彈炮一體武器平臺(tái)導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

姚新科，張慶輝，徐宏斌，李 輝，程偉峰

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所， 西安 710065)

0 引言

車(chē)載彈炮一體發(fā)射平臺(tái)集成了導(dǎo)彈的精準(zhǔn)打擊、高效毀傷能力，火炮的威力大、火力猛、反應(yīng)敏捷等優(yōu)點(diǎn)以及載車(chē)的高機(jī)動(dòng)性[1-2]。但后坐力大是火炮的固有特點(diǎn)，強(qiáng)大的沖擊載荷作用于導(dǎo)彈系統(tǒng)，對(duì)其軸線(xiàn)精度、彈載電氣設(shè)備及導(dǎo)彈系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[3-5]。因此，在彈炮一體發(fā)射平臺(tái)研制過(guò)程中，需對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射架的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，并對(duì)其采取相應(yīng)的減振緩沖措施，具有非常重要的意義。

文中針對(duì)某車(chē)載彈炮一體發(fā)射平臺(tái)，基于火炮射擊振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其導(dǎo)彈發(fā)射架振動(dòng)沖擊特性進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)了導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)，最后對(duì)其緩沖效果進(jìn)行試驗(yàn)摸底及驗(yàn)證，為彈炮一體武器平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)。

1 火炮射擊振動(dòng)試驗(yàn)

首先在未加緩沖機(jī)構(gòu)時(shí)，開(kāi)展火炮射擊振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試火炮射擊過(guò)程中導(dǎo)彈發(fā)射架的振動(dòng)響應(yīng)。一方面，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)緩沖機(jī)構(gòu)；另一方面，以該狀態(tài)下的發(fā)射架振動(dòng)沖擊數(shù)據(jù)為輸入條件，在振動(dòng)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，模擬火炮射擊的振動(dòng)沖擊環(huán)境。

1.1 試驗(yàn)方案

被試設(shè)備為某車(chē)載彈炮一體裝備，導(dǎo)彈發(fā)射架裝載配重筒裝導(dǎo)彈，底盤(pán)、車(chē)載電氣設(shè)備等均處于工作狀態(tài)，火炮射擊角度為0°和18°，振動(dòng)傳感器布置在彈位下方和導(dǎo)彈發(fā)射架耳軸處。

振動(dòng)測(cè)試設(shè)備由三向加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，測(cè)試前對(duì)傳感器進(jìn)行檢測(cè)并標(biāo)定。

測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)射擊角度進(jìn)行3組火炮射擊，第一組為7次單發(fā)射擊，第二組為兩次3連發(fā)，第三組為兩次5連發(fā)。振動(dòng)測(cè)試時(shí)，單發(fā)發(fā)射測(cè)試第三發(fā)和第六發(fā)，3連發(fā)不進(jìn)行測(cè)試，5連發(fā)全部進(jìn)行測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)0°和18°射擊角度下的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，18°射擊角度下的導(dǎo)彈發(fā)射架振動(dòng)響應(yīng)較大，因此，僅對(duì)該狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1(a)和圖1(b)所示分別為18°射擊角度下5連發(fā)射擊時(shí)的導(dǎo)彈發(fā)射架振動(dòng)加速度曲線(xiàn)和功率譜密度。從中可以看到，下彈架前后方向的振動(dòng)響應(yīng)最為劇烈，其它測(cè)點(diǎn)和方向的振動(dòng)響應(yīng)較弱。第一發(fā)射擊時(shí)的振動(dòng)加速度峰值最高，最大沖擊響應(yīng)為22.48g，第二至第五發(fā)射擊時(shí)的最大沖擊響應(yīng)在15.71～19.42g之間，沖擊持續(xù)時(shí)間均為約2 ms。加速度功率譜密度峰值為0.103 1g2/Hz，高于GJB 1032—90《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》中所規(guī)定的0.06g2/Hz，對(duì)外掛于該平臺(tái)上的導(dǎo)彈及部件的電氣性能造成一定影響。

圖1 18°射擊角度5連發(fā)射擊振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

2 緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)火炮射擊振動(dòng)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，需要為導(dǎo)彈發(fā)射架和武器平臺(tái)連接裝置增加減振阻尼措施，最大限度地減小沖擊過(guò)載，改善車(chē)載彈炮一體武器平臺(tái)中導(dǎo)彈工作平臺(tái)的使用環(huán)境。

