机载武器弹射投放系统气-刚-柔耦合分析及试验研究

高庆 常汉江 孙学麒 蔡毅鹏 周晓和 卢鑫

机载武器弹射投放系统气-刚-柔耦合分析及试验研究

高庆 常汉江 孙学麒 蔡毅鹏 周晓和 卢鑫

（中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

本文建立了某气动弹射装置与机载武器弹射分离过程的气-刚-柔多场耦合系统分析模型，涵盖了弹射装置的气体运动、机载武器的刚体运动以及弹性运动等多种因素，并获得典型地面联合弹射投放试验的验证，分析确定了机载武器弹性的影响，可支撑机载武器及其弹射投放系统的设计。

弹射投放；气动-刚性-柔性耦合动力学；动态响应

0 引言

在现代飞机/导弹武器系统研制过程中，机载武器发射是一项重要的研究内容和关键环节，发射方式主要包括投放式、导轨式与弹射式等，采用投放式发射的主要是重型空地导弹，其他导弹大多数是采用导轨式或弹射式发射。弹射式发射装置（ERU）[1]出现于20世纪60年代后期，可使得机载武器按照预定的速度和角速度迅速离机，脱离载机干扰，并避免武器发射喷流引起载机发动机熄火停车，并保证载机的低阻和隐身特性。目前美国、俄罗斯等飞机上已装备了多种弹射发射装置和相应的空地、空舰等机载武器。

弹射发射方式为载机提供了良好条件的同时，也产生一定的副作用，例如弹射反作用力不应影响载机和导弹的飞行姿态稳定性、不能超过被弹射导弹所能承受的最大横向过载、弹射分离速度应保证机弹安全分离、弹射后导弹延迟点火等[2]。例如美国F-22A采用的LAU-142/A弹射发射装置，发射AIM-120C时，能在0.11s时间及0.23m行程内，得到7.62m/s的离机速度，期间的过载高达40g。因此弹射作用力可能与机载武器产生动态耦合，导致武器本体产生显著的动态响应，使得弹射过程成为机载武器的载荷和强度设计工况。

Piersol[3]详细研究了“鱼叉”AMG-84A导弹（Harpoon）弹射投放过程中的动态响应，分析了发射装置、弹架间隙、机载武器结构等因素的影响；美军标MIL-HDBK-1670[4]和北约标准AECTP-200[5]等，简要描述了弹射投放过程加速度、冲击等动态参数。而国内也开展了各种弹射投放装置/系统的仿真、分析研究工作[6]，但主要侧重于离架速度、姿态等分离安全性问题，高慧杰[7]、艾森[8]等研究了弹射力测量技术以及弹射过程机翼的动态响应，张士卫[9]、王许可[10]等研究了弹射装置结构刚度的影响，落䶮寿[11]、唐霄汉[12]等将运载火箭整流罩分离过程视作典型弹性运动和刚体运动复合的挠性多体动力学系统，分析和试验表明整流罩弹性的影响不可忽略。但少见弹射装置（气体运动）和机载武器（刚体运动+弹性运动）分离过程的全系统耦合建模方面的研究。

本文建立了某气动弹射装置与机载武器弹射分离过程的全系统耦合模型，考虑弹射装置的气体运动、机载武器的刚体运动以及弹性运动，研究分析了机载武器弹性的影响，并获得典型状态的地面联合弹射投放试验的验证，可为机载武器的弹射投放设计以及载荷设计提供依据。

1 弹射装置

某弹射装置采用高压气体为能源，主要由高压气瓶、管路/阀门、挂钩解锁机构和左右弹射作动筒等部件组成。髙压气瓶中的气体，由电磁开关阀控制，一部分推动开钩活塞，释放悬挂物吊挂；另一部分进入弹射作动筒，将悬挂物推离载机。控制进入左、右弹射作动筒的气体流量，可确保悬挂物离机时获得所需要的速度、加速度和姿态，其原理如图1所示。

2 弹射模型

该弹射系统中气瓶、管路、活塞作动筒等主要为气体运动，机载武器主要为刚性和弹性运动，两者的耦合环节为活塞作动筒的位移和作用力，因此该系统为气-刚-柔耦合的复杂系统。

2.1 氮气气瓶气体

2.2 导气管气体

管路中的气体满足一维非定常流守恒基本假设，即：1）摩擦和散热满足雷诺比拟关系；2）气流参数只与轴向距离和时间有关，而与管道径向距离无关；3）因管道弯曲、截面突变等而产生的各种局部损失，按分布阻力考虑，将其影响归结于摩擦系数中。

（2）

2.3 活塞腔内气体

a）左侧弹射筒

气体的密度变化为

气体的压力变化为：

气体的散热量为

理想气体方程为

b）右侧弹射筒

气体的密度变化为

气体的压力变化为

气体的散热量为

2.4 机载武器运动

2.5 系统模型

根据上述各构成元件的数学模型以及相互之间的耦合关系，可建立系统的数学模型，可见图2。

图2 弹射装置-机载武器弹射系统气-刚-柔耦合分析模型

3 试验验证

某弹射装置与机载武器的地面联合弹射试验，如图3所示。机载武器安装在弹射装置上，模拟实际飞机挂载情况。所有数据采集设备都布置在试验台附近，并用电缆与弹上传感器相连，测量弹射分离过程中各部位的低频加速度等数据。其中加速度传感器位于机载武器两端，有效频率范围为0～ 100Hz，用于测量弹射过程中机载武器产生的刚体和弹性加速度。

