电缆网敷设对小口径制导弹药质量特性参数的影响研究

李文昊，卞程飞，李 倩，王 冲，廖天鹤，应嘉奇

(西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引言

导弹作为一种典型的复杂机电产品，弹上电缆网的敷设是决定产品性能和质量的一个重要因素。中小口径常规导弹因其结构紧凑、内部空间狭小而产生舱内电缆敷设难题，同时，制导武器小型化和集成化趋势更是对电缆敷设技术提出较大的挑战。

对于中大型弹箭产品而言，由于其整体质量较大，弹上电缆网的敷设方式对全弹质量、质偏等质量特性参数影响较小；而对于轻型小口径制导弹药而言，电缆网的质量及分布方式对导弹整体的质量特性参数具有较大影响，进而影响导弹飞行的稳定性。

目前国内外关于电缆网敷设方面的研究相对较多，主要包括敷设路径自主规划[1]、电缆模型构建及仿真方法研究[2-8]、电缆布局优化设计[8-10]、电缆网轻小型化设计研究[11-12]等方面。而在弹体质量特性参数方面，国内外研究主要集中在研究测量方法[13-14]和设计测量系统[15-17]方面，对影响产品质量特性参数的因素研究较少，尚无关于电缆敷设对产品质量特性参数影响研究的相关报道。

文中以某小型精确打击导弹为研究对象，研究电缆网敷设对小口径制导弹药质量特性参数的影响规律，并对弹上电缆网敷设方案进行优化设计。

1 建模

以某小型精确打击导弹为研究对象，利用NX三维设计软件建立弹体结构件、弹上部件及电连接器和弹上电缆网等弹上零部件模型，全弹三维模型如图1所示。

图1 弹体三维模型示意图

模型仿真和实测得到的未敷设电缆前弹体的质量特性参数如表1所示，可以看出，未敷设电缆前，实测与三维仿真模型初始质量特性参数基本一致，验证了三维仿真模型的有效性。

表1 未敷设电缆前弹体的质量特性参数

2 分析与优化

根据产品结构特点，弹上电缆网主要由甲舱电缆网、乙舱电缆网和电缆丙3部分组成。其中，乙舱电缆网由于产品的设计需求及舱内部件的结构特点，需穿过某部件后进行焊接，且过线孔已预留，因此电缆网在舱体内部的走线位置基本确定。电缆丙为连接导弹甲舱和乙舱电气系统的重要部件，目前已经为成品电缆，走线方式唯一。因此文中主要对甲舱电缆网进行优化设计。

根据甲舱内零部件位置的分布情况，甲舱电缆网在图2所示A、B、C三个区域存在多种走线方案。

图2 甲舱及其内部结构示意图

如图3所示，各个横截面图中的“×”均对应该处可供选择的走线位置，分别为：A处的a1、a2、a3，B处的b1、b2、b3、b4、b5及C处的c1、c2、c3、c4、c5，按排列组合原理可知，共计走线方式75种。

图3 各区域横截面及其走线位置示意图(从前向后看)

经分析，A处的3个位置中a1距离部件2位置最近，走线距离最短，为最佳走线位置，故A处应优先考虑a1位；B处的5个位置中，b2、b3处与舱壁间间隙较小，而b5处部件1与部件2间间隙较小，考虑线缆束的外径约束，故B处实际最佳走线位置为b1和b4；C处的5个走线位置对称且空间充足，故此5种走线方案均可考虑。因此，仪器舱电缆网敷设方案如表2所示。

表2 仪器舱电缆网敷设方案

根据表2中所列不同的走线方案，在UG/Routing Electrical电气管线布置模块中进行电缆网敷设路径设置，形成三维电缆网敷设模型后，利用“测量体”功能对全弹仿真模型进行质量特性参数测量，获得初始无线束状态(方案0)和10种不同走线方案的质量、质心、质偏(含角度)、极转动惯量和赤道转动惯量的变化趋势如图4～图8所示。

图4 电缆敷设对弹体质量的影响

图5 电缆敷设对弹体质心的影响

图6 电缆敷设对弹体质偏及质心侧偏角的影响

图7 电缆敷设对弹体极转动惯量的影响

图8 电缆敷设对弹体赤道转动惯量的影响

由图4可以看出，敷设电缆后弹体总重增加了约110 g，不同电缆敷设方案之间弹体总质量变化不明显，这是由于导弹本身体积较小，不同走线方案线束总体用料区别不大；对比方案1～方案6，方案6较方案1，导线长度增长，重量增大。

