某型导弹发射装置参数化设计研究

杜永峰 陈文会 王旭鹏

摘要：建立某型内埋式双作动筒弹射发射装置零件、部级及产品级数据库和信息库，缩短导弹发射装置设计周期，提升设计效率。基于SolidWorks和Visual Studio软件平台进行参数化设计系统开发，借助Access建立三维模型数据库，并以气动模块、压紧装置为例对系统有效性进行设计验证。建立了某型发射装置三维模型数据库，开发了参数化设计系统。研究成果对于缩短机载导弹发射装置研发周期，提升其通用化、系列化、模块化及参数化设计效率具有一定的借鉴意义。

关键词：导弹发射装置模块化设计参数化设计SolidWorks二次开发

中图分类号：TB472文獻标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）09-0022-04

Abstract：To shorten the design cycle and improve the design efficiency，the database and information base of parts，ministerial and product level of a missile launcher should be established. The parametric design system is developed with the help of SolidWorks and Visual Studio software platform. The corresponding three-dimensional model database is established based on ACCESS，and the effectiveness of the system is designed and verified by pneumatic module and pressing device. The 3D model database of a certain launcher is established，and the parametric design system is developed. The research results have certain reference significance for shortening the development cycle of airborne missile launcher and improving the efficiency of its generalization，serialization，modularization and parametric design.

Keywords： Missile launcheModular designParametric design SolidWorks Secondary development

引言

机载导弹发射装置主要任务是载运与发射导弹[1]，是机载武器系统重要组成部分。导弹发射装置设计性能直接影响导弹能否发射成功，发射姿态、精度是否满足安全分离要求，以及对载机是否安全等。

导弹发射时的初始参数（分离速度、俯仰角速度及姿态）对导弹的安全发射起到极其重要的作用[2]，关系到载机安全，特别是在超音速、大机动和隐身特性条件下进行机载发射[3]。与欧美、俄罗斯等国家相比，我国的发射装置研究起步较晚，存在通用化程度低、发射装置类型单一、发射装置轻量化程度低、烧蚀问题以及弹射能源等相关问题[4]。

随着武器装备的发展，发射装置研发逐渐呈现出如下需求：（1）小型化、高度集成及大承载能力;（2）自动化、少维护甚至免维护、大行程弹射、外形隐身、结构保形;（3）复式挂载、高密度挂载和多功能组合;（4）安全分离，且满足发射精度;（5）通用化、模块化、智能化;（6）弹射能源自主补充。

伴随着上述研究趋势，发射装置模块化、参数化设计及系统设计开发逐渐成为了武器装备领域的研究热点，组合式和模块化发射装置因其具有很大的战术机动性和使用灵活性，具有广阔的发展前景。

一、开发环境及关键技术

（一）参数化和模块化设计

参数化[5-6]是指将设计要求、设计原则、设计方法以及设计结果用参数表示，通过改变零件某一部分几何尺寸，或修改已确定的零件关键参数，其余相关部分在参数驱动下可随之自动改变。整个过程设计师只需确定零件主要轮廓，通过尺寸限定最终形状，或定义关键零部件尺寸，即可通过参数修改实现产品设计，实现人机交互灵活更改。

Alexander最早讨论了模块化思想，Baldwin将模块化定义为具有互换性零件的集合[7-8]。经过不断的发展演变，模块化设计逐渐形成以下三大特点：（1）相对独立性：对各功能模块分别设计、加工制造、运行调试、功能优化和测试存储，有利于多企业分工合作生产;（2）互换性：模块间接口的结构尺寸采用标准化参数，有利于模块的批量化生产，满足不同产品的需求;（3）通用性：可实现跨系列产品间的模块通用[9-11]。

（二）开发环境

开发平台基于成熟的商用软件SolidWorks，该软件具有易用性、创新性的特点，用户可使用其应用程序接口（API）将一些冗长的设计工作转为自动化设计。API支持Visual Basics Visual C++、Access或任何支持OLE的程序语言进行二次开发，建立适合用户需要的、专用的SolidWorks功能模块[12]。

开发软件采用Visual Basic（简称VB），该软件为用户提供了友好的集成开发环境：具有可视化的设计平台、事件驱动的编程机制、结构化的程序设计语言、强大的数据库功能、ActiveX技术、网络功能;还具有操作简洁，程序开发周期短、界面设计合理等优点。

数据库借助Access软件，可独立开发数据库应用系统，也可作为后台数据库与VB等高级语言结合使用。

（三）参数化设计方法

参数化设计方法有两种[13]：尺寸驱动法、程序驱动法。尺寸驱动法不需要建立模型库，在创建模型过程中需要编写程序代码，灵活性强，但要求高水平的编程工作人员编写大量程序，并且在参数化过程中运行速度较慢;第二种程序驱动法，需建立零件模型库，在模型库中选取调用所需模型，对特定尺寸进行修改，即可建立新的模型。这种方法程序编写工作量小且运行速度快，但灵活性差，适用于变动参数少、模型结构复杂的情况。本研究采用尺寸驱动法对导弹发射装置进行参数化设计。

