重載負荷下的燃氣作動筒內彈道推力特性研究*

吳憲舉，吳 豪，余威格，詹京松

(臺州學院航空工程學院， 浙江臺州 318000)

0 引言

作動筒作為一種直線往復運動的執行元件，可分為液壓式和氣壓式，廣泛應用于各行各業中，如用于導彈的彈射系統及民用客機的應急起落架系統[1-2]。燃氣式作動筒是采用火藥作為動力源的驅動裝置，具有很高的能量密度，主要用于完成各種機構的展開和載荷釋放[3]。它具有輸入能量小、響應速度快、可靠性高等優點[4]，大量應用在導彈、衛星和火箭的彈翼展開及其發射過程中。由于燃氣系統中多個物理過程相互交織，多種載荷共同作用，計算其內彈道解析解有很大難度[5]，國內外專家學者大多采用計算機手段來得到其數值解。姚小寧、屠小昌等對某彈翼展開機構中的燃氣作動筒建立了內彈道模型，采用的是不帶高壓的作動筒結構類型[6]；謝建對高壓室-作動筒結構進行分析，得到了壅塞流動條件下的內彈道模型[7]；譚大成對高壓室-作動筒式內彈道特性進行了詳細分析，并建立了非壅塞條件下的內彈道模型[8]；張石玉采用Cook高壓氣體狀態方程計算作動筒內彈道性能,并耦合運動幾何關系求解彈翼展開行程[9-10]；李海軍、游坤、稅朗泵、郭姣姣對高壓冷氣式作動筒內彈道特性進行了數值模擬計算[11-13]。

文中以某軍工項目為研究背景，采用高壓室燃氣作動筒結構方案，建立其內彈道模型，對燃氣作動筒加載一系列的負載進行推力特性的定性定量研究，得出了燃氣作動筒推力及內彈道特性的一般規律，為作動筒的工程應用提供了借鑒。

1 燃氣作動筒結構及工作原理

燃氣作動筒結構可分為兩種:一種是作動筒結構，原理是將火藥放置在作動筒內直接燃燒產生高壓燃氣，活塞在燃氣作用下推動負載做功；另一種是帶高壓室噴管式作動筒結構，其原理是將火藥放置在高壓室內燃燒生成高壓燃氣，燃氣流經噴管進入作動筒內進而推動活塞做功。前者結構簡單緊湊，內彈道計算方便，多用于推力不大的場合。缺點是由于火藥燃速與環境壓強高度耦合，壓強不僅與火藥氣體生成量呈正相關，還與活塞的移動速度呈負相關。一旦活塞移動速度過快，必然使得壓力下降過快甚至低于臨界壓力，就會造成火藥自身燃速不穩定甚至是熄滅。后者采用高壓室噴管作動筒式結構方案，主藥柱在高壓室內燃燒，高壓室建立起的穩定壓強保證了藥柱的穩態燃燒，從而提高了藥柱的燃燒穩定性。

選取高壓室噴管式燃氣作動筒為動力系統，用于推動滑軌上的負載，進而對其推力特性進行定性定量分析，其結構如圖1所示。主要由點火藥1、主裝藥2、端蓋3、高壓室本體4、作動筒本體5、密封橡膠圈6、活塞本體7、活塞桿8、負載9和滑軌10組成。

圖1 高壓室燃氣作動筒推動負載示意圖

高壓室本質上是一個以火藥燃氣為動力源的半密閉燃燒室，燃氣壓強的變化規律直接影響到流入作動筒的燃氣量，從而影響作動筒內的燃氣壓強變化規律，最終影響其負載的運動規律。當作動筒壓強與高壓室壓強之比p2/p1小于臨界壓強比時，其噴管流動特性不受作動筒內壓強影響，燃氣流在喉部保持聲速流動；當作動筒壓強與高壓室壓強之比增大達到臨界壓強比時，噴管喉部的燃氣流p2/p1會出現亞音速流動現象。在亞臨界狀態下，由于作動筒壓強相對較高，使得高壓室燃氣流量不僅受高壓室壓強大小的影響，還受低壓室壓強大小的影響。因此在此狀態下，高壓室壓強會受到作動筒壓強大小的影響。

