重载负荷下的燃气作动筒内弹道推力特性研究*

吴宪举，吴 豪，余威格，詹京松

(台州学院航空工程学院， 浙江台州 318000)

0 引言

作动筒作为一种直线往复运动的执行元件，可分为液压式和气压式，广泛应用于各行各业中，如用于导弹的弹射系统及民用客机的应急起落架系统[1-2]。燃气式作动筒是采用火药作为动力源的驱动装置，具有很高的能量密度，主要用于完成各种机构的展开和载荷释放[3]。它具有输入能量小、响应速度快、可靠性高等优点[4]，大量应用在导弹、卫星和火箭的弹翼展开及其发射过程中。由于燃气系统中多个物理过程相互交织，多种载荷共同作用，计算其内弹道解析解有很大难度[5]，国内外专家学者大多采用计算机手段来得到其数值解。姚小宁、屠小昌等对某弹翼展开机构中的燃气作动筒建立了内弹道模型，采用的是不带高压的作动筒结构类型[6]；谢建对高压室-作动筒结构进行分析，得到了壅塞流动条件下的内弹道模型[7]；谭大成对高压室-作动筒式内弹道特性进行了详细分析，并建立了非壅塞条件下的内弹道模型[8]；张石玉采用Cook高压气体状态方程计算作动筒内弹道性能,并耦合运动几何关系求解弹翼展开行程[9-10]；李海军、游坤、税朗泵、郭姣姣对高压冷气式作动筒内弹道特性进行了数值模拟计算[11-13]。

文中以某军工项目为研究背景，采用高压室燃气作动筒结构方案，建立其内弹道模型，对燃气作动筒加载一系列的负载进行推力特性的定性定量研究，得出了燃气作动筒推力及内弹道特性的一般规律，为作动筒的工程应用提供了借鉴。

1 燃气作动筒结构及工作原理

燃气作动筒结构可分为两种:一种是作动筒结构，原理是将火药放置在作动筒内直接燃烧产生高压燃气，活塞在燃气作用下推动负载做功；另一种是带高压室喷管式作动筒结构，其原理是将火药放置在高压室内燃烧生成高压燃气，燃气流经喷管进入作动筒内进而推动活塞做功。前者结构简单紧凑，内弹道计算方便，多用于推力不大的场合。缺点是由于火药燃速与环境压强高度耦合，压强不仅与火药气体生成量呈正相关，还与活塞的移动速度呈负相关。一旦活塞移动速度过快，必然使得压力下降过快甚至低于临界压力，就会造成火药自身燃速不稳定甚至是熄灭。后者采用高压室喷管作动筒式结构方案，主药柱在高压室内燃烧，高压室建立起的稳定压强保证了药柱的稳态燃烧，从而提高了药柱的燃烧稳定性。

选取高压室喷管式燃气作动筒为动力系统，用于推动滑轨上的负载，进而对其推力特性进行定性定量分析，其结构如图1所示。主要由点火药1、主装药2、端盖3、高压室本体4、作动筒本体5、密封橡胶圈6、活塞本体7、活塞杆8、负载9和滑轨10组成。

图1 高压室燃气作动筒推动负载示意图

高压室本质上是一个以火药燃气为动力源的半密闭燃烧室，燃气压强的变化规律直接影响到流入作动筒的燃气量，从而影响作动筒内的燃气压强变化规律，最终影响其负载的运动规律。当作动筒压强与高压室压强之比p2/p1小于临界压强比时，其喷管流动特性不受作动筒内压强影响，燃气流在喉部保持声速流动；当作动筒压强与高压室压强之比增大达到临界压强比时，喷管喉部的燃气流p2/p1会出现亚音速流动现象。在亚临界状态下，由于作动筒压强相对较高，使得高压室燃气流量不仅受高压室压强大小的影响，还受低压室压强大小的影响。因此在此状态下，高压室压强会受到作动筒压强大小的影响。

