劉救世，馬勝鋼，董攀輝，竇小鵬，裴東杰

(1.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001;2.鄭州機(jī)械研究所，河南鄭州450001)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，各種無人機(jī)彈射器的研發(fā)日趨重要。文中對一種貯氣瓶供氣的無人機(jī)氣動彈射器進(jìn)行了研究。

在氣動彈射系統(tǒng)中，壓縮空氣的可壓縮性大，氣動裝置中部分元件的氣容較大，發(fā)射體 (無人機(jī))的慣性大，阻尼孔的形式復(fù)雜，發(fā)射過程時間短等客觀因素對系統(tǒng)的工作參數(shù)及穩(wěn)定性和過渡過程影響較大。因此，要想科學(xué)合理的設(shè)計(jì)一套滿足彈射功能要求和品質(zhì)、性能優(yōu)良的氣動彈射器，必須建立該系統(tǒng)的理論分析模型，通過對該模型的仿真分析，研究該系統(tǒng)主要元件及工作參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，確定系統(tǒng)主要工作參數(shù)之間的匹配關(guān)系，為科學(xué)合理設(shè)計(jì)該系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)［1］。

1 貯氣瓶供氣氣動彈射器的工作原理

貯氣瓶供氣空氣彈射器的基本原理如圖1所示。該彈射系統(tǒng)的動力源為裝有壓縮空氣的貯氣瓶。

彈射器發(fā)射時，電磁換向閥4通電換向，貯氣瓶1中的壓縮空氣經(jīng)管道、控制器2和電磁閥4進(jìn)入氣缸5的無桿腔，推動活塞和活塞桿帶動增速器11連同鋼絲繩9、滑車7及無人機(jī)8一起做彈射加速運(yùn)動，氣缸有桿腔中氣體通過消聲器3返回大氣。當(dāng)滑車運(yùn)行至發(fā)射架末端時，無人機(jī)達(dá)到發(fā)射速度而脫離滑車飛向空中，完成無人機(jī)彈射過程。

圖1 貯氣瓶供氣氣動彈射器原理圖

2 貯氣瓶供氣氣動彈射器的數(shù)學(xué)模型

由于氣動彈射器的工作過程較為復(fù)雜，在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時采取了如下假設(shè):(1)所使用的工作介質(zhì)遵循理想氣體的基本規(guī)律;(2)熱力過程均看作是準(zhǔn)靜態(tài)過程，各參數(shù)視為集中參數(shù);(3)因彈射時間短暫，氣缸的工作過程可視為絕熱過程。

在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時，作者重點(diǎn)考慮了彈射系統(tǒng)中較大的慣性 (如無人機(jī)、滑車的質(zhì)量)，系統(tǒng)中較大氣容 (如氣缸的空腔)，氣動元件中對系統(tǒng)性能影響較大的氣阻 (如貯氣瓶出口、換向閥通流口、氣缸進(jìn)出口等)，忽略了次要因素 (如管道的氣阻等)。對模型進(jìn)行了必要的簡化處理，如對于系統(tǒng)中彈射體的質(zhì)量，根據(jù)增速器的增速比及能量守恒的原則，將無人機(jī)及滑車質(zhì)量等效至氣缸活塞桿端，系統(tǒng)中閥類元件的氣阻可簡化為節(jié)流小孔計(jì)算等。

簡化后系統(tǒng)彈射過程的理論模型如圖2所示。Sg為貯氣瓶出口阻尼的有效截面積;Sd為換向閥阻尼的有效截面積;Sr為氣缸進(jìn)氣口阻尼的有效截面積;Sc為氣缸出口阻尼的有效截面積。如此簡化的氣動彈射系統(tǒng)，不僅方便對氣動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和理論研究，而且還能方便對其主要工作參數(shù)進(jìn)行匹配［2－3］。

圖2 氣動彈射器的理論分析模型

將該系統(tǒng)分三段建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是科學(xué)合理的。建立數(shù)學(xué)模型中具體參數(shù)的含義見表1。

表1 參數(shù)含義表

第一段是貯氣瓶放氣過程:

第二段是氣缸充放氣過程:

第三段是彈射體的運(yùn)動過程:

3 貯氣瓶供氣氣動彈射器的仿真模型

考慮到該系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型是非線性方程組，選用四階龍格庫塔法求解是可行的。在編制系統(tǒng)的仿真模型時，仿真模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)依據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，部分無參考資料的性能參數(shù)通過試驗(yàn)確定(如部分元件阻尼孔的有效截面積，部分容性元)。對于在前述建模過程中未能考慮而又必須考慮的個別因素可在仿真模型中加入適當(dāng)條件給予補(bǔ)償 (如氣缸的行程、氣流速度的臨界點(diǎn)等)。該仿真模型經(jīng)過理論對比分析和部分試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該仿真模型與實(shí)際所研究的氣動彈射系統(tǒng)基本吻合，可作為以后理論分析與研究的依據(jù)。

