基于EHA的机载导弹弹簧蓄能弹射可行性分析

李海军，王殿宇，陈玉良

(海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台　264001)



基于EHA的机载导弹弹簧蓄能弹射可行性分析

李海军，王殿宇，陈玉良

(海军航空工程学院 兵器科学与技术系，山东 烟台264001)

摘要：针对目前广泛应用的“热”弹射和“冷”弹射两种弹射动力源的不足，提出了一种利用EHA压缩弹簧蓄能作为弹射动力源的新型冷弹装置，此方案既不会对零部件造成烧蚀污染，也可以保证压缩蓄能的快速性，同时可自主提供弹射能源，缩短飞机准备时间。运用动力学以及材料力学理论对弹簧蓄能的可行性进行了分析，结果表明，利用弹簧蓄能压缩弹射是合理可行的。

关键词：机载导弹；EHA；弹簧蓄能；弹射；可行性分析

目前我国的弹射式发射装置中，“热”弹射大多采用抛放弹燃烧产生的高压气体作为动力源，“冷”弹射通常采用高压氮气作为动力源，这两种弹射方式均存在不同的优缺点：

1) “热”弹射：采用电火花引爆火药，瞬间将火药燃气转化为推动导弹运动的动能，具有能量大、体积小、设备结构简单等优点[1]。虽然目前此种弹射装置被广泛应用，但是其缺点也很明显，主要表现在：① 污染环境，产生气体高温高压易烧蚀机件；② 每次发射后需对挂钩等部件清洗擦拭；③ 日常维护危险性高。

2) “冷”弹射：利用储存在气瓶中的高压惰性气体或空气作为弹射能源，其优点是对发射装置无污染、腐蚀，可以连续使用，也可以重新充气[1]。其动力源一般采用高压氮气。其缺点为：① 高压气瓶体积大、质量大(如DF-4高压气瓶+摇臂大约150 kg)；② 充放气时间长，导弹挂架机务准备时间太长。

电静液作动器(Electro-Hydrostatic Actuator， EHA)是一种将机械、电子、液压3种技术集成一体的功率电传装置。它克服了传统液压系统泄漏高、噪音大、效率较低等缺点，利用电缆代替液压传递功率，不再需要沉重的液压能源系统以及复杂的液压管路。将EHA应用于机载领域，不但可以有效地减轻载机的负重、节约成本，还能提高功率传递的效率，使载机具有更强的生存能力和作战性能，并且有助于减轻地面人员的维护和保养负担。故本研究采用EHA作为弹簧的压缩蓄能以及弹射杆回收的动力源。

1总体设计方案

针对目前广泛应用的两种弹射动力源的不足，提出一种利用EHA压缩弹簧蓄能作为弹射动力源的新型冷弹装置，此方案既不会对零部件造成烧蚀污染，也可以保证压缩蓄能的快速性，同时可自主提供弹射能源，缩短飞机准备时间，克服了当前两种广泛采用的弹射能源的主要缺点。

总体方案设计示意图如图1。

图1　总体设计方案示意图

弹射装置的工作流程如下：

1) 飞行员根据作战态势，投放前发出蓄能指令；

2) EHA作动器工作，压缩弹簧蓄能，当弹簧压缩至预定位置时，相应微动开关闭合，蓄能停止，液压缸保持压力；

3) 发出弹射投放指令；

4) 电磁开锁机构产生开锁力，使挂钩组件开锁的同时，通过同步解锁机构打开弹射机构闭锁装置；

5) 弹射止动器的弹射杆在弹簧力作用下推动导弹向下推出，导弹被投放；

6) 弹射行程终了时，EHA作动器换向工作，将弹射杆回收复位。

2弹簧蓄能可行性分析

根据我国军标GJB1400—92号《机载导弹弹射式发射装置通用设计准则》中的弹射分离技术要求：为保证导弹与载机安全分离，弹射行程的终点速度，即悬挂物与弹射装置分离的速度应控制在在4.8～9 m/s之间。

利用弹簧蓄能弹射能否达到我国军标所要求的分离速度，选取合适的弹簧是关键，因此必须选定弹簧尺寸参数。由动能定理可得

(1)

其中：m为悬挂物质量；v为弹射行程终点悬挂物速度；k为弹簧刚度系数；x为弹簧压缩量；W为其余作用力所做功，包括弹簧阻尼损耗及气动力所做功。

在不考虑W的情况下，得到v与k的关系式

(2)

参考GDJ-Ⅲ7型弹射发射装置的结构尺寸，将弹射杆长度L暂定为300 mm，压缩量x暂定为150 mm，重力加速度g为9.8 m/s。将m,x代入式(2)，并编写Matlab程序，得到如图2所示分离速度v与弹簧刚度系数k的函数关系曲线，其中v的单位是m/s，k的单位是N/m。根据分离速度要求范围，截取曲线部分点可得表1所示数据。