為有效保證導(dǎo)彈系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定性，需要緩沖機(jī)構(gòu)將導(dǎo)彈發(fā)射架的過(guò)載降低到10g以下；且沖擊作用后，緩沖機(jī)構(gòu)能使發(fā)射架復(fù)位，高低和方位的射向偏差角度控制在6′以?xún)?nèi)；同時(shí)，緩沖機(jī)構(gòu)還應(yīng)滿(mǎn)足武器裝備的使用環(huán)境要求。

由于武器平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，設(shè)計(jì)的發(fā)射裝置緩沖機(jī)構(gòu)的尺寸不能對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生較大影響，因此，需要設(shè)計(jì)小型化的緩沖機(jī)構(gòu)。

傳統(tǒng)的緩沖方案一般有彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)、橡膠隔振器等。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，使用彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射架的隔振緩沖，需要較大的結(jié)構(gòu)尺寸，不滿(mǎn)足本武器平臺(tái)的需求；由于橡膠材料的特殊性，橡膠隔振器對(duì)自然環(huán)境條件下的適應(yīng)性不佳。因此，傳統(tǒng)的緩沖方案都不能滿(mǎn)足武器平臺(tái)的要求。

文中設(shè)計(jì)了金屬絲網(wǎng)三向隔振器，該隔振器以不銹鋼金屬絲網(wǎng)為主要的阻尼材料，利用金屬絲網(wǎng)的整體變形提供剛度，金屬絲間的相對(duì)滑移提供阻尼，從而達(dá)到減振和緩沖目的。沖擊載荷作用過(guò)程中，緩沖器在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生彈性變形儲(chǔ)存沖擊能量，沖擊結(jié)束后，緩沖系統(tǒng)通過(guò)彈性系統(tǒng)振蕩緩慢釋放能量，達(dá)到緩沖的目的。此外，在沖擊作用中和作用結(jié)束后緩沖系統(tǒng)釋放能量過(guò)程中，由于干摩擦阻尼作用而耗散沖擊和振動(dòng)能量，將進(jìn)一步改善緩沖效果。因此，該緩沖器適用于火炮射擊振動(dòng)沖擊載荷時(shí)間短、加速度峰值高的使用環(huán)境。

金屬絲網(wǎng)隔振器主要材料為不銹鋼，材料來(lái)自國(guó)內(nèi)，貨源充足，質(zhì)量可靠，且滿(mǎn)足環(huán)境適應(yīng)性要求。

導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)由四塊隔振器組成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從前到后呈1-2-1排列，示意圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)示意圖

3 緩沖機(jī)構(gòu)摸底試驗(yàn)

對(duì)金屬絲網(wǎng)三向隔振器的緩沖效果進(jìn)行了摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖3。試驗(yàn)在沖擊振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行，在聯(lián)接底板的四角安裝4個(gè)隔振器，隔振器上端與模擬負(fù)載(配重與導(dǎo)彈和導(dǎo)彈發(fā)射架的重量一致)聯(lián)接，加速度傳感器布置在配重塊上平面，測(cè)試沖擊過(guò)程中垂直、前后和左右3個(gè)方向的振動(dòng)響應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)底板固定在沖擊振動(dòng)臺(tái)面上，以火炮射擊振動(dòng)試驗(yàn)中得到的發(fā)射架實(shí)際沖擊加速度峰值、脈沖持續(xù)時(shí)間為輸入(見(jiàn)表1)，監(jiān)測(cè)模擬負(fù)載的輸出響應(yīng)。

表1 摸底試驗(yàn)輸入沖擊載荷參數(shù)

圖3 緩沖機(jī)構(gòu)摸底試驗(yàn)示意圖

圖4所示為緩沖機(jī)構(gòu)摸底試驗(yàn)輸入和輸出沖擊載荷峰值的對(duì)比。從圖中可以看出，3個(gè)方向的輸出加速度峰值明顯降低，下降幅度在80%左右。可見(jiàn)，金屬絲網(wǎng)隔振器的緩沖效果非常顯著。

圖4 緩沖機(jī)構(gòu)摸底試驗(yàn)輸入和輸出峰值對(duì)比

4 導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)

在沖擊振動(dòng)臺(tái)上對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)工裝見(jiàn)圖5。試驗(yàn)?zāi)M導(dǎo)彈發(fā)射架實(shí)際狀態(tài)，在聯(lián)接底板上布置4塊緩沖器，緩沖器上端與導(dǎo)彈發(fā)射架工裝聯(lián)接，導(dǎo)彈發(fā)射架裝載配重筒裝導(dǎo)彈或電子彈，并在導(dǎo)彈發(fā)射架底板上平面布置三向加速度傳感器。

