一種浮標投放裝置彈射模型的研究

竹建東 孫黎靜 賴北平 劉陽雄 張宇

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333001）

1 引言

隨著聲納浮標使用的越來越頻繁，其在各型飛行平臺上的使用和投放方式也越來越多，一般有重力投放方式、炸藥發射方式和高壓氣體投放方式。各種不同的投放系統組成和優缺點如下：

（1）重力投放是利用聲納浮標的重力使浮標自由落體離開飛行載體，重力投放系統一般包括一組投放管，每個投放管底部有一個電控的彈簧門，或在電控系統故障時由人工進行開合操作。同時每一枚裝入的浮標參數在飛行前或載機飛行中且浮標投放前進行再次參數設定，投放過程中不需要配浮標投放筒，但投放時對載機姿態和飛行速度控制的要求較高，投放裝置對機體的結構設計也相對較復雜；

（2）炸藥發射是利用炸藥產生的高壓氣體能量將浮標推射出機體，其投放機構一般包含控制電路、投放管、執行機構和炸藥等。首先將裝有聲納浮標的浮標投放筒裝入投放管內，在需要投放浮標時，操控臺給出浮標發射控制信號，執行機構引爆炸藥筒，炸藥筒產生的高壓氣體激活釋放機構，并利用氣體的能量將浮標投出機體，因其帶有一定初速，可避免余機體部件（如天線、起落架等）產生碰撞，該投放方式對載機投放的速度和姿態要求相對較低；

（3）高壓氣體投放是利用發射器自帶的高壓氣體對浮標進行施壓從而將浮標推射出機體，其投放機構一般由發射管、電磁閥、減壓閥、控制電機和高壓氣瓶等組成，其安裝方式和使用特點同炸藥發射方式，只是產生氣體的原理不同，同時使用高壓氣瓶提供氣體投放的方式，需不斷維護和補充高壓起源，其控制執行機構相對精密且復雜。

目前，隨著冷氣彈射技術在國內外新一代作戰飛機中應用的日益成熟，采用清潔免維護的高壓氣體為作動能源的投放系統已成為彈射發射領域中的研究熱點。而浮標在直升機上能否安全水平彈射出艙已成為該應用領域中必須解決的重要環節，若初速過小，則有可能卡滯于機上或者出艙后與機身蒙皮發生碰撞，甚至撞到旋翼導致嚴重后果。

本文結合直升機上浮標投放裝置的安裝環境，采用AMESim系統建模與仿真平臺對該浮標投放裝置兩個重要的氣路系統參數進行了模擬仿真，最終分析得出適合該型機的氣路系統參數。

2 系統工作原理及動力學分析[1-3]

2.1 浮標投放裝置系統工作原理

該型浮標投放裝置的工作流程為高壓氣體從儲氣瓶通過氣路傳遞到作動筒內，推動筒內的活塞和浮標向外運動，實現浮標的水平彈射投放。其氣路系統主要由儲氣瓶、減壓閥、電磁閥、氣管和作動筒等組成，系統原理框圖如圖1 所示。

本文中浮標投放裝置的投放原理為采用高壓氣體作為能源以氣沖方式將聲納浮標發射離機，聲納浮標在投放前，先將其裝入能夠累積高壓氣體能量的浮標投放筒內，而浮標投放筒尾部蓋板處一般有4 個徑向均布的剪切銷，用于鎖止聲納浮標在浮標投放筒內；然后將浮標投放筒與浮標一起裝入浮標投放裝置的發射管中；最后浮標投放裝置通過內部的鎖止機構與浮標投放筒端部的氣嘴進行固定，在鎖止的同時完成浮標投放筒的氣嘴與浮標投放裝置內的氣路對接。

聲納浮標需要發射時，高壓氣體通過浮標投放裝置的氣路機構快速填充至浮標投放筒內，高壓氣體所產生的壓強推動聲納浮標剪斷浮標投放筒尾部的鎖止蓋剪切銷，浮標從浮標投放筒內以一定速度發射出去，而浮標投放筒仍留在浮標投放裝置發射管內，載機落地后再由地勤人員進行拆卸操作。

