抛投式机器人高低压发射过载的实验研究

郝 鑫，王建中，施家栋，王立明，姜 涛

（1．北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2．西安北方秦川集团有限公司，西安710043）

抛投式机器人具有体积小、便于携带等优点，但也具有越障能力差、续航时间短的缺点［1］，而且多采用操作人员徒手投掷方式进行布设，投掷人员必须接近目标，在战场环境容易被敌方发现。笔者采用地面移动机器人搭载发射机构进行机器人发射，实现抛投式机器人的远程布设。

由于抛投式侦察机器人的元器件精细，抗过载能力差，为了降低抛投式机器人在发射过程中所受到的冲击，采用高低压发射机构实现机器人的抛射。笔者以抛投式机器人的活塞式高低压发射实验装置为对象，对发射过程中的发射过载进行了实验研究，分析了发射系统的不同参数对发射过载的影响，为抛投式机器人高低压发射系统的设计提供了数据支持。

1 活塞式高低压发射原理

活塞式高低压发射系统的发射原理如图1所示，高压药室内的发射药点燃后产生高压燃气，使高压药室内的气体压强迅速升高，达到破孔压强后冲破破孔膜片，通过破孔进入低压药室，低压药室压强升高，推动活塞向前移动［2］。

高低压发射过程可以分为两个阶段，第一个阶段是从点火到高压药室内的火药气体冲破破孔膜片；第二个阶段是从高压药室内的火药气体冲破破孔膜片开始，到被弹射物离开发射筒口，内弹道过程结束［3－4］。

图1 活塞式高低压发射系统原理图

1．1 第一阶段

火药为定容燃烧，高压药室压强为，

式中：F为火药力；w为装药量；ψ为火药已燃百分比；ρp为火药密度；α是火药气体余容；V01为高压药室容积。

高压药室压强大于破孔压强后，高压药室气体通过喷口进入低压药室，第一阶段结束。破孔压强如公式（2）所示，

式中：b是破孔膜片的厚度；τk是膜片材料的剪切强度；d1是破孔直径。

1．2 第二阶段

火药气体从高压药室由破孔流入低压药室内，气体质量流量主要与破孔直径和高低压药室的压强有关［5］，

式中：ψ2是流量系数；Sj是破孔面积；p2是低压药室气体压强。由公式（3）可知，当破孔压强改变，会改变破孔瞬间高低压药室之间的压强差，也会间接影响破孔的质量流量。

高压药室压强与低压药室压强分别为公式（4）和公式（5），

可以看出，除了发射药自身的性能参数以外，对发射过载影响较大的参数主要是发射筒内膛横断面面积。当发射筒内膛横断面面积增大，高低压药室的容积增大，在同等火药燃烧条件下，气体压强就会减少，造成被弹射物的发射过载降低。

1．3 内弹道过程仿真分析

根据以上高低压药室的内弹道过程数学模型，进行抛投式机器人发射过程的仿真计算，参数设置如表1所示。

表1 仿真计算的参数值

图2 高压药室与低压药室的时间－压强曲线

仿真计算得到高低压药室的压强曲线，如图2所示。由图2可以看出，点火后高压药室压强快速上升，4ms时高压药室压强大于破孔压强；高压药室的气体开始进入低压药室，高压药室压强上升速度开始减缓；约0．5ms后，高压药室压强达到峰值；此时低压药室的压强仍远小于高压药室，所以低压药室的压强继续上升；2ms后，随着抛投式机器人向前移动，低压药室容积迅速增大，两个药室的压强差快速减小，低压药室的压强也开始减小；在接近23ms时，抛投式机器人离开发射筒口，内弹道过程结束。仿真结果证明，高低压药室发射系统可以有效降低低压药室压强，从而降低抛投式机器人在发射过程中所受到的冲击。

2 实验装置

抛投式机器人活塞式高低压发射实验装置主要包括发射系统、抛投式机器人系统、发射过载检测系统三个部分。为了减小发射装置的体积，采用导向杆作为导向机构。实验装置如图3所示。

图3 实验装置示意图

高压药室内的发射药点燃后产生高压燃气，达到破孔压力后冲破破孔膜片，通过破孔进入低压药室，低压药室压强增大，推动活塞向前移动，进而推动导向杆和抛投式机器人向前移动，直至导向杆离开筒口。

发射系统主要包括发射底座、底火、药盒、活塞、发射筒、点火电路等。底火内装有某型号发射药，固定在药盒底部，与药盒的下半部分组合形成高压药室，高压药室容积不可变，为1 259mm3。药盒的上半部分与活塞围绕形成低压药室，低压药室容积有两种情况，分别为5 035mm3和304mm3。高低压药室之间有破孔，其直径分为1．0mm、3．2mm两种。发射筒口径为18mm，活塞直径略小于发射筒口径，其行程为309mm。

抛投式机器人部分主要包括抛投式机器人和导向杆两部分，总质量为2．16kg。

笔者采用有线采集方法采集抛投式机器人的发射过载检测。加速度传感器采用美国PCB Piezotronics公司生产的350A14冲击型加速度传感器，量程为－5 000～5 000g。数据采集卡采用北京起创莫非电子科技有限公司生产的MPS－060602型采集卡，采集卡的采样频率为200kHz。加速度传感器安装在抛投式机器人内部，通过数据线与地面上的采集卡相连。发射后，当抛投式机器人的行程达到1m时，数据线在接头处自动断开，采集卡停止采集。

