减小多管火箭炮射击时定向器振动的研究

崔二巍，于存贵，常久龙，李猛

(1. 南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094 2. 湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北 远安 444200)



减小多管火箭炮射击时定向器振动的研究

崔二巍1，于存贵1，常久龙2，李猛1

(1. 南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094 2. 湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北 远安 444200)

摘要：为减小多管火箭炮射击时定向器的振动，以减小火箭弹的初始扰动和提高射击密集度，根据其振动特性，提出了在高低机两侧分别设置高低锁杆的技术方案。运用Abaqus软件生成高低锁杆的柔性体文件，导入Adams中建立全炮的刚柔耦合动力学模型。根据有锁杆和无锁杆模型的仿真结果，计算并对比振动的平均峰值和显著衰减时间，验证方案的减振效果。研究表明该方案可有效减小定向器的振动，对多管火箭炮的设计具有重要参考价值。

关键词：定向器；振动；高低锁杆；峰值；衰减时间

0引言

射击密集度是多管火箭炮的重要战术性能指标。火箭炮多管连射比多管单发时密集度差得多，其主要原因是连射时前发弹引起的发射装置振动严重地影响了后发弹的初始扰动[1]。射击时，火箭发射装置的很多部分都会发生振动，但直接与火箭弹相接触的只有定向器，因此整个发射装置的振动只有通过定向器才能影响火箭弹[2]。定向器的振动是形成火箭弹初始扰动的主要根源[3]。多管火箭炮在射击时，定向器的振动越严重，火箭弹的初始扰动越大，射击密集度越差。因此，减小多管火箭炮射击时定向器的振动对于减小火箭弹的初始扰动和提高射击密集度具有重要意义。

通过发射动力学仿真的方法对多管火箭炮发射时定向器的振动进行了研究。根据其振动特性，提出了在高低机两侧分别设置高低锁杆的技术方案，并通过仿真和计算验证方案的可行性。

1发射动力学建模与仿真

在Adams多体动力学软件中建立多管火箭炮的发射动力学仿真模型。多管火箭炮系统是个复杂的机械系统，在建模过程中根据其结构特点，可以将全炮系统合理地简化为由车体、回转体、起落架、2个储运发射箱、40根定向器、40枚火箭弹等部分组成[4]，并赋予各部件与实际结构等效的质量、质心位置和转动惯量等参数。

1.1　车体的建模

发射前，车体尾部用2个千斤顶支撑于地面。在千斤顶的缸体和活塞之间添加滑动副和弹簧阻尼系统，模拟千斤顶的支撑作用。千斤顶与地面的连接采用轴套力模拟，轴套力有3个移动自由度和转动自由度，每个自由度都有刚度系数和阻尼系数，正好可以模拟车体可绕地面平移和转动。

轮胎和路面采用Adams/Tire模块建立。轮胎采用Fiala模型模拟。由于不需要研究轮胎在路面上运行过程中的操纵性等问题，可以采用Adams中较为简单的2DFlat路面模型。

1.2　回转体和起落架的建模

回转体相对车体有一个转动自由度，因此在回转中心添加回转体和车体之间的转动副。发射时锁定装置将回转体锁死，在回转体和车体之间添加一个大刚度扭簧，用来模拟发射时方向机的制动效果。

回转体和起落架之间通过耳轴连接，在耳轴处添加两者之间的转动副，起落架通过液压高低机的支撑作用保持一定的射角。在高低机的液压缸缸体和活塞杆之间添加滑动副和大刚度的弹簧，将其等效为一个弹簧阻尼系统。

1.3　储运发射箱的建模

储运发射箱和起落架之间无相对运动，通过固定副连接。忽略定向器的微小柔性，将定向器和储运发射箱用固定副连接。火箭弹所受的闭锁力为7000N，在火箭弹和定向器之间添加固定副，模拟闭锁挡弹机构的作用。当发动机推力超过7000N后，通过传感器和仿真控制程序使固定副失效，火箭弹开始运动。火箭弹的前、中、后3个定心部与定向器内壁之间添加接触力，定向钮和导向槽之间添加接触力，约束火箭弹在定向器内的运动。

1.4　施加载荷

火箭弹推力数据由实验测得，按照Akima二次曲线拟合方法得到样条曲线函数，通过集中力作用于火箭弹的质心处。第i发火箭弹经过0.5s的发射间隔后发射，推力函数如下：

