內外氣缸式蒸汽彈射器設計與仿真?

史 炎 史天成

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031）

內外氣缸式蒸汽彈射器設計與仿真?

史 炎 史天成

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031）

為了解決蒸汽彈射器開口氣缸密封困難的問題，提出了內外氣缸嵌套式結構，即一個外氣缸內置若干個開口氣缸，安裝時內外氣缸開口相互錯開。針對該蒸汽彈射器的基本工作原理，建立了仿真模型。分析結果表明：汽缸半徑和蒸汽初始壓力對飛機起飛速度和加速度影響明顯；載荷一定下，缸徑與蒸汽初始壓力成反比。

蒸汽彈射器；動力學仿真；內外氣缸

1 引言

在各種海軍作戰艦艇中，以航空母艦的戰斗力最為強大，可在全球任一海區執行完整的戰斗任務，具有極強的威懾力。艦載機是航母的核心作戰武器，艦載機的起降能力是一個航母戰斗群戰力的重要標志之一［1～2］。而艦載機的起飛方式就目前來講主要有兩種，“滑躍”式起飛和彈射起飛。“滑躍”起飛方式依靠自身的動力推動，在末端上翹的甲板上滑跑，然后拋射出去［3～5］；由于甲板長度的限制，起飛質量和起飛頻率受到限制，削弱了艦載機的戰斗能力。彈射起飛方式是通過大功率的彈射器給飛機足夠的起飛速度，把飛機“彈”上天空，所需跑道比較短，這種起飛方式降低了對艦載機本身的要求，可以載滿油量起飛，使得航空母艦的綜合戰力得到大大的提升。蒸汽彈射器是目前應用最廣泛的起飛助力裝置，國外對蒸汽彈射器的研究較為成熟并進行技術封鎖，我國學者在資料有限的條件下開展了相關研究，如文獻［6～10］等研究了蒸汽彈射器的動力學性能。電磁彈射系統雖然性能指標優于蒸汽彈射系統［11～12］，但性能可靠是武器最重要的指標，電磁彈射系統能否承受電磁脈沖武器的干擾尚無定論［13～14］，因此在相當長的時期內，蒸汽彈射器會與電磁彈射器共存。

針對蒸汽彈射器氣缸密封困難的問題，提出了內外氣缸設計方案，使用SIMPACK仿真軟件對其做了彈射過程的動力學分析。

2 蒸汽彈射器結構

為更好地改善氣缸的密封性，作者設計了內外氣缸方案，即一個開口外氣缸嵌套若干個開口氣缸，初始狀態內、外氣缸開口完全錯開。內、外氣缸與活塞組成密封結構，如圖1所示。活塞中間設置活塞頸與外部機構相連接，如圖2所示。導向板固定在活塞頸上并與內氣缸上的開關桿構成開合機構，開合機構控制內氣缸開口與外氣缸開口重合或錯開。彈射器機構如圖3所示，高壓蒸汽推動活塞運動，活塞頸帶動外部機構拖行飛機。隨著活塞前進，打開活塞頸前面的內氣缸同時關閉活塞頸后面的內氣缸。在彈射沖程后期打開進水口在活塞前端形成高壓水墻，延遲打開排水口造成液壓減震器效應，在水力的制動下活塞最終停止。

3 建立模型

用SIMPACK系統動力學軟件建立活塞、飛機的動力學模型。考慮甲板摩擦力、活塞摩擦力，蒸汽推力作用在活塞上，空氣阻力、飛機升力、發動機推力作用在飛機上。活塞與飛機用28號元件連接，元件與甲板平面的夾角為30°。動力學模型如圖4所示，參數見表1。

參照文獻［7～10］，將式（1）～（3）的蒸汽壓力P、空氣阻力D、飛機升力L作為表達式輸入SIMPACK系統中。

當飛機升力L等于飛機重量時，飛機速度減去航母速度即是飛機最小離艦速度。由式（3）得到飛機起飛絕對速度為96 m/s，航母速度為16 m/s，則飛機最小離艦速度為80m/s。