该系统的工作原理是：点火药点火，引燃主装药，主装药在高压室内按照燃烧规律进行平行层端面燃烧，产生高压燃气通过喷管流入作动筒内，作动筒压力升高，活塞在高温高压的燃气作用下推动负载向右滑动。对于高压室来说，一方面主药柱的燃烧产生的高压燃气使得高压室的压强不断升高，同时喷管又将高压燃气排出高压室，当二者达到平衡时，高压室内压强相对稳定，此时药柱燃烧也相对稳定。对于作动筒内压强来说，一方面由于喷管流进的高压燃气使得其内压强升高；另一方面由于活塞向右运动使得作动筒内自由容积增大间接导致压强降低。当二者在某时刻达到平衡时，作动筒内压强不再升高，而是逐渐降低。当活塞运动到行程极限位置时，推杆会与负载分离，负载做自由滑行运动，作动筒内的压强在泄压口的作用下与大气压相等，高压室内压强会在药柱燃烧完毕后逐渐减至大气压。

2 数学模型的建立

高压室燃气作动筒工作比较复杂，很难建立完全真实的物理模型和数学模型，即使建立较准确的模型而解算也需要作合理假设。

2.1 建立高压室燃气作动筒内弹道模型假设条件

1)不考虑高压室及作动筒内的压强分布，即高压室内的压强处处相等，作动筒内的压强处处相等；高压室及作动筒内的燃气按理想气体处理。

2)燃气在喷管内的流动为一维、准定常、等熵的；燃气的成分、物理化学性质认为固定不变。

3)整个系统与外界无能量交换,无燃气泄漏。

4)高压室与作动筒内燃气温度不随时间变化，即为常量。

2.2 数学模型的建立

高压室本质上就是半密闭的火药燃烧室，有两个特点：一是高压室容积不变；二是有气体流出现象。作动筒内压强较低,又称为低压室。随着负载的运动，低压室容积不断扩大。为简化计算，忽略温度的变化，得到高压室及作动筒内弹道数学模型如下：

3 Simulink数值仿真

利用Matlab中Simulink模块搭建内弹道仿真程序。作动筒直径选用0.2 m，高压室直径为0.2 m，喷管喉部直径为0.018 m，喷管出口直径为0.04 m，活塞行程lm为1 m，主药柱采用双基药柱双钴-2，药量为0.91 kg，端面燃烧，燃速符合指数燃速规律，其中a=0.003，压力系数p=0.2，次要功系数φ=1，负载选用480 kg，640 kg，800 kg，960 kg，1 120 kg，1 280 kg，1 440 kg，1 600 kg。活塞杆推动负载做无摩擦平行移动，仿真结果如图2～图7所示。

图2 高压室压强随时间变化曲线

图3 作动筒压强随时间变化曲线

图4 推力随时间变化曲线

图5 负载加速度随时间变化曲线

图6 负载速度随时间变化曲线

图7 负载位移随时间变化曲线

data1～data8表示的曲线依次为480 kg，640 kg，800 kg，960 kg，1 120kg，1 280 kg，1 440 kg，1 600 kg的负载。从图2可以看出：尽管负载质量由480 kg增加到1 600 kg，高压室内的工作压强曲线几乎不发生变化。唯一区别在于燃烧结束后的拖尾段有所不同，这是由于负载与作动筒分离的时间有所差异造成的。从图3可以看出：随着负载质量的增加，作动筒内的压强也逐渐增加，压强峰值由7.05 MPa增大到11.2 MPa，但总体走势具有一致性。另外作动筒的工作时间也逐渐延长，从0.22 s延长到0.33 s左右。这是因为随着负载质量的增大，活塞推动负载完成整个行程的时间也随之增加的结果。图4与图3具有类似性，随着负载质量的增大，活塞的推力增大(推力峰值由2.22×105N增加到3.52×105N)且作用时间也随之增大。图5为负载加速度随时间变化曲线，可以看出：随着负载质量的增大，负载加速度逐渐减小，其加速度峰值由461 m/s2降低到220 m/s2。图6为负载速度随时间变化曲线，可以看出：随着负载质量的增大，负载离开推杆的瞬时速度逐渐减小，由28.4 m/s降低到19.5 m/s。图7为负载位移随时间变化曲线，可以看出：随着负载质量的增大，其位移曲线呈越来越平缓趋势，说明在某一时刻下其位移随质量增大而逐渐减少。

4 结论

通过对燃气作动筒进行理论研究，基于高压室燃气作动筒推动无摩擦负载的结构设计方案，建立了内弹道模型，运用Matlab内置模块Simulink进行内弹道程序编制，以负载为设计变量，得到了不同负载条件下的内弹道参数和推力的数值解，通过对仿真结果分析，得到了燃气作动筒的内弹道参数和推力的一般规律。为高压室喷管式结构的燃气作动筒的工程应用提供了借鉴。