图2　悬挂物分离速度-弹簧刚度系数曲线

序号k/(N·m-1)v/(m·s-1)序号k/(N·m-1)v/(m·s-1)1440004.798681140007.36482540005.219291240007.66423640005.6338101340007.95244740006.0200111440008.23045840006.3828121540008.49946940006.7261131640008.760171040007.0527141740009.0133

从表1可以观察到，当弹簧刚度系数k取值在44 000～174 000 N/m时，弹射分离速度可以达到4.8 m/s到9 m/s。

又知弹簧刚度系数公式

(3)

其中：G为弹簧材料切变模量；n为弹簧有效圈数；D为弹簧直径；d为弹簧线径。

这里选取目前被广泛应用的60Si2Mn弹簧钢作为弹簧材料，经450℃回火处理后其切变模量可达到83 160 MPa，高强度、耐热腐蚀。查阅弹簧手册可知长度为300 mm，线粗为8 mm的弹簧通常总圈数n0为16圈，有效圈数n可取14。参考GDJ-Ⅲ7型弹射发射装置弹射杆直径，暂定弹簧直径D为60 mm。代入已知量，同样，编写Matlab程序，计算得到弹簧刚度系数k与弹簧线径的函数关系曲线如图3。

图3　弹簧刚度系数-弹簧线径曲线

根据计算分析，选取弹簧线径d=8 mm，代入式(3)可得k≈140.8 N/mm，k在取值范围之内。由分离速度与弹簧刚度系数曲线可得v≈7.96 m/s，所需预加压缩力为F=kx=21 120 N。此时弹簧可压缩量Δx=l-n0×d=172 mm，故工作时可以达到预定的150 mm压缩量。

选取了弹簧尺寸之后，必须对弹簧的强度进行验证，分析在受到预加压缩力的情况下，弹簧的强度是否能满足要求。

如图4所示当弹簧受到来自竖直方向上的压缩力时，弹簧线径方向上的任意剖面都受到：

扭矩T=FRcosα；

弯矩M=FRsinα；

切向力FQ=Fcosα；

法向力NF=Fsinα。

图4　弹簧受力分析

在α取值较小(压缩弹簧在6～9°)的情况下，可忽略弯矩M和法向力N。所以，扭矩T和切向力Q为剖面上实际起作用的力。α的值较小时，cosα≈1。可取T=FR，Q=F。简化之后所得结果与实际相比差距很小。故此时弹簧所受剪切应力为

(4)

其中WT为弹簧扭转截面系数。代入已知数据可得τ≈588.52 MPa。

查阅机械设计手册可知，若采用经过450℃回火处理后的60Si2Mn作为材料，当压缩弹簧所受变载荷作用次数在1 000～100 000时，许用切应力[τ]可以达到720 MPa，故τ<[τ]，因此弹簧在受到所设预加载荷时，可以满足强度要求。

故压缩弹簧蓄能弹射是合理可行的。初始弹簧尺寸参数如表2所示。

表2　弹簧初始设计参数

3结论

本研究在分析现有机载导弹弹射装置动力源不足的基础上，提出一种利用EHA作为动力源，压缩弹簧进行蓄能的新型弹射装置。首先提出了弹射装置的总体设计方案，然后根据设计需求，运用动力学理论计算出所需弹簧的刚度系数范围，参考现有弹射装置尺寸确定弹簧初始设计尺寸，最后利用材料力学理论对所选取的弹簧进行强度分析，验证了所选弹簧可以达到强度要求，进而论证了利用压缩弹簧进行蓄能弹射的可行性，为进一步的研究工作打下了基础。

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(责任编辑周江川)

本文引用格式：李海军，王殿宇，陈玉良.基于EHA的机载导弹弹簧蓄能弹射可行性分析[J].兵器装备工程学报，2016(4):5-7.

Citation format:LI Hai-jun，WANG Dian-yu，CHEN Yu-liang.Design Analysis and Research of a New Type of Aircraft Missile Launcher Lock Mechanism[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):5-7.

Design Analysis and Research of a New Type of Aircraft Missile Launcher Lock Mechanism

LI Hai-jun，WANG Dian-yu，CHEN Yu-liang

(Department of Armament Science and Technology,Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Abstract:Aiming at the shortage of the two kinds of ejection power source of “hot” and “cold”, this paper put forward a new type of cold elastic device which can be used as the power source for the ejection of EHA. This scheme can not only cause the pollution of the components, but also can guarantee the fast of the compressed energy storage. At the same time, it can provide the catapult energy independently and shorten the preparation time.The feasibility of the spring energy storage was analyzed by using dynamics and material mechanics theory. The results show that it is reasonable and feasible to use the spring energy storage to compress the ejection.

Key words:airborne missile; EHA; spring energy storage; eject; feasibility analysis

文章编号：1006-0707(2016)04-0005-04

中图分类号：TJ768；TH122

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.002

作者简介：李海军(1966—)，男，博士，教授，主要从事航空导弹测试与故障诊断研究。

收稿日期：2015-11-07；修回日期：2015-11-30

【装备理论与装备技术】