該系統的工作原理是：點火藥點火，引燃主裝藥，主裝藥在高壓室內按照燃燒規律進行平行層端面燃燒，產生高壓燃氣通過噴管流入作動筒內，作動筒壓力升高，活塞在高溫高壓的燃氣作用下推動負載向右滑動。對于高壓室來說，一方面主藥柱的燃燒產生的高壓燃氣使得高壓室的壓強不斷升高，同時噴管又將高壓燃氣排出高壓室，當二者達到平衡時，高壓室內壓強相對穩定，此時藥柱燃燒也相對穩定。對于作動筒內壓強來說，一方面由于噴管流進的高壓燃氣使得其內壓強升高；另一方面由于活塞向右運動使得作動筒內自由容積增大間接導致壓強降低。當二者在某時刻達到平衡時，作動筒內壓強不再升高，而是逐漸降低。當活塞運動到行程極限位置時，推桿會與負載分離，負載做自由滑行運動，作動筒內的壓強在泄壓口的作用下與大氣壓相等，高壓室內壓強會在藥柱燃燒完畢后逐漸減至大氣壓。

2 數學模型的建立

高壓室燃氣作動筒工作比較復雜，很難建立完全真實的物理模型和數學模型，即使建立較準確的模型而解算也需要作合理假設。

2.1 建立高壓室燃氣作動筒內彈道模型假設條件

1)不考慮高壓室及作動筒內的壓強分布，即高壓室內的壓強處處相等，作動筒內的壓強處處相等；高壓室及作動筒內的燃氣按理想氣體處理。

2)燃氣在噴管內的流動為一維、準定常、等熵的；燃氣的成分、物理化學性質認為固定不變。

3)整個系統與外界無能量交換,無燃氣泄漏。

4)高壓室與作動筒內燃氣溫度不隨時間變化，即為常量。

2.2 數學模型的建立

高壓室本質上就是半密閉的火藥燃燒室，有兩個特點：一是高壓室容積不變；二是有氣體流出現象。作動筒內壓強較低,又稱為低壓室。隨著負載的運動，低壓室容積不斷擴大。為簡化計算，忽略溫度的變化，得到高壓室及作動筒內彈道數學模型如下：

3 Simulink數值仿真

利用Matlab中Simulink模塊搭建內彈道仿真程序。作動筒直徑選用0.2 m，高壓室直徑為0.2 m，噴管喉部直徑為0.018 m，噴管出口直徑為0.04 m，活塞行程lm為1 m，主藥柱采用雙基藥柱雙鈷-2，藥量為0.91 kg，端面燃燒，燃速符合指數燃速規律，其中a=0.003，壓力系數p=0.2，次要功系數φ=1，負載選用480 kg，640 kg，800 kg，960 kg，1 120 kg，1 280 kg，1 440 kg，1 600 kg?；钊麠U推動負載做無摩擦平行移動，仿真結果如圖2～圖7所示。

圖2 高壓室壓強隨時間變化曲線

圖3 作動筒壓強隨時間變化曲線

圖4 推力隨時間變化曲線

圖5 負載加速度隨時間變化曲線

圖6 負載速度隨時間變化曲線

圖7 負載位移隨時間變化曲線

data1～data8表示的曲線依次為480 kg，640 kg，800 kg，960 kg，1 120kg，1 280 kg，1 440 kg，1 600 kg的負載。從圖2可以看出：盡管負載質量由480 kg增加到1 600 kg，高壓室內的工作壓強曲線幾乎不發生變化。唯一區別在于燃燒結束后的拖尾段有所不同，這是由于負載與作動筒分離的時間有所差異造成的。從圖3可以看出：隨著負載質量的增加，作動筒內的壓強也逐漸增加，壓強峰值由7.05 MPa增大到11.2 MPa，但總體走勢具有一致性。另外作動筒的工作時間也逐漸延長，從0.22 s延長到0.33 s左右。這是因為隨著負載質量的增大，活塞推動負載完成整個行程的時間也隨之增加的結果。圖4與圖3具有類似性，隨著負載質量的增大，活塞的推力增大(推力峰值由2.22×105N增加到3.52×105N)且作用時間也隨之增大。圖5為負載加速度隨時間變化曲線，可以看出：隨著負載質量的增大，負載加速度逐漸減小，其加速度峰值由461 m/s2降低到220 m/s2。圖6為負載速度隨時間變化曲線，可以看出：隨著負載質量的增大，負載離開推桿的瞬時速度逐漸減小，由28.4 m/s降低到19.5 m/s。圖7為負載位移隨時間變化曲線，可以看出：隨著負載質量的增大，其位移曲線呈越來越平緩趨勢，說明在某一時刻下其位移隨質量增大而逐漸減少。

4 結論

通過對燃氣作動筒進行理論研究，基于高壓室燃氣作動筒推動無摩擦負載的結構設計方案，建立了內彈道模型，運用Matlab內置模塊Simulink進行內彈道程序編制，以負載為設計變量，得到了不同負載條件下的內彈道參數和推力的數值解，通過對仿真結果分析，得到了燃氣作動筒的內彈道參數和推力的一般規律。為高壓室噴管式結構的燃氣作動筒的工程應用提供了借鑒。