舰载无人机弹射杆操纵系统设计与仿真

(成都飞机工业(集团)有限责任公司技术中心， 四川 成都 610092)

引言

无人舰载机是以航空母舰为基地的海上固定翼飞机，是航母的主要攻防武器，也是形成航母战斗群作战能力的基础和根本。舰载机能够迅速、可靠地起飞是保证航母战斗力的最主要技术条件之一。

无人舰载机的起飞技术主要有弹射起飞和滑跃起飞。弹射起飞是指用弹射器给舰载机施加外力，使其迅速增速而“弹射升空”；滑跃起飞是指先依靠自身动力在航母水平甲板上滑跑，后经航母舰首斜曲面甲板，使舰载机在离舰瞬间袴分速度，实现离舰起飞。弹射起飞与滑跃起飞相比，弹射起飞降低了对舰载机的要求，弹射起飞所需的跑道长度较短，弹射起飞可保证多架舰载机以较短时间间隔起飞作战，满足实战需求[1-2]。

飞行实践证明，弹射起飞方式安全、可靠，是大中型航空母舰的首选。舰载机弹射杆操纵系统是决定弹射起飞成功与否的关键因素之一[3-4]。

国内目前还没有成功应用的弹射舰载无人机，对弹射杆操纵系统的研究较少。本研究设计了一套舰载无人机弹射杆操纵系统；并对弹射杆收上、放下、与往复车挂接等进行了仿真分析[5-12]。

1 弹射杆操纵系统组成和工作原理

弹射杆操纵系统主要实现弹射杆的解锁、收上、放下、保持下压力、与往复车挂接等功能。

弹射杆操纵系统由泵源、开锁电磁阀、开锁作动器、驱动电磁阀、旋转作动器等组成，其中旋转作动器由液压马达、扭簧、减速机构、连杆机构组成。弹射杆操纵系统原理如图1所示。

图1 弹射杆操纵系统

飞控发送指令启动电动泵，电动泵从自增压油箱中吸油，输出高压油经供压油滤为系统提供液压压力。

放弹射杆时，需先将弹射杆解锁；飞控发送指令控制弹射杆开锁电磁阀通电，高压油通过电磁阀进入开锁作动器无杆腔，活塞杆伸出，实现弹射杆解锁。收到解锁信号后，飞控控制弹射杆驱动电磁阀通电，高压油驱动液压马达旋转，通过减速机构将速度降低、扭矩放大后，经连杆机构带动弹射杆放下，放下到位后高压压力使弹射杆保持一定下压力。

收弹射杆时，需将开锁电磁阀和驱动电磁阀断电，关断高压油路，液压马达两腔压力通回油、开锁作动器通回油，弹射杆在旋转作动器中扭簧的作用下收上，开锁作动器在弹簧的作用下复位，实现弹射杆上锁。

2 系统建模

2.1 泵源模型

泵源由电动泵组件、油箱、供压油滤、回油油滤、单向阀、蓄压器、安全阀等组成。

泵源模型如图2所示。

图2 泵源模型

2.2 弹射杆收放模型

弹射杆开锁电磁阀和驱动电磁阀均为二位三通电磁阀；开锁作动器的一腔通液压油，另一腔为弹簧；开锁作动器的负载用质量块模拟；旋转作动器集成液压马达、减速器、扭簧，其中液压马达的工作腔与电磁阀接通，另一腔直接通回油；弹射杆收放单元模型如图3所示，模型中限流孔模拟马达的内漏。

图3 弹射杆收放单元

弹射杆运动机构采用四连杆驱动，建模时将连杆简化为平面上的杆；弹射杆上往复车过程中，弹射杆触地端头会受到外力，用信号库模拟外力，给弹射杆施加载荷。弹射杆运动机构模型如图4所示。

图4 弹射杆运动机构模型

2.3 系统模型

将各元件模型按系统原理及物理关系连接，组成整个系统的模型，如图5所示。

3 仿真分析

3.1 仿真输入

仿真需输入弹射杆解锁指令、弹射杆放下指令、弹射杆收上指令、弹射杆受外载荷。

图5 弹射杆操纵系统模型

弹射杆放下触地后上往复车，此时弹射杆有一定下压力，往复车会施加给弹射杆一个反向力矩，曲线如图6所示。弹射杆上往复车过程中，反力矩逐渐增大，弹射杆与往复车挂接成功后，此时反力矩消失。

图6 弹射杆负载曲线

3.2 弹射杆操纵仿真

弹射杆初始位置为收上位置,通过控制电磁阀通断，T1时开锁电磁阀通电，弹射杆解锁；T2时收放电磁阀通电，弹射杆放下；T3时开锁电磁阀和收放电磁阀同时断电，弹射杆收上，对弹射杆进行收放仿真分析。弹射杆运动角度(收上位置角度为0°)曲线如图7所示，液压马达两腔压力曲线如图8所示，电动泵输出压力曲线如图9所示，电动泵输出流量曲线如图10所示。

分析图7～图10可知：

(1) 弹射杆放下和收上过程运动平稳。放下时间3 s，上往复车时，弹射杆反转一定角度，越过往复车后弹射杆继续放下；弹射杆收上时间3 s；

(2) 弹射杆放下过程中马达两腔压力为4.3 MPa，低压腔约1 MPa；弹射杆上往复车过程中，马达反转，高压腔压力略微上升；电磁阀断电收弹射杆时，马达两腔均通回油，压力下降至0.5 MPa；

图7 弹射杆运动角度曲线

图8 液压马达两腔压力曲线

图9 电动泵输出压力曲线

图10 电动泵输出流量曲线

(3) 0～1 s电动泵向蓄压器充压，弹射杆放下过程中，泵源压力下降至6 MPa，因马达内漏较大，弹射杆放下到位后，内漏导致泵源压力稳定在6 MPa；弹射杆收上后，泵源压力稳定在额定压力；

(4) 弹射杆放下过程中，蓄压器向系统补充流量，放下到位后，因马达内漏影响，泵源持续输出一定流量；收弹射杆后，电磁阀断电，马达内漏不影响，泵源输出流量为0。

仿真结果表明弹射杆操纵系统功能、性能满足要求；弹射杆收放过程稳定、平稳；液压马达内漏影响系统泵源建压，内漏在一定范围内不影响系统功能和性能，但会造成系统无效功率增大；内漏若超过一定值，系统压力较低，影响弹射杆放下到位和放下时间。

4 结论

本研究设计了一套舰载无人机弹射杆操纵系统，基于AMESim仿真平台建立了系统仿真模型，考虑了关键元件内漏等因素，对系统功能、性能进行了仿真，提出了执行机构内漏对系统的影响，仿真表明系统设计合理、功能性能满足要求。