電纜網敷設對小口徑制導彈藥質量特性參數的影響研究

李文昊，卞程飛，李 倩，王 沖，廖天鶴，應嘉奇

(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

導彈作為一種典型的復雜機電產品，彈上電纜網的敷設是決定產品性能和質量的一個重要因素。中小口徑常規導彈因其結構緊湊、內部空間狹小而產生艙內電纜敷設難題，同時，制導武器小型化和集成化趨勢更是對電纜敷設技術提出較大的挑戰。

對于中大型彈箭產品而言，由于其整體質量較大，彈上電纜網的敷設方式對全彈質量、質偏等質量特性參數影響較小；而對于輕型小口徑制導彈藥而言，電纜網的質量及分布方式對導彈整體的質量特性參數具有較大影響，進而影響導彈飛行的穩定性。

目前國內外關于電纜網敷設方面的研究相對較多，主要包括敷設路徑自主規劃[1]、電纜模型構建及仿真方法研究[2-8]、電纜布局優化設計[8-10]、電纜網輕小型化設計研究[11-12]等方面。而在彈體質量特性參數方面，國內外研究主要集中在研究測量方法[13-14]和設計測量系統[15-17]方面，對影響產品質量特性參數的因素研究較少，尚無關于電纜敷設對產品質量特性參數影響研究的相關報道。

文中以某小型精確打擊導彈為研究對象，研究電纜網敷設對小口徑制導彈藥質量特性參數的影響規律，并對彈上電纜網敷設方案進行優化設計。

1 建模

以某小型精確打擊導彈為研究對象，利用NX三維設計軟件建立彈體結構件、彈上部件及電連接器和彈上電纜網等彈上零部件模型，全彈三維模型如圖1所示。

圖1 彈體三維模型示意圖

模型仿真和實測得到的未敷設電纜前彈體的質量特性參數如表1所示，可以看出，未敷設電纜前，實測與三維仿真模型初始質量特性參數基本一致，驗證了三維仿真模型的有效性。

表1 未敷設電纜前彈體的質量特性參數

2 分析與優化

根據產品結構特點，彈上電纜網主要由甲艙電纜網、乙艙電纜網和電纜丙3部分組成。其中，乙艙電纜網由于產品的設計需求及艙內部件的結構特點，需穿過某部件后進行焊接，且過線孔已預留，因此電纜網在艙體內部的走線位置基本確定。電纜丙為連接導彈甲艙和乙艙電氣系統的重要部件，目前已經為成品電纜，走線方式唯一。因此文中主要對甲艙電纜網進行優化設計。

根據甲艙內零部件位置的分布情況，甲艙電纜網在圖2所示A、B、C三個區域存在多種走線方案。

圖2 甲艙及其內部結構示意圖

如圖3所示，各個橫截面圖中的“×”均對應該處可供選擇的走線位置，分別為：A處的a1、a2、a3，B處的b1、b2、b3、b4、b5及C處的c1、c2、c3、c4、c5，按排列組合原理可知，共計走線方式75種。

圖3 各區域橫截面及其走線位置示意圖(從前向后看)

經分析，A處的3個位置中a1距離部件2位置最近，走線距離最短，為最佳走線位置，故A處應優先考慮a1位；B處的5個位置中，b2、b3處與艙壁間間隙較小，而b5處部件1與部件2間間隙較小，考慮線纜束的外徑約束，故B處實際最佳走線位置為b1和b4；C處的5個走線位置對稱且空間充足，故此5種走線方案均可考慮。因此，儀器艙電纜網敷設方案如表2所示。

表2 儀器艙電纜網敷設方案

根據表2中所列不同的走線方案，在UG/Routing Electrical電氣管線布置模塊中進行電纜網敷設路徑設置，形成三維電纜網敷設模型后，利用“測量體”功能對全彈仿真模型進行質量特性參數測量，獲得初始無線束狀態(方案0)和10種不同走線方案的質量、質心、質偏(含角度)、極轉動慣量和赤道轉動慣量的變化趨勢如圖4～圖8所示。

圖4 電纜敷設對彈體質量的影響

圖5 電纜敷設對彈體質心的影響

圖6 電纜敷設對彈體質偏及質心側偏角的影響

圖7 電纜敷設對彈體極轉動慣量的影響

由圖4可以看出，敷設電纜后彈體總重增加了約110 g，不同電纜敷設方案之間彈體總質量變化不明顯，這是由于導彈本身體積較小，不同走線方案線束總體用料區別不大；對比方案1～方案6，方案6較方案1，導線長度增長，重量增大。