圖5 導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)驗(yàn)證試驗(yàn)工裝示意圖

4.1 沖擊載荷試驗(yàn)

導(dǎo)彈發(fā)射架裝載配重筒裝導(dǎo)彈，在沖擊振動(dòng)臺(tái)上以近似半正弦波模擬實(shí)際火炮射擊時(shí)的沖擊載荷，輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射架的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖中可以看到，垂直、前后、左右3個(gè)方向的輸出加速度峰值顯著下降，且輸出的加速度峰值均小于導(dǎo)彈系統(tǒng)要求的10g，表明緩沖機(jī)構(gòu)有效地緩解了導(dǎo)彈發(fā)射架的沖擊載荷。

圖6 沖擊載荷試驗(yàn)輸入和輸出加速度峰值對(duì)比

4.2 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

導(dǎo)彈發(fā)射架裝載電子彈，并用導(dǎo)彈檢測(cè)儀檢查電子彈振動(dòng)前的性能；將2具校靶鏡分別安裝在電子彈和導(dǎo)彈發(fā)射架上的鏡座內(nèi)，通過(guò)觀察校靶鏡確認(rèn)彈軸相對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射架的位置關(guān)系，調(diào)整導(dǎo)彈發(fā)射架工裝，使俯仰射角處于-6°，彈軸位置關(guān)系標(biāo)記好后，退卸校靶鏡。同理，分別標(biāo)記+10°俯仰射角和水平狀態(tài)。3種射角狀態(tài)軸線(xiàn)位置關(guān)系標(biāo)記好后，退卸校靶鏡，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)輸入?yún)?shù)為火炮射擊振動(dòng)試驗(yàn)獲得的加速度功率譜密度，垂直、前后、左右3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖7(a)～圖7(c)，每個(gè)方向振動(dòng)持續(xù)30 min。

圖7 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線(xiàn)

每次振動(dòng)結(jié)束后，利用導(dǎo)彈檢測(cè)儀檢查電子彈性能，并用校靶鏡確認(rèn)3種射角狀態(tài)(-6°、+10°和水平狀態(tài))導(dǎo)彈軸線(xiàn)和導(dǎo)彈發(fā)射架軸線(xiàn)的位置關(guān)系。

通過(guò)導(dǎo)彈檢測(cè)儀對(duì)電子彈每次振動(dòng)前后彈上熱電池、陀螺、閉鎖點(diǎn)火電阻、指令信號(hào)正向、反向電阻等項(xiàng)目的測(cè)試對(duì)比，電子彈的性能參數(shù)在振后基本無(wú)變化，且均在合格范圍內(nèi)，電子彈工作正常，振動(dòng)對(duì)電子彈的性能沒(méi)有影響。

振動(dòng)前后軸線(xiàn)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2～表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨機(jī)振動(dòng)后，導(dǎo)彈與導(dǎo)彈發(fā)射架相對(duì)角度在方位上均無(wú)變化，在俯仰上變化不大，最大誤差為2′，小于導(dǎo)彈系統(tǒng)要求的6′，振動(dòng)對(duì)軸線(xiàn)精度的影響極小。

表2 垂直方向隨機(jī)振動(dòng)前后軸線(xiàn)參數(shù)

表3 前后方向隨機(jī)振動(dòng)前后軸線(xiàn)參數(shù)

表4 左右方向隨機(jī)振動(dòng)前后軸線(xiàn)參數(shù)

通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)可見(jiàn)，導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)使導(dǎo)彈系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足要求，有效地保證了導(dǎo)彈系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

基于火炮射擊振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，為車(chē)載彈炮一體武器平臺(tái)導(dǎo)彈發(fā)射架設(shè)計(jì)了金屬絲網(wǎng)三向隔振緩沖機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)摸底和驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的導(dǎo)彈發(fā)射架緩沖機(jī)構(gòu)，適用于時(shí)間短、峰值高的火炮射擊振動(dòng)環(huán)境，使導(dǎo)彈承受的沖擊載荷有效下降，加速度峰值在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)；在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，對(duì)電子彈性能未造成影響，導(dǎo)彈軸線(xiàn)精度滿(mǎn)足要求。該緩沖機(jī)構(gòu)保證了導(dǎo)彈系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。