車載導(dǎo)彈箱式傾斜發(fā)射出箱安全性分析*

王化政，姜 毅，王勃漫，黎 蘭

(1 北京理工大學(xué)宇航學(xué)院， 北京 100081； 2 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所， 北京 100076)

0 引言

箱式傾斜發(fā)射方式是現(xiàn)代車載導(dǎo)彈的主要發(fā)射方式之一，導(dǎo)彈發(fā)射方式采用滑塊-導(dǎo)軌發(fā)射方式。發(fā)射過程中，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，導(dǎo)彈滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)一段時(shí)間后離軌出箱，獲得出箱速度以及一定的初始姿態(tài)。導(dǎo)彈在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)過程中，滑塊和導(dǎo)軌之間的間隙會(huì)使導(dǎo)彈產(chǎn)生振動(dòng)。其次，前滑塊滑離導(dǎo)軌后，導(dǎo)彈由于重力作用，會(huì)繞后滑塊產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致頭部下沉現(xiàn)象[1-4]。此外，發(fā)射車在導(dǎo)彈發(fā)射過程中的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致出箱過程更加惡劣。因此，導(dǎo)彈在出箱過程中的影響因素會(huì)影響導(dǎo)彈的出箱姿態(tài)，甚至有可能和箱體發(fā)生碰撞。因此，各個(gè)影響因素對導(dǎo)彈出箱安全性的規(guī)律性研究，可以為箱式傾斜發(fā)射導(dǎo)彈提供設(shè)計(jì)參考。文中搭建車載導(dǎo)彈箱式傾斜發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，考慮發(fā)射車振動(dòng)對發(fā)射過程的耦合影響，將發(fā)射箱進(jìn)行柔性化處理，考慮發(fā)射箱以及導(dǎo)軌變形的影響。分析起豎油缸剛度、不同推力載荷、導(dǎo)彈熱發(fā)射燃?xì)饬饕约皩?dǎo)彈設(shè)計(jì)偏差對導(dǎo)彈出箱安全性的影響規(guī)律。

1 車載導(dǎo)彈箱式傾斜發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型設(shè)置

1.1 模態(tài)綜合法理論

多柔體系統(tǒng)是在多剛體系統(tǒng)的基礎(chǔ)上考慮部件柔性效應(yīng)的多體系統(tǒng)，對柔性結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行描述，通常使用有限元方法和模態(tài)綜合法。文中基于模態(tài)綜合法描述柔性體的運(yùn)動(dòng)變形[5-7]。

模態(tài)綜合法的原理是采用模態(tài)分析向量及相應(yīng)的模態(tài)坐標(biāo)來描述物體在空間隨時(shí)間變化的位移(變形)，即uf=φqn，式中φ=[φ1,φ2,…,φn]為模態(tài)向量矩陣，qn=qn(t)為模態(tài)坐標(biāo)，n為模態(tài)向量數(shù)。采用模態(tài)分析法的優(yōu)點(diǎn)在于：首先，可以根據(jù)先驗(yàn)的響應(yīng)特征和精度要求來考慮模態(tài)截取的范圍。其次，可以進(jìn)一步采用模態(tài)綜合技術(shù)來研究大型復(fù)雜系統(tǒng)振動(dòng)。另外，可以直接應(yīng)用試驗(yàn)?zāi)B(tài)技術(shù)所得的結(jié)果，使理論和數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)緊密結(jié)合。

1.2 車載導(dǎo)彈箱式傾斜發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型

建立如圖1所示的箱式傾斜發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，模型包括發(fā)射車車架、底盤、車輪、發(fā)射架、發(fā)射箱、導(dǎo)彈、調(diào)平油缸以及起豎油缸。發(fā)射箱模型如圖2所示，導(dǎo)彈和發(fā)射箱通過導(dǎo)軌-滑塊連接，發(fā)射角度為70°。