由图5可以看出，敷设电缆后全弹质心距弹头向后偏移了约0.8 mm，偏移量不大，说明电缆质量沿弹体周向分布基本均匀；对比方案1～方案6，由于方案6导线需绕到部件2下端过线孔，因此较方案1，导线长度增长，重量增大，且多余重量集中在弹体质心前侧，因此方案6较方案1质心靠前。

由图6可以看出，敷设电缆后不同方案间全弹质偏及质心侧偏角均有显著变化，其中方案6质偏最小为0.547 7 mm，较初始无线束状态全弹质偏减小了3.4%，质心侧偏角变化了21%；分别对比方案1～方案5和方案6～方案10可以看出，随着C处走线位置(从前向后看)由弹体左下方向弹体右下方移动时，全弹质偏一致呈现上升趋势，说明弹体右下方质量更大，配重时应选择弹体左下方位。

综合图4～图6，对比方案1、6，2、7，3、8，4、9和5、10可以看出B处走线位置的变动对总质量、全弹质量和质偏及质心侧偏角较C处都有较大影响，这是由于B处线束外径较C处大，因而质量更大。

综合图4、图7和图8可以看出，敷设后全弹极转动惯量增加约100 kg·mm2，赤道转动惯量增加约5 000 kg·mm2，整体而言变化不大，且不同方案间极转动惯量和赤道转动惯量与不同方案间质量的变化趋势基本一致。

从轻量化角度考虑，应选取弹体总质量较小的电缆敷设方案；但另一方面，对于小口径制导弹药，减小质偏可以降低发动机的推力偏心，减少主动段的扰动，增加弹体稳定性，故将单位质量上的线束产生的质偏I作为评判电缆敷设方案优劣的依据，即

(1)

式中：Cd为质偏；Mi为不同方案对应的弹体总质量；M0为未敷设电缆前的弹体总质量。

I值越小，说明单位质量线束产生的质偏越小，即在弹体质量一定的情况下，弹体质偏越小，弹体飞行越稳定。反之，当I值较大，说明弹体飞行稳定性较差。

图9所示为不同方案I值的曲线图，从图中可以看出，方案6的I值最小，使用此走线方案，能够在较小的弹体质量下获得最小的质偏特性，从而提升导弹飞行的稳定性，因此选择方案6为最优电缆网敷设方案。

图9 不同方案I值曲线图

3 试验验证

依据最优电缆网的布局及成型尺寸，结合优化后的工艺流程及配重方案，完成样机制作并进行质量特性参数检测，如图10所示，测试结果见表3。

图10 质量特性参数检测

表3 质量特性参数检测结果

通过对比优化前原始数据、仿真数据和优化后实测数据，可以看出仿真数据与优化后实测数据基本一致，优化后弹体实测质量较优化前原始状态减少245 g，质偏减少0.061 mm，满足设计要求(优化前质偏不满足设计要求)。

4 结论

获取了弹上电缆网结构模型，明确了电缆敷设对产品质量、质心及质偏等质量特性参数的影响，为弹体结构设计及优化提供依据：

1)敷设电缆后弹体增加了约110 g，不同电缆敷设方案之间弹体总质量变化不明显；

2)敷设电缆后全弹质心距弹头向后偏移了约0.8 mm，偏移量不大，说明电缆质量沿弹体周向分布基本均匀；

3)敷设电缆后不同方案间全弹质偏及质心侧偏角均有显著变化，其中质偏最小为0.547 7 mm，较初始无线束状态全弹质偏减小了3.4%，质心侧偏角变化了21%；

4)随着C处走线位置(从前向后看)由弹体左下方向弹体右下方移动时，全弹质偏一致呈现上升趋势，说明弹体右下方质量更大，配重时应选择弹体左下方位；

5)B处走线位置的变动对总质量、全弹质量和质偏及质心侧偏角较C处都有较大影响；

6)敷设全弹极转动惯量增加约100 kg·mm2，赤道转动惯量增加约5 000 kg·mm2，不同方案间极转动惯量和赤道转动惯量与不同方案间质量的变化趋势基本一致。