3 实验结果及分析

3．1 破孔直径对发射过载的影响

第一组实验中，改变高低压药室之间的破孔直径，分别为1．0mm、3．2mm，保持其他发射筒参数不变；低压药室容积统一为5 035mm3；破孔膜片材料统一为铝，厚度为0．1mm；装药量为0．6g。分别进行发射实验，记录发射过程中的发射过载，实验结果如图4所示。

图4 不同破孔直径条件下的发射过载

由图4可知，随着破孔直径增大，过载曲线的斜率和峰值都增大，而且达到峰值的时间也有所提前。这是因为，根据公式（3），破孔直径增大后，流过破孔的气体质量流量也增大，所以低压药室内气体压强增加得也更快，过载曲线的曲率变大，而且通过破孔流入低压药室的气体质量也较大，造成大破孔条件下抛投式机器人的发射过载峰值也较大。

到达峰值之后，两条曲线的值都快速下降，先后在16ms左右出现过载突然降低的情况。其中破孔越大，过载降低的时间越早。这是因为在这一时刻导向杆离开筒口，由于筒口的后效应，造成抛投式机器人的过载突然降低。由于破孔直径增大后，加速度增大，速度也随之增大，所以大破孔条件下抛投式机器人的筒口时刻会有所提前。在出筒口之后过载曲线呈现负值，这是因为在强冲击条件下，加速度传感器存在零点漂移现象。

为了量化分析过载曲线的平缓程度，本文计算了破孔时刻与筒口时刻之间的过载曲线方差，计算结果如表2最后一列所示。破孔直径增大后，过载曲线的方差较大，即曲线的平缓程度较差，不过两者的差别并不大，方差的比值为1．13。

为了便于比较，将不同破孔直径条件下的发射过载曲线的起点定义为同一时刻，即将两条曲线的破孔时刻均定义为零点。但根据公式（2），当破孔直径增大，破孔压力会减小，所以在图4中，如果以点火时刻为零点，那么3．2mm破孔直径条件下的过载曲线的起点时刻应当比1．0mm破孔直径的曲线起点要略早一些。

发射过载与破孔直径的关系如表2所示。

表2 发射过载与破孔直径的关系

3．2 低压药室容积对发射过载的影响

第二组实验中，改变低压药室容积，分别为304 mm3和5 035mm3，其他参数一致；膜片材料统一为铝，膜片厚度为0．1mm；破孔直径为1．0mm，装药量为0．45g。分别进行发射实验，记录发射过程中的发射过载，实验结果如图5所示。

图5 不同低压药室容积条件下的发射过载

由图5可知，随着低压药室容积增大，过载曲线的斜率和峰值都有所降低，过载峰值出现的时刻也被推迟。这是因为当低压药室容积增大后，在破孔气体质量流量差别不大的情况下，气体质量差别不大，则气体压强会减小。

根据公式（3），在大容积低压药室条件下，由于低压药室气体压强较低，高低压药室之间的压力差比较大，流过破孔的质量流量增大，在一定程度上使低压药室的气体压强增加。不过，这一关系仅对低压药室压强起到补偿作用，不会从根本上改善低压药室容积与发射过载为负相关的整体趋势。但由图5可知，大容积低压药室的压强大约是小容积低压药室压强的1．58倍；而根据仿真计算的结果，高压药室的压强大约是低压药室压强的6倍，两者差距较大。所以，高低压药室之间的压强差对破孔气体质量流量的影响较小，在本次实验中，低压药室容积对发射过载的影响较大。

在达到峰值之后，抛投式机器人的过载开始减低，并分别于15．8ms和19．3ms时离开筒口。

分别计算两条过载曲线的方差，小容积低压药室的过载曲线的方差较大，即平缓程度要差，两者的比值为2．28。发射过载与低压药室容积的关系如表3所示。

表3 发射过载与低压药室容积的关系

4 结论

通过对活塞式高低压发射系统的发射过载的实验研究，得出如下结论：采用活塞式高低压发射系统，可以满足微小机器人对发射初速和过载的要求；当破孔直径增大，抛投式机器人的过载曲线的斜率会增大，峰值时间会提前，峰值会增大；当低压药室容积增大，抛投式机器人的过载曲线斜率会降低，峰值时间延迟，峰值减小。

［1］ Rybski P E．Enlisting rangers and scouts for reconnaissance and surveillance［J］．Robotics ＆ Automation Magazine，IEEE，2000，7（4）：14－24．

［2］ 郑平泰，李爱丽．子母弹活塞式抛撒机构单燃烧室与双燃烧室内弹道仿真研究［J］．兵工学报，2001（03）：293－297．

［3］ Hao Xin，Wang Jianzhong，Shi Jiadong，et al．Modeling and simulation on the interior ballistics of piston high－low pressure launch device for micro－robot［C］．Proceedings of 2012International Conference on Modelling，Identification and Control，ICMIC，Wuhan China，2012：366－370．

［4］ 陶如意，孙继兵，黄明，等．高低压室平衡炮内弹道数值模拟及试验研究［J］．南京理工大学学报（自然科学版），2006（4）：478－481．

［5］ 黄蓓，王浩，陶如意．带导向管的子母弹活塞式抛撒弹道建模及数值仿真［J］．兵工学报，2009（12）：1584－1590．