二、发射装置结构组成与工作原理

（一）结构组成

根据导弹发射方式，可将发射装置分为（1）导轨式发射装置、（2）弹射式发射装置、（3）投放式发射装置。导轨式发射装置可在导弹发射离轨时赋予导弹一定的初速度和限定的初始航向，确保载机安全和导弹发射的参数要求;为避免导弹发射时的尾喷流引起载机发动机熄火停车，弹射式发射装置应运而生，这种发射装置适用于“半埋”或“内埋”式挂载的导弹，可确保导弹离机后能迅速摆脱载机干扰流场的影响，具有装填密度高、成本低，导弹发射时气动干扰小，对载机飞行性能影响小等多个优点。

图1所示为某内埋式导弹弹射发射装置组成示意图，图2所示为内埋式导弹发射装置的整体结构图。根据结构功能可将其划分为如下主要的五个部分：（1）壳体、（2）气动模块、（3）解锁连杆系统、（4）作动筒、（5）导弹压紧机构。

其中，壳体用于安装解锁连杆组件、保险组件、双作动筒及气动模块等;气动模块由气阀模块、气瓶及管路组成，用于在导弹弹射过程中提供动力源;解锁连杆组件由解锁连杆、止动器、止动挂钩、挡销、止动臂和保险组成;作动筒由作动筒壳体、一级作动筒、二级作动筒、活塞杆及端盖等组成，用于弹射发射时将导弹推至分离位置;;导弹压紧机构由压紧块、压簧、螺栓和螺母组成，导弹挂装时，导弹压紧机构压紧弹体，消除导弹沿垂向和航向间隙，防止运载过程振动与碰撞。

（二）工作原理

如图3所示，机载导弹发射装置工作原理如下：当导弹发射装置接收载机发射指令后，保险打开，止动挂钩转动与吊耳分离，气动模块启动，气瓶中高压气体通过管道进入作动筒，推动导弹以特定的分离速度运行至预定位置，导弹与压紧机构分离，导弹发射。

三、发射装置参数化设计开发

（一）设计流程

参数化技术的运用可避免模型库中存储大量结构相同、尺寸不同的构件[14]，节省存储空间，提升设计效率。为了实现本研究中导弹发射装置零部件结构的标准化和系列化设计，需要制订相应的参数化设计流程。图4所示为本文详细的参数化设计流程。首先，根据导弹挂距、挂装方式、发射装置外形尺寸（高度、长度以及宽度），可初步确定部分标准元件的尺寸，快速完成部分零件结构设计;随后，进入发射装置详细设计阶段，利用参数化、模块化技术，完成发射装置各个零部件的详细设计，得到发射装置的零件图和装配图。

（二）设计输入

导弹弹射发射装置挂装方式有舱内和舱外两种，本文所研究的对象为舱内内埋式导弹发射装置，具有发射安全性高、隐身性能好等优点。

常用弹射发射装置驱动系统布置方案可分为2类，对应载荷特性可分为：a.作动筒水平布置，作用在负载上的载荷与行程关系呈三角形分布;b.作动筒垂直布置，作用在负载上的载荷与行程关系呈梯形分布。

本文中内埋舱高度和宽度分别用H舱和D舱表示，弹射行程为3×155mm，导弹挂距为355.6mm，选用标准吊耳式挂装方式。确定导弹挂距后，可根据气动模块、解锁连杆组件、保险组件之间的位置关系，结合弹射发射分离速度、角速度、分离行程等参数初步确定作动筒的位置及行程。

其中，导弹弹射发射时分离参数如下，投放速度：V1m/s～V2m/s;速度方向：&°（空间锥角，垂直机体向下为&°）;投放角速度：-θ°/s;弹射行程：>Lmm;弹射过程极限过载：

（三）设计开发

以某型内埋式导弹发射装置为例，分别从系统级、部件级、零件级三个层面，介绍其模块化和参数化设计开发过程。需要说明的是：导弹发射过程中，作动筒内高压气体压力建立过程情况比较复杂，難以建立完全真实的数学模型对其进行数值模拟，并用来指导设计。因此，下文中通过合理假设，建立近似的等效模型进行分析计算。

1.系统级

弹射发射过程中，随着导弹垂直运动，作动筒工作腔体积不断增大。为简化计算，假设在整个发射过程中，系统与外界无能量交换及气体泄漏等情况;高压气体在管道内的流动为一维，其成分以及物理化学性质固定不变;气动模块与作动筒工作腔内高压气体温度不发生变化，为一常量;同时，不考虑气动模块与作动筒中的气体分布，假定压强处处相等;且气瓶和作动筒内的高压气体按照理想气体计算，可得到气动模块与作动筒运动过程中的高压气体数学模型如下：

（1）

其中，P1为某时刻气动模块中气体的压强;T为气体温度;R为气体热力学常数;V1为气瓶中气体初始总体积;mt1为时间内气动模块中气体的流出量;■a为气体生成速率;■t1为气动模块冲出气体的速率。