表1 主要仿真參數

4 分析結果

4.1 蒸汽初始壓力的影響

分析蒸汽初始壓力對彈射起飛的影響，不同蒸汽初始壓力下飛機加速度和速度隨彈射距離的變化曲線如圖5～圖6所示，活塞最大沖程為80m。內氣缸缸徑為0.3m，蒸汽初始壓力分別為3 MPa、3.5 MPa、4 MPa、4.5 MPa四種工況。

蒸汽壓力值3.0 MPa工況下，活塞最大沖程80m結束時達不到最小離艦速度導致彈射失敗，其余工況下彈射成功。同一工況下飛機在彈射初始時刻加速度最大，隨著蒸汽初始壓力的升高，飛機在初始時刻的加速度增大，實際需要的活塞沖程縮短。當蒸汽壓力值為4.5MPa時，最大加速度為47.5m/s2，實際需要的活塞沖程只有51.6m。

4.2 內汽缸半徑的影響

為得到汽缸半徑大小對彈射起飛的影響，通過改變汽缸半徑值對彈射過程進行數值模擬。設定內汽缸半徑分別為0.2m、0.3m、0.4m，蒸汽初始壓力分別為 2MPa、3MPa、3.5 MPa、4 MPa、4.5 MPa。如圖7～圖8所示為活塞沖程、最大加速度與缸徑、蒸汽初始壓力的對應關系。

為了做到短跑道、小過載，內汽缸半徑與蒸汽初始壓力必須合理匹配。若要求活塞沖程低于100m，最大加速度不超過50m/s2，按最小蒸汽壓力原則選內汽缸半徑與蒸汽初始壓力組合為0.4m/2Mpa，最大加速度39m/s2，活塞沖程92m；若介意缸徑尺寸就選擇0.3m/3.5MPa組合，最大加速度38m/s2，活塞沖程79m。雖然大半徑汽缸安裝尺寸大，但是有如下優點：缸內壓力小蒸汽不容易泄漏且對彈射系統造成的機械負荷小；蒸汽初始壓力選擇范圍大，增加蒸汽壓力可彈射更重的飛機。

5 結語

通過建立單一汽缸的蒸汽彈射器的數學模型分析了彈射過程的動力學響應，得到以下結果。

1）增大缸徑可以降低活塞沖程增加飛機滑跑距離，并增加了蒸汽彈射器的彈射潛力，通過調整蒸汽初始壓力就可改變彈射重量，適用機型多。常態下蒸汽初始壓力較低，降低了系統運行載荷；非常情況下，為了節省飛機燃油增加巡航半徑，可以不使用飛機助推，增加蒸汽初始壓力達到起飛速度。

2）提高蒸汽初始壓力可以增大飛機的起飛速度，但也會增加飛機過載。在使用過程中需要綜合考慮起飛速度和過載之間的制約關系，來確定蒸汽初始壓力的大小。

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Design and Simulation of Inner and Outer Cylinders of Steam Catapult

SHI Yan SHI Tiancheng
（Traction Power State Key Laboratory，Southwest JiaoTong University，Chengdu 610031）

Aiming at the difficulty of sealing to the cylinder of steam catapult，a design of inner and outer cylinder is put for?ward in this papen，which means an opening outside the cylinder nested a number of cylinder with opening，when installing，the opening of inside and outside cylinders are completely staggered.Aiming to the working principle of this steam catapult，it is estab?lished a simulation model.The results show that the radius of cylinder and the initial steam pressure have significant effect to the take off speed and acceleration，under certainly load，the radius of cylinder is inversely proportional to the initial pressure of the steam.

steam-powered catapult，dynamic simulation，inner and outer cylinders

U674

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.035

Class Number U674

2017年5月22日，

2017年6月24日

牽引動力國家重點實驗室自主課題（2016TPL-T06）資助。

史炎，男，高級工程師，研究方向：轉向架設計、多體動力學。史天成，男，研究方向：數學建模與計算機仿真。