4 阻尼孔對系統(tǒng)彈射性能的影響

影響該系統(tǒng)彈射性能的關(guān)鍵參數(shù)除了貯氣瓶工作壓力、容積、氣缸有效作用面積、彈射體質(zhì)量以外，氣動系統(tǒng)阻尼孔的組成形式、阻尼孔大小以及其匹配也對系統(tǒng)彈射性能有重大影響。研究的氣動彈射器的基本工作要求是:彈射體質(zhì)量80 kg、彈射末速度24 m/s、 (氣缸的彈射末速度3 m/s)、彈射行程8 m。在該約束條件下分析阻尼孔對系統(tǒng)彈射性能的影響如下:

(1)氣缸進(jìn)氣路阻尼孔對系統(tǒng)彈射性能的影響

氣缸進(jìn)氣路阻尼孔包括:貯氣瓶出氣阻尼孔Sg、換向閥阻尼孔Sd、氣缸無桿腔進(jìn)氣阻尼孔Sr。由彈射器的理論分析模型可知這3個阻尼孔的組成形式為串聯(lián)關(guān)系，它們的綜合作用可用阻尼孔串聯(lián)合成有效截面積表示:

當(dāng)系統(tǒng)其他參數(shù)一定時 (如:貯氣瓶壓力3 MPa，貯氣瓶容積0.05 m3，氣缸內(nèi)徑250 mm)，改變各阻尼孔的大小對系統(tǒng)彈射性能影響結(jié)果如表2所示。

表2 氣缸進(jìn)氣路阻尼孔對系統(tǒng)性能影響

表2的仿真結(jié)果表明:

①在系統(tǒng)其他條件一定的情況下，無論阻尼孔Sg、Sd、Sr3者各自有效截面積的大小如何，他們3個合成的有效截面積S決定了系統(tǒng)的彈射性能。合成有效截面積S越大，系統(tǒng)的彈射速度越大、彈射時間越短。

②盡管合成有效截面積S由Sg、Sd、Sr共同決定，但當(dāng)三者各自有效截面積的差值較大時 (如表2中Sg、Sd、Sr分別為4.91 ×10－4m2、7.85 ×10－5m2、7.07×10－4m2)，有效截面積較小的阻尼孔 (Sd為7.85×10－5m2)決定了系統(tǒng)的彈射性能 (彈射末速度v為2.72 m/s，仍然不能滿足彈射性能要求)。也就是說如果其中一個阻尼孔過小時，另外兩個阻尼孔無論如何大也難以滿足系統(tǒng)的彈射要求，三者各自阻尼孔的有效截面積的匹配差值不能太大。因此，在氣動彈射系統(tǒng)中除了合理選擇設(shè)計(jì)驅(qū)動氣缸進(jìn)氣口和貯氣瓶出氣口的有效截面積外，選用大通徑換向閥與其匹配也是重要的 (如表 2中Sg、Sd、Sr分別為4.91 ×10－4m2、1.77 × 10－4m2、7.07 × 10－4m2，彈射末速度為3.502 m/s，滿足彈射性能要求)。

(2)氣缸有桿腔出氣路阻尼孔Sc對系統(tǒng)彈射性能的影響

當(dāng)氣缸無桿腔進(jìn)氣路阻尼孔合成有效面積為S=1.62×10－4m2，不同阻尼孔Sc對系統(tǒng)性能的影響如表3所示。

表3 阻尼孔Sc對系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)氣缸出氣路阻尼孔截面積達(dá)到一定值時(4.0×10－4m2)，該阻尼孔對彈射氣缸有桿腔內(nèi)排放的氣體幾乎無阻礙作用，氣缸運(yùn)動阻力小、氣體可迅速排放到大氣中，氣缸獲得的速度大。仿真結(jié)果表明:在此彈射過程中，有桿腔內(nèi)壓力幾乎等于大氣壓力，繼續(xù)增加氣缸出口阻尼孔截面積已無意義對系統(tǒng)彈射性能的影響很小。

氣缸彈射的末速度隨著氣缸出口阻尼孔截面積的減小而降低。在彈射過程中，當(dāng)氣缸出氣路阻尼孔截面積較小時 (1.0×10－8～1.0×10－4m2)，該阻尼孔對彈射氣缸有桿腔內(nèi)排放的氣體的阻力較大，隨著有桿腔容積的減小，有桿腔內(nèi)的壓力顯著增加，對彈射氣缸運(yùn)動的阻力增大，氣缸的加速度減小。從表3仿真數(shù)據(jù)可知，彈射完成后，有桿腔內(nèi)的壓力較大。

5 結(jié)論

(1)對貯氣瓶供氣彈射過程進(jìn)行仿真研究時，采用的建模方法是正確可行的。

(2)對貯氣瓶供氣彈射過程進(jìn)行仿真研究的結(jié)果為科學(xué)合理設(shè)計(jì)貯氣瓶供氣彈射裝置奠定了理論基礎(chǔ)。

［1］何慶，劉東升，于存貴，等.無人機(jī)發(fā)射技術(shù)［J］.飛航導(dǎo)彈，2010(2):24－27.

［2］陳怦，趙濤，王建培.無人機(jī)發(fā)射過程仿真與參數(shù)敏感性分析［J］.飛行力學(xué)，2002(3):21－24.

［3］李悅，張海黎.無人機(jī)氣液壓發(fā)射原理試驗(yàn)研究［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(12):699－703.

［4］李浩，肖前貴，胡壽松.火箭助推無人機(jī)起飛發(fā)射段建模與仿真［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010(9):136－139.