将作动筒半径设置为一个均值R作动筒，可得出某时刻内作动筒中的压强p为：

（2）

其中，V2为作动筒初始状态下的体积;Hmax为作动筒的最大行程;V管道为管道的体积。

导弹发射的过程中，作动筒的体积逐渐变大，可得：

V作动筒=π·R2·H（3）

V作动筒=n·（R12·H2+R22·H3+R32·H4）（4）

其中，V作动筒为作动筒的体积;V管道为管道的体积;H为作动筒行程;H2、H3、H4为作动筒参数，其如图5所示。

根据设计要求，导弹在发射时间t1时，达到分离速度v，可得发射过程等效加速度■，从而得到作动筒压强p为：

（5）

（6）

导弹发射过程中，根据动能定理以及压强公式，在满足设计输入的参数中取一组参数：投放速度v、导弹质量m、导弹弹射行程H，可得：

F·H=1/（2mv2）（7）

F=p·S（8）

S=π·R作动筒2（9）

其中，S为作动筒截面面积。

由以上数学模型可得出作动筒半径为：

（10）

将以上数据作为设计输入，可计算出作动筒的平均直径;考虑到

弹射过程过载要求，且因弹射行程为L1，舱内高度为H舱，所以选定三级作动筒，得到作动筒结构图如图5所示：

图6所示为系统设计输入参数界面，左侧为输入参数，右侧为结构简图;图7为对应的设计输出界面。

用户参考结构简图，输入发射装置宽度、长度、高度，以及导弹的挂距、重量、弹射行程和分离速度等相关设计参数，即可获得设计输出参数。如图7所示，可得到发射装置作动筒的级数、半径以及气瓶体积的初步参数。

2.部件级

将装配关系引入参数化设计中来，可以解决复杂的发射装置中某个零件无法定位的问题，同时可以进行部件的整体参数化设计。发射装置装配模型的结构为树状分级装配结构，各子装配模型由下一级子装配模型及零件组成，依此类推直到最后一级装配。以关键部件- 压紧装置中的压紧块为例，图8（a）所示为压紧块的尺寸简图：螺栓孔直径为D，长度为L1、L2，高度为;倾斜度为θ;图8（b）为压紧装置的半剖视图，图8（c）为压紧装置的正视图，图9为压紧装置参数化设计界面。

3.零件级

图10所示为关键零部件-气动模块，以气动模块中气瓶为例，对其进行参数化设计，图11所示为其示意图。

气瓶作为弹射发射过程动力源，其压强直接决定作动筒的推力，进而影响导弹发射过程分离速度。气瓶的体积主要由半径R和直线段l两个参数决定，则气瓶体积V1可表示为：

（11）

图12所示为瓶系列化设计开发图，在Solidworks软件中气瓶模型系列化设计具体过程可分为三步：（1）运用SolidWorks系列零件设计表功能，先建立关键零部件模型，打开特征尺寸，对特征尺寸及名称进行修改;（2）再插入气瓶尺寸参数设计表格，选择自动生成，选择该零件需要变化的尺寸，对尺寸单元格进行相关设置，按不同的零件规格编辑尺寸;（3）编辑完成后点击空白处，按提示框确定生成不同规格的零件。通过以上步骤，在配置里可生成几种不同规格的零件，根据设计需求选择相应的零件。

采用程序驱动法，调用SolidWorks API的方法或属性完成3D模型的参数设计。利用SolidWorks中的宏命令录制代码程序，通过录制宏可记录建模过程中SolidWorks内部调用的各条程序代码，然后将代码复制到二次开发程序中，调试完成即可完成参数化建模。具体实现过程如下：

运用宏工具条上的“打开宏”命令，打开所录制的宏，进入宏编辑窗口，进行零件建模，建模完成后，单击停止按钮进行宏文件的保存。

打开录制宏的源代码，将宏复制到VB编程环境中;用程序变量代替宏代码中对应的常数，并查找相关API函数，修改宏。

双击参数化设计界面上的“生成模型”，进入程序编辑界面，将修改后的宏复制粘贴到编辑界面，并进行程序调试、试运行，直至得到所需模型。

发射装置零件库是发射装置参数化、系列化设计的基础，可分为固定参数建模和关键参数建模两种。固定参数零部件建模是指可直接调用装配的零件，关键零部件建模是指需要改变尺寸参数及其特征，对零部件模型更新后才能使用[15]。

图13所示为模型库部分零件图示例。

结论

武器装备自动化设计开发是目前各国研究热点，文章中在对某型内埋式双作动筒弹射式发射装置功能结构进行模块划分、工作原理阐述的基础上，建立了各结构之间的关系模型;进而运用SolidWorks、VB及Access软件，分别进行了系统级、部件级及零件级的通用化、系列化、模块化设计，构建了某型内埋式双作动筒弹射式发射装置模型库;并以气动模块和压紧装置为例，对系统的有效性进行了验证。本文提出的模块化、系列化设计方法，可为解决我国导弹发射装置通用化程度低、发射装置类型单一等问题提供借鉴;同时，可有效地缩短发射装置的研发周期，提升设计效率，也为同类型产品设计提供参考。

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