2.2 動力學分析

作動筒內活塞的動力學方程為：

圖1：浮標投放裝置氣路系統原理框圖

圖2：浮標投放裝置仿真模型

圖3：進口壓力對浮標速度的影響

圖4：電磁閥開啟時間對浮標速度的影響

表1：模型部分圖標意義及參數

式（1）中Frod 為活塞輸出的力，P1 為活塞進口壓力，A1 為P1 作用的橫截面積，P2 為浮標對活塞的反作用力，A2 為P2 作用的橫截面積，V 為活塞的速度，Visc 為粘滯摩擦系數。

活塞左側的容積可定義為：

以及活塞右側的容積為：

式（2）、（3）中stroke 為活塞的沖程（即最大行程），xact為活塞的位移，dead1 為活塞左側死腔容積，dead2 為活塞右側死腔容積。

電磁閥工作原理為通過脈沖電流控制閥體移動來擋住或漏出排氣孔，而排氣孔打開時，高壓氣體就會進入排氣管，然后通過高壓氣體的壓力來推動氣壓缸的活塞，活塞推動浮標。通過控制電磁閥的電流就控制了浮標的投放。

電磁閥出口的氣體質量流量公式：

同時理想氣體狀態方程為：

式（5）中n=m/M（m 為質量，M 為平均摩爾質量），p 為壓強，V 為體積，R 為理想氣體常數，T 為絕對溫度。

由（2）、（4）、（5）式方程聯立，可得：

由于作動筒內浮標的動力學方程：

式中Mass 為浮標的質量，μ 為浮標與作動筒之間的摩擦系數。同時：

由（1）、（6）、（7）、（8）式聯立可得：

3 浮標投放裝置仿真模型[4-5]

AMESim 提供了一個系統及工程的完整平臺，從其豐富的氣動庫和氣動元件設計庫可以搭建各種符合仿真需求的氣路系統[3]。但氣動庫中的氣路控制閥門種類較為單一，不能滿足本仿真試驗的氣動系統設計要求。根據浮標投放裝置氣路控制的結構設計原理，利用氣動元件設計庫中的子模型組合可建立滿足本次仿真所需氣動控制系統的模型，仿真模型和部分模型參數如圖2、表1 所示。

4 仿真分析

根據圖2 浮標投放裝置的仿真模型，通過對輸入信號活塞進口壓力Pup 分別取3MPa～7MPa；以及電磁閥開啟時間分別取0.04s～0.10s 進行仿真，仿真結果如圖3 和圖4 所示。

從圖3 中可以看出，活塞進口壓力值的大小對聲納浮標初始速度的影響較大。活塞進口壓力值越大，浮標的分離速度（初始速度）越大且分離時間越短。當活塞進口壓力值為5MPa 時，聲納浮標的初始速度大概為15.6m/s，當塞進口壓力值為5.5MPa 時，聲納浮標的初始速度大概為16.3m/s，當塞進口壓力值繼續增大時，其速度的增幅相對較小，而從工程經驗來看，當聲納浮標的初始速度大于10m/s 時，一般都能滿足載機飛行安全。

從圖4 中可以看出，電磁閥的開啟時間在0.06s 以下時其對聲納浮標的分離速度影響相對較大，即電磁閥開啟時間越長，聲納浮標的分離速度越大。當開啟時間大于0.06s 時，浮標的速度曲線基本保持不變。因此，從經濟性上考慮，為了固定量的氣瓶所能達到最大的浮標投放次數，可設定電磁閥的開啟時間為0.06s。

5 結論

上述仿真過程對浮標投放裝置高壓氣體投放方式下與聲納浮標離機速度最重要的參數投放氣壓和電磁閥開啟時間進行了數值仿真，若需達到實際的工程應用，則還需對相應平臺的實際機體環境（機體結構、天線和起落架等）的限制條件、不同聲納浮標的重量、實際下洗流參數狀態、風速風向和浮標投放裝置投放響應時間等參數進行綜合評估、仿真，得出在不同浮標重量狀態下，以及浮標投放裝置本身的參數條件下，仿真出復合實際需求的聲納浮標初始發射速度。

本文通過AMESim 對一種浮標投放裝置進行建模和仿真，得出了不同進口壓力、電磁閥不同開啟時間對浮標速度響應的影響，當進口壓力為5.5MPa、電磁閥開啟時間為0.06s 左右時對設計浮標投放裝置較為經濟且效果良好。該仿真試驗對氣動彈射浮標的工作原理有進一步的深入了解，對浮標投放裝置在直升機及固定翼上的設計和使用研究具有一定的指導作用。