圖1 車載導(dǎo)彈箱式傾斜發(fā)射動(dòng)力學(xué)整體模型

圖2 發(fā)射箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型

車載導(dǎo)彈箱式傾斜發(fā)射模型的約束設(shè)置如圖3所示，其中，發(fā)射車的懸掛系統(tǒng)采用彈簧阻尼器模擬，起豎油缸與調(diào)平油缸采用彈簧阻尼器模擬，導(dǎo)軌滑塊之間設(shè)置接觸。在此模型中，考慮發(fā)射箱、導(dǎo)軌的柔性變形，將發(fā)射箱以及導(dǎo)軌的模態(tài)文件輸出至動(dòng)力學(xué)模型中。

圖3 車載箱式傾斜發(fā)射模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中包含有N個(gè)物體，其中剛體的數(shù)量為m?；趧?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)理論，聯(lián)裝發(fā)射系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組如式(1)所示。

(1)

1.3 導(dǎo)彈燃?xì)饬饔?jì)算模型

導(dǎo)彈在出箱過程中會(huì)發(fā)生頭部下沉現(xiàn)象，此時(shí)導(dǎo)彈的軸線和發(fā)射箱軸線產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角度，導(dǎo)彈燃?xì)饬髟诎l(fā)射箱中不再對稱分布，會(huì)對發(fā)射箱造成一定的擾動(dòng)。通過動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算，分析不同工況下導(dǎo)彈的出箱過程。在導(dǎo)彈軸線與箱體軸線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)到導(dǎo)彈完全出箱的過程中選取3個(gè)時(shí)刻，分別分析其狀態(tài)下導(dǎo)彈燃?xì)馍淞鞯牧鲌?，并?jì)算作用在箱體上的壓力值。

1.4 計(jì)算工況

文中分析不同發(fā)動(dòng)機(jī)推力條件、起豎油缸剛度不同、導(dǎo)彈燃?xì)饬鞯臄_動(dòng)影響以及導(dǎo)彈的制造偏差對出箱安全性的影響。具體計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況表

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)彈燃?xì)饬饔?jì)算結(jié)果及分析

通過動(dòng)力學(xué)模型的仿真計(jì)算，在導(dǎo)彈開始偏轉(zhuǎn)到出箱中選取3個(gè)時(shí)刻，分別為初始時(shí)刻，發(fā)射箱內(nèi)運(yùn)動(dòng)至一定高度時(shí)刻，以及出箱時(shí)刻。分析3個(gè)時(shí)刻狀態(tài)下的流場。圖4和圖5為推力180 000 N工況下的3個(gè)時(shí)刻馬赫數(shù)云圖與箱內(nèi)壓強(qiáng)云圖。可以看出，初始時(shí)刻彈體與發(fā)射箱同軸，因此火箭燃?xì)馕粗苯訃娫诎l(fā)射箱內(nèi)壁面，此時(shí)發(fā)射箱內(nèi)壁面壓力分布大致呈軸對稱。隨著發(fā)射過程中，發(fā)射箱的軸線與彈體軸線相交，并且交角逐漸增大，越來越多的燃?xì)饬髦苯記_擊在發(fā)射箱內(nèi)壁面，且與壁面接觸的位置越來越高，導(dǎo)致壓力云圖中壁面?zhèn)冗呏饾u出現(xiàn)高壓區(qū)，且高壓區(qū)隨著時(shí)間變化向上移動(dòng)。最后的出筒時(shí)刻，發(fā)射箱的軸線已經(jīng)與彈體軸線相交的角度更大，多數(shù)中后部燃?xì)饬髦苯記_擊在發(fā)射箱壁面，且與壁面接觸的位置更高。

圖4 3種不同時(shí)刻馬赫數(shù)云圖

圖5 3種不同時(shí)刻箱內(nèi)壓強(qiáng)云圖

通過燃?xì)饬鲌龅挠?jì)算，對每種工況、每個(gè)時(shí)刻發(fā)射箱的壁面壓強(qiáng)進(jìn)行積分，得出發(fā)射箱在此時(shí)刻受到的力和力矩，并將其通過插值的方式輸入到動(dòng)力學(xué)模型，分析導(dǎo)彈燃?xì)饬鲗ζ涑鱿浒踩缘挠绊憽?/p>

