化。

給予滾筒一定轉動速度時，由于系統質量不平衡，滾筒質心位置產生變化。對系統振動求解時，以滾筒的質心運動情況來代替系統的響應，該響應主要為滾筒質心的位移和加速度的變化情況。分析即可得到系統穩定的判別條件，與通用標準進行比較。

4.2 投彈方案一仿真

由理論計算得出，投彈方案一滾筒在轉動時，每個行程轉動60°。已知該型空艦巡航導彈實現連發的時間間隔為T<3.5 s，設滾筒轉動一個行程的時間2 s，留出充裕的時間保證導彈正常定位的鎖定和解鎖。

行程Ⅰ時，即滾筒掛載剩余導彈n=6時，導彈1直接彈射，不需要轉動。行程Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ時，滾筒依次轉動60°。且在行程Ⅴ時，即剩余導彈n=2時，系統的偏心距最大。此處只分析該情況下的滾筒振動。滾筒的轉速應滿足梯形加減速模式，設置滾筒轉速變化函數式為：

編寫驅動函數為基于速度(velocity)的motion=step(time,0,0,0.5,40d)+step(time,1.5,0,2,-40d),意為：驅動在仿真時長的前0.5 s為加速階段，轉速由0緩慢上升到40 (°)/s，中間的1 s為按照該速度平穩運行，后0.5 s為減速階段，轉速緩慢下降為0，滾筒在2 s仿真時長內轉動60°。

在仿真界面測試轉子系統的運動[10]。分析仿真結果，在Post Processor模塊中對結果進行處理。可以得到，滾筒轉速變化圖。

圖7 方案一滾筒轉速變化

由圖7可以看出，滾筒運行能按照預期設定的梯形加減速模式平穩運行。

滾筒質心相對軸承支撐方向(Y軸)的位移和加速度分別如圖8和圖9。

圖8 方案一行程Ⅴ時滾筒質心位移

圖9 方案一行程Ⅴ時滾筒質心加速度

4.3 投彈方案二仿真

同理，方案二n=1時，滾筒轉速變化函數式可表達為：

編寫驅動函數為基于速度(velocity)的motion=step(time,0,0,0.5,120d)+step(time,1.5,0,2,-120d)。在仿真界面測試轉子系統的運動，得到滾筒轉速圖如圖10。

圖10 方案二的滾筒轉速

由圖10可以看出，滾筒運行能按照預期設定的梯形加減速模式，實現平穩運行。

滾筒質心相對(Y軸)的位移和加速度分別如圖11和圖12。

圖11 方案二行程Ⅵ時滾筒質心位移

圖12 方案二行程Ⅵ時滾筒質心加速度

方案一行程Ⅴ和方案二Ⅵ分別是這兩種方案系統偏心距最大，由于系統離心力造成的振動幅度也是最大，故只須比較這兩種情況下的振動情況，即可判別哪種投彈方案更優。由圖8、圖11可以看出，兩種情況下滾筒質心均圍繞Y軸的負半軸某點振蕩，而非位于轉軸上。這是因為滾筒受到自身重力和導彈重力的作用發生一定的彈性變形，使滾筒質心向下偏離轉軸。且方案一的滾筒質心振幅比方案二更大，由此可知方案二比方案一更優。由圖9、圖12可以看出，方案一滾筒質心加速度比方案二更大，即其受到沖擊更大。方案二中滾筒質心加速度最大為0.85g，小于我國軍標GJB(軍用飛機強度和剛度規范-振動)規定的1.5g，也小于掛載的該型空艦巡航導彈發射過載2g。故該方案二可以應用在國產轟炸機的旋轉發射架上，而不發生劇烈振動。

5 結論

本文初步為國產轟炸機構思了一種旋轉發射架，構建其物理三維模型，制定一種新式投彈方案，比較兩種轟炸機投彈方案下的振動情況。在選取投彈方案二時能盡量保證剩余掛彈的對稱性，減小系統的偏心距，減小了系統振動，更加適合在國產轟炸機上應用。

采用制作物理樣機方式研究機載武器，可以減少重復設計與試驗次數，節約了研究成本，為后續的試驗工作提供重要的理論參考。

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(責任編輯 唐定國)

Vibration Simulation Analysis of Rotary Launcher in Two Missile Ejecting Plan

LI Haijun， MO Zixi， YOU Kun

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Naval Aeronautical University, Yantai 264001, China)

The US and Russia strategic bombers inner weapon bay can mount rotary launcher to launch cruise missile. But our strategic bombers weapon bay can only load bombs instead of cruise missile. Cruise missile can only be launched outside the weapon bay, which is not good for the aerodynamics and stealth performance of a strategic bomber. This paper designs a new kind of rotary launcher for our bombers in order to launch cruise missile inside its weapon bay. It chooses a new kind of missile launching order for this new rotary launcher to compare its differences with the traditional kind which was used by the US and Russian bombers. Then it analyzes its vibration situation of two rotating launchers. We find out that the missiles left are symmetry to make the vibration caused by centrifugation reduced.

strategic bomber; rotary launcher; ejecting plan; vibration

2017-04-25；

2017-05-15

李海軍(1965—)，男，主要從事航空武器機電控制技術研究。

10.11809/scbgxb2017.08.032

format:LI Haijun，MO Zixi，YOU Kun.Vibration Simulation Analysis of Rotary Launcher in Two Missile Ejecting Plan[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):153-156.

TJ762.2

A

2096-2304(2017)08-0153-04

本文引用格式：李海軍，莫子烯，游坤.兩種彈射方案對旋轉發射架的振動影響分析[J].兵器裝備工程學報，2017(8):153-156.