If(time-0.5*i:0,0,if(time+2-0.5*i):Akispl(time-0.5*i:0,spline_F,0),0,0))

其中，spline_F为推力曲线，推力持续时间为2s。

燃气射流冲击力由气体动力学软件仿真计算获得，用Akima方法拟合为随距离变化的集中力，施加在定向器管口的中心位置。

1.5　发射动力学仿真

根据1.1~1.4小节中所述，建立方向角为0°、高低角为45°的多管火箭炮发射动力学模型，如图1所示。

图1　多管火箭炮发射动力学模型

在多管火箭炮的发射动力学仿真中，首先进行一段时间静平衡仿真。此时发动机还未开始工作，火箭弹被锁定在定向器内，整个模型仅在重力作用下达到静平衡状态。经过静平衡仿真，可以使高低机、高低锁杆、支撑千斤顶和轮胎等部件在重力作用下达到受力平衡，保证多管火箭炮在稳定状态下发射。设置静平衡仿真时间为5.5s，之后发射第1枚火箭弹，发射间隔为0.5s，共发射8枚。

2定向器的振动分析

通过多管火箭炮的发射动力学仿真可获得定向器的振动数据。定向器管口俯仰方向和方位方向的位移、线速度和角速度曲线如图2-图4所示。

图2　俯仰方向和方位方向的位移曲线

图3　俯仰方向和方位方向的线速度曲线

图4　俯仰方向和方位方向的角速度曲线

由图2-图4可得，每枚火箭弹发射时引起定向器管口俯仰方向的位移、线速度和角速度曲线的振动峰值均远远大于方位方向，且振动衰减速度慢，持续时间长。因此，多管火箭炮发射时定向器管口俯仰方向的振动远比方位方向严重，俯仰方向的减振是定向器减振的关键。

3减小定向器振动的方案

多管火箭炮在射击时，俯仰方向仅通过液压高低机支撑起落架以保持一定的射角。由第2节中分析可知，定向器俯仰方向的振动远大于方位方向，俯仰方向的减振是定向器减振的关键，因此提出在高低机的两侧分别设置高低锁杆的技术方案，如图5所示。

图5　设置高低锁杆的多管火箭炮

高低锁杆连接回转体和起落架。火箭炮在高低机作用下调整到预定射角后，高低锁杆锁定，与高低机共同支撑起落架，增大了俯仰方向的支撑刚度和阻尼。

4方案验证

将柔性化的高低锁杆导入发射动力学模型中，添加约束并重新仿真发射过程，对比有无高低锁杆时定向器的振动。

4.1　高低锁杆的柔性化建模

高低锁杆长细比较大且可能在发射过程中出现较大变形，同时为体现其阻尼效应，在动力学建模时应作柔性化处理。刚柔耦合模型的仿真结果能更准确地反映火箭炮在发射过程中的动力学特性[5]。

有限元软件Abaqus与多体动力学软件Adams的柔性文件接口是经过数据编写、文件输入、计算分析以及后期转译等相关操作后，将Abaqus中的有限元模型文件编译成可被Adams/Flex直接读取的MNF类型的模态中性文件，从而可实现刚柔耦合动力学仿真的有效通道[6]。将高低锁杆的三维模型合理简化后导入Abaqus中，赋予材料属性、添加约束、划分网格，并进行模态分析。修改模态分析生成的INP文件，运行Abaqus Command程序命令，经过大量的转译计算，得到柔性模态中性文件，其中包括模型转译后节点和单元数目，单位等。柔性化处理的高低锁杆如图6所示。

图6　柔性化处理的高低锁杆

将模态中性文件导入1.5节中建立的发射动力学模型中，生成柔性高低锁杆。在高低锁杆与起落架、回转体之间分别添加转动副。在其他条件不变的情况下，重新仿真发射过程。

4.2　减振效果分析

根据添加高低锁杆后的刚柔耦合模型与无锁杆模型的发射动力学仿真结果，对比两种情况下定向器管口俯仰方向的位移、线速度和角速度曲线，如图7-图9所示，检验方案的减振效果。