图3 某弹射投放试验示意图

3.1 时域特征

弹射过程的机载武器两端实测及质心预示的低频加速度响应时间历程如图4所示，前端加速度响应峰值大于25g，后端峰值大于15g，并快速衰减。

与质心（刚体）预示结果相比，机载武器弹性影响显著，表现为：

a）在弹射起始时刻，机载武器两端的加速度方向与弹射方向相反；

b）弹射过程中，两端响应差异明显，且振荡过程显著；

c）弹射结束，即机载武器离架后，弹性响应衰减消失，两端响应与质心预示结果趋于吻合；

d）为保证机载武器离架时的低头姿态，理论上刚体加速度分布规律应为前端>质心>后端，但由于机载武器弹性响应的叠加效应，前后端实测加速度峰值均大于质心处。在弹射筒的快速作用下，机载武器同时存在刚体运动和弹性运动，并且弹性响应贡献较大，对载荷的影响不可忽略。实测数据和模型分析结果对比表明，弹射装置—机载武器弹射系统气-刚-柔耦合分析模型能够较好的表征实际机载武器的弹射响应，初步验证了分析模型的正确性。

3.2 频域特征

利用快速傅立叶(FFT)分析方法，可以获得弹射过程低频加速度的频谱特征，以及能量在频域内的分布特性，分析结果见图5。频谱分析时，对图4中的实测结果进行了高通滤波，滤波截止频率为5Hz。可见，弹射过程的主要能量集中低频段，且弹射时机载武器对弹射作用力的响应非常明显（55Hz附近）。

图4 机载武器两端的典型加速度时间历程

图5 机载武器两端加速度的频谱分析结果

4 机载武器弹性影响分析

4.1 对机载武器响应的影响

利用上述弹射装置-机载武器弹射系统气-刚-柔耦合分析模型，可得到机载武器弹性运动和刚性运动对加速度和姿态角速度等响应的影响，如图6和图7所示。

可见机载武器弹性将使得加速度和角加速度响应均具有显著的动态特性，分析表明其频率成分以机载武器横向模态频率为主，两者的最大值显著大于刚体运动的响应。机载武器一阶频率为60Hz时，前端加速度最大值增大约15%，后端最大值增大约20%；机载武器一阶频率为30Hz时，前端加速度最大值增大约50%，后端最大值增大约70%。因此机载武器弹性运动对机载武器动态响应的影响不可忽略，且弹性越大，影响越显著。

图6 弹性运动对加速度响应的影响

图7 弹性运动对俯仰角速度响应的影响

4.2 对弹射装置的影响

同样也可得到机载武器弹性运动和刚性运动对弹射装置气路压力和弹射力等的影响，如图8和图9所示。可见机载武器一阶频率为60Hz时，气瓶压力受到的影响较小，变化不超过2%；前弹射筒压力和弹射力受到的影响稍大，最大值增大约2%；后弹射筒压力和弹射力受到的影响较大，最大值增大约5%。

图8 弹性运动对气路压力的影响

图9 弹性运动对弹射力的影响

机载武器一阶频率为30Hz时，气瓶压力、前弹射筒压力和弹射力受到的影响稍大，最大值增大约5%；后弹射筒压力和弹射力受到的影响较大，最大值增大约18%。因此，机载武器弹性越大对弹射装置的影响越大，若机载武器刚度较弱，则弹射装置设计时不可忽略机载武器弹性的影响。

5 结论

本文针对机载武器弹射投放过程，分别建立了弹射装置气路模型、机载武器刚体和弹性运动模型、弹射作动筒与机载武器的力和位移匹配关系，得到了弹射装置-机载武器弹射系统的气-刚-柔耦合模型。利用地面弹射试验进行了校验，修正了模型参数，验证了耦合系统仿真模型的精度，可用于机载武器弹射过程的运动姿态、弹性响应、载荷条件等的分析和设计。得到以下结论：弹射投放的主要动态特征是弹射力的快速变化，与机载武器动态响应的耦合和叠加；机载武器弹性对机载武器自身的过载、载荷等影响明显，对弹射装置影响稍小，但弹性越大影响越大。

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[12] 唐霄汉. 新一代运载火箭整流罩关键分离特性研究[D]. 大连理工大学, 2018.

Simulation and Test Research on Gas-Rigid-Flexible Coupling of the Ejection Launch System

GAO Qing CHANG Han-jiang SUN Xue-qi CAI Yi-peng ZHOU Xiao-he LU Xin

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

An analysis model of the gas-rigid-flexible coupling system between the ejection launcher (ERU) and airborne weapons is established, considering the gas motion of the ejection launcher, the rigid and flexible motion of the weapon, and verified by the typical ground joint ejection test. The influence of the weapon’s elasticity is studied and analyzed. The model is helpful in the design of the ejection launcher (ERU) and air-launched weapon.

Ejection launches system; Gas-rigid-flexible coupled dynamics; Dynamic response

V421.7

A

1006-3919(2021)04-0001-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.04.001

2021-04-11；

2021-06-05

国家自然科学基金资助项目(11902363)

高庆(1982—)，男，高级工程师，研究方向：结构动力学及力学环境等；（100076）北京9200信箱1分箱-1.