2.2 不同推力條件下計(jì)算結(jié)果及分析

通過改變不同的推力條件，根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，分析其對出箱安全性的影響，以及對發(fā)射車產(chǎn)生的振動(dòng)影響。推力條件分別設(shè)置為110 000 N、130 000 N、150 000 N以及180 000 N。不同推力條件下的仿真結(jié)果如圖6、表2所示。

圖6 不同推力工況下仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以得出，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，導(dǎo)彈彈體以及尾翼和箱體之間的最小距離越大，越安全。但是，推力越大，導(dǎo)彈出箱時(shí)的俯仰角速度增大，不利于導(dǎo)彈的出箱后的控制。同時(shí)，推力對發(fā)射車垂向位移以及俯仰角速度的振幅影響相對較小，但推力越大，發(fā)射車振動(dòng)的頻率越快。

表2 不同推力工況下仿真結(jié)果

2.3 考慮制造偏差、燃?xì)饬饔绊懝r下仿真結(jié)果及分析

考慮質(zhì)心偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏差以及導(dǎo)彈燃?xì)饬饔绊?，根?jù)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，分析其對出箱安全性的影響，以及對發(fā)射車產(chǎn)生的振動(dòng)影響，仿真結(jié)果如圖7、表3所示。

通過仿真結(jié)果可以得出，質(zhì)心偏移以及推力偏心會(huì)使出箱環(huán)境更加惡劣，降低其安全距離，增加出箱后的俯仰角速度，增大發(fā)射車振幅?？紤]燃?xì)馍淞鞯挠绊懀涑鱿溥^程中，彈體、尾翼和箱體之間的最小距離會(huì)減小，安全距離縮短，同時(shí)，燃?xì)馍淞鞯挠绊憰?huì)增加其出箱角速度，增加對發(fā)射車的振動(dòng)幅度。因此，車載導(dǎo)彈的出箱安全性分析中，考慮燃?xì)馍淞鞯挠绊懯潜匾摹?/p>

表3 考慮制造偏差、燃?xì)饬饔绊懝r下仿真結(jié)果

圖7 考慮制造偏差、考慮燃?xì)饬饔绊懝r下仿真結(jié)果

2.4 不同起豎油缸剛度工況下仿真結(jié)果及分析

考慮不同起豎油缸剛度的影響，根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，分析其對出箱安全性的影響，以及對發(fā)射車產(chǎn)生的振動(dòng)影響，仿真結(jié)果如圖8、表4所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可得，起豎油缸剛度越大，導(dǎo)彈彈體、尾翼和箱體之間的最小距離越大，即越安全。同時(shí)，起豎油缸剛度越大，導(dǎo)彈出箱俯仰角速度越小，發(fā)射精度越高。

3 結(jié)論

建立完整的車載導(dǎo)彈箱式傾斜發(fā)射剛?cè)狁詈夏Ｐ停紤]發(fā)射車振動(dòng)對發(fā)射過程的耦合影響，將發(fā)射箱進(jìn)行柔性化處理，對模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。分析起豎油缸剛度、不同推力載荷、導(dǎo)彈熱發(fā)射燃?xì)饬饕约皩?dǎo)彈設(shè)計(jì)偏差對導(dǎo)彈出箱安全性的影響。分析表明，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，出箱安全性越高，但導(dǎo)彈出箱時(shí)的俯仰角速度會(huì)增大。導(dǎo)彈燃?xì)馍淞饕约爸圃炱罹鶗?huì)使導(dǎo)彈出箱工況更加惡劣，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。起豎油缸剛度越大，出箱安全性越好，發(fā)射精度越高。

圖8 不同起豎油缸剛度工況下仿真結(jié)果

表4 不同起豎油缸剛度工況下仿真結(jié)果