图7　俯仰方向的位移曲线对比

图8　俯仰方向的线速度曲线对比

图9　俯仰方向的角速度曲线对比

由图中可得，每枚火箭弹发射时均会引起曲线的振动，振动的峰值和衰减时间是衡量定向器振动的重要参数。计算8枚火箭弹引起的定向器管口俯仰方向位移、线速度和角速度曲线振动的平均峰值，如表1所示。

表1　位移、线速度和角速度的平均峰值

添加高低锁杆后，位移、线速度和角速度曲线振动的平均峰值分别减小57%、46%和35%，由此可得，定向器的振动幅值也大大减小。

多管火箭炮为提高射速，在前发弹引起的发射装置振动尚未完全衰减时即发射下发弹。为研究定向器振动的完整衰减过程，分析定向器管口俯仰方向位移、线速度和角速度曲线中由最后一发弹引起的完整振动波形，计算振动幅值衰减为峰值的20%时所需的时间，即显著衰减时间，如表2所示。

表2　位移、线速度和角速度的显著衰减时间

多管火箭炮的发射间隔为0.5s，无锁杆时，俯仰方向位移、线速度和角速度的显著衰减时间均大于0.5s，表明前发弹引起的定向器振动尚未显著衰减时即发射下发弹，严重影响了下发弹的初始扰动。设置高低锁杆后，位移、线速度和角速度的显著衰减时间分别缩短60%、61%和56%，均小于发射间隔。火箭弹在定向器振动显著衰减后才发射，有利于减小初始扰动和提高射击密集度。

5结论

分析仿真和计算结果可得：

1) 多管火箭炮发射时定向器管口俯仰方向的振动远大于方位方向，振动幅值大且衰减速度慢。减小俯仰方向的振动是减小定向器振动的关键。

2) 高低锁杆采用柔性化建模，可体现其变形和阻尼效应，刚柔耦合的发射动力学模型更符合实际情况。

3) 添加高低锁杆后，定向器管口俯仰方向位移、线速度和角速度曲线振动的平均峰值和显著衰减时间均明显减小。该技术方案可有效减小多管火箭炮射击时定向器的振动，有利于减小火箭弹的初始扰动和提高射击密集度，对多管火箭炮的设计具有重要参考价值。

参考文献:

[1] 李军，马大为，曹听荣，等. 火箭发射系统设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 2008.

[2] 贺北斗，林永明，曹听荣. 火箭发射装置设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 1988.

[3] 潘宏侠，赵剡，陈国光，等. 振动对火箭炮密集度影响研究[J]. 兵工学报, 1993, 31(4): 17-22.

[4] 于存贵，马大为，王惠方，等. 舰载火箭炮随动系统调炮动力学仿真[J]. 南京理工大学学报, 2007, 31(2): 143-146.

[5] 王雷，马大为，周克栋，等. 防空火箭炮刚柔耦合发射动力学仿真[J]. 弹道学报, 2012, 24(4): 72-76.

[6] 李 慧，杨雪，赵广生. 基于Abaqus柔性模型的Adams模型研究[J]. 科技创新与应用, 2012, 25(11): 20-21.

Research on Reducing Vibration of Directors of Multiple Rocket Launcher During Launching

CUI Er-wei1，YU Cun-gui1， CHANG Jiu-long2， LI Meng1

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;

2. Hubei Sanjiang Space Rivers Chemical Technology Co., TTD; Yuanan 444200, China)

Abstract:In order to reduce the vibration of the directors of multiple rocket launchers, decrease the initial disturbance of rockets and improve the firing dispersion, this paper proposes a technical scheme that two pitch locking rods are added to both sides of the elevating mechanism according to the vibration characteristic of directors. The flexible locking rods are built by Abaqus, which are imported into Adams, and then the rigid-flexible coupling model of the rocket launcher is developed. The average peak value and the significant damping time of the vibration are calculated and contrasted. Based on the simulation results of the models with and without locking rods, the vibration damping effect of the scheme is verified. The research shows that the scheme can effectively reduce the vibration of directors, and it is of great reference value for design of multiple rocket launchers.

Keywords:director；vibration；pitch locking rod；peak value；damping time

收稿日期：2014-08-19

中图分类号：TJ393

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0014-04

作者简介：崔二巍(1989-)，男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向：火箭、导弹发射理论与技术。