由圖5可以看出，敷設電纜后全彈質心距彈頭向后偏移了約0.8 mm，偏移量不大，說明電纜質量沿彈體周向分布基本均勻；對比方案1～方案6，由于方案6導線需繞到部件2下端過線孔，因此較方案1，導線長度增長，重量增大，且多余重量集中在彈體質心前側，因此方案6較方案1質心靠前。

由圖6可以看出，敷設電纜后不同方案間全彈質偏及質心側偏角均有顯著變化，其中方案6質偏最小為0.547 7 mm，較初始無線束狀態全彈質偏減小了3.4%，質心側偏角變化了21%；分別對比方案1～方案5和方案6～方案10可以看出，隨著C處走線位置(從前向后看)由彈體左下方向彈體右下方移動時，全彈質偏一致呈現上升趨勢，說明彈體右下方質量更大，配重時應選擇彈體左下方位。

綜合圖4～圖6，對比方案1、6，2、7，3、8，4、9和5、10可以看出B處走線位置的變動對總質量、全彈質量和質偏及質心側偏角較C處都有較大影響，這是由于B處線束外徑較C處大，因而質量更大。

綜合圖4、圖7和圖8可以看出，敷設后全彈極轉動慣量增加約100 kg·mm2，赤道轉動慣量增加約5 000 kg·mm2，整體而言變化不大，且不同方案間極轉動慣量和赤道轉動慣量與不同方案間質量的變化趨勢基本一致。

從輕量化角度考慮，應選取彈體總質量較小的電纜敷設方案；但另一方面，對于小口徑制導彈藥，減小質偏可以降低發動機的推力偏心，減少主動段的擾動，增加彈體穩定性，故將單位質量上的線束產生的質偏I作為評判電纜敷設方案優劣的依據，即

(1)

式中：Cd為質偏；Mi為不同方案對應的彈體總質量；M0為未敷設電纜前的彈體總質量。

I值越小，說明單位質量線束產生的質偏越小，即在彈體質量一定的情況下，彈體質偏越小，彈體飛行越穩定。反之，當I值較大，說明彈體飛行穩定性較差。

圖9所示為不同方案I值的曲線圖，從圖中可以看出，方案6的I值最小，使用此走線方案，能夠在較小的彈體質量下獲得最小的質偏特性，從而提升導彈飛行的穩定性，因此選擇方案6為最優電纜網敷設方案。

圖9 不同方案I值曲線圖

3 試驗驗證

依據最優電纜網的布局及成型尺寸，結合優化后的工藝流程及配重方案，完成樣機制作并進行質量特性參數檢測，如圖10所示，測試結果見表3。

圖10 質量特性參數檢測

表3 質量特性參數檢測結果

通過對比優化前原始數據、仿真數據和優化后實測數據，可以看出仿真數據與優化后實測數據基本一致，優化后彈體實測質量較優化前原始狀態減少245 g，質偏減少0.061 mm，滿足設計要求(優化前質偏不滿足設計要求)。

4 結論

獲取了彈上電纜網結構模型，明確了電纜敷設對產品質量、質心及質偏等質量特性參數的影響，為彈體結構設計及優化提供依據：

1)敷設電纜后彈體增加了約110 g，不同電纜敷設方案之間彈體總質量變化不明顯；

2)敷設電纜后全彈質心距彈頭向后偏移了約0.8 mm，偏移量不大，說明電纜質量沿彈體周向分布基本均勻；

3)敷設電纜后不同方案間全彈質偏及質心側偏角均有顯著變化，其中質偏最小為0.547 7 mm，較初始無線束狀態全彈質偏減小了3.4%，質心側偏角變化了21%；

4)隨著C處走線位置(從前向后看)由彈體左下方向彈體右下方移動時，全彈質偏一致呈現上升趨勢，說明彈體右下方質量更大，配重時應選擇彈體左下方位；

5)B處走線位置的變動對總質量、全彈質量和質偏及質心側偏角較C處都有較大影響；

6)敷設全彈極轉動慣量增加約100 kg·mm2，赤道轉動慣量增加約5 000 kg·mm2，不同方案間極轉動慣量和赤道轉動慣量與不同方案間質量的變化趨勢基本一致。