0 引言
中远程导弹是对敌方进行后方压制、战略打击的重要武器,是战争中最具有远距离威胁的导弹。实现中远程导弹的双联装运输与发射,可以在提高发射平台机动性的同时增大载弹量,从而提升发射平台的作战效能。
美国岩岛兵工厂和伊利诺伊大学合作开展研究,建立弹-架发射系统的数学模型,并采用拉线传感器等简单设备开展模型验证工作,形成了初步的弹-架系统动力学模型[1]。Cochran [2-5]分析了在推力偏心及动不平衡作用下单管火箭弹主动段的偏角,分析了推力偏心及动不平衡作用等随机因素对多管火箭弹同时离轨时的影响。Martin和Robert舍弃后定向部中心沿定向管轴线运动这一假设,重新建立了弹在管内的一般运动微分方程[6]。不过此模型没有考虑弹体的动不平衡,也没有合理的处理静不平衡。南京理工大学的芮筱亭等建立了多体系统传递矩阵法[7-10],实现了多体系统动力学分析无需系统总体动力学方程和快速计算两大突破,大幅提升了火箭与火炮武器的精度和发射安全性设计与试验水平。
考虑中远程导弹尺寸与重量的限制,使用多体系统传递矩阵法设计了车载双联装发射平台的总体结构布局方案。克服现有研究仅考虑部分部件弹性效应、采用非线性弹簧力模拟接触作用的局限性,建立了全柔性、考虑面-面接触的车载双联装发射平台有限元模型,对车载双联装发射平台的发射过程影响因素进行了深入研究。文中的研究内容能够为车载双联装发射平台提供理论参考和设计依据,对提高中远程导弹在公路机动发射中的生存能力和作战效能具有重要意义。
1 总体布局与模型建立
1.1 总体布局
车载双联装发射平台总体结构布局见图1,整体系统主要由一个底盘系统、两枚导弹、两套发射装置、辅助设备以及地面构成。
依据总体结构布局分析,结合现有车载武器系统的参数及相关工程经验,最终建立车载双联装发射平台的三维实体模型见图2,主要包括弹体、发射箱、起竖臂、起竖油缸、支撑装置、适配器、底盘、前后支腿、导流器等结构。
1.2 发射装置模型
车载双联装发射平台采用方形、无蒙皮的轻型发射箱。车载双联装导弹的轻型发射箱与导弹起竖、支承装置的结构见图3。
发射装置的连接关系为:非发射单元处于固定状态,在接触面之间设定固定约束;发射单元的发射箱固定于起竖臂上;起竖臂与支承装置在耳轴处设置两个铰接约束,支承装置与底盘在接触面之间设定固定约束;起竖油缸的处理与支腿类似。
适配器与导弹、发射箱的位置关系见图4。考虑导弹在发射过程中的形变量较小,将导弹处理为刚体。导弹与发射箱之间设置4排适配器,每排适配器包括上下左右共计4个适配器。适配器与导轨间为滑动摩擦。
1.3 总体模型
2 结果与分析
2.1 发动机推力偏心的影响分析
发动机推力偏心是影响导弹发射精度的重要因素之一,考虑到发射平台结构特性,文中主要研究发动机在oyz平面内推力偏心角度,如图6所示,该偏心角度以字符δ表示,x轴方向为垂直纸面向内,δ以逆时针为正。选取推力偏心角度δ分别为-0.5°、-0.25°、 0°、 0.25°、 0.5°五种工况,分析弹1和弹2发射过程的变化规律。
图7为不同推力偏心下导弹发射过程中偏航角位移和偏航角速度曲线。导弹离开发射箱前主要受适配器导向作用,推力偏心的影响作用较小。离箱后导弹的偏航角和偏航角速度受推力偏心影响显著增大,随推力偏心的方向和大小呈现出相应变化趋势。
图8为不同推力偏心下导弹发射过程中俯仰角位移和俯仰角速度曲线。导弹的俯仰角和俯仰角速度在不同推力偏心下无明显差异。
图9为不同推力偏心下导弹的发射箱口x向和y向位移曲线图。推力偏心对x向位移影响较小,对y向位移影响较大。随着推力偏心的增大,y向位移绝对值的最大值呈减小趋势。这表明当推力偏心方向指向发射平台的内侧时,y向位移振动幅度会略减小;反之,则会加剧y向位移振动幅度。弹2略大于弹1的情形。
2.2 地面倾斜作用的影响分析
发射场坪地面的倾斜会导致发射平台整体倾斜,严重影响发射平台的发射动态响应。oyz平面内地面倾斜角度的定义见图10,倾斜角度以字符γ表示,x轴方向为垂直纸面向内,γ以顺时针为正。取地面倾斜角度γ分别为-5°、-2.5°、0°、2.5°、5°五种工况分析弹1和弹2发射过程的变化规律。
图11为不同地面倾斜角度偏航角位移和偏航角速度曲线。发射初始时刻,导弹偏航角位移和偏航角速度已在倾斜角度的影响下具有明显差异。两者都随地面倾斜角度的增大而增大,且负地面倾斜角度的影响大于正地面倾斜角度。弹2在地面倾斜角度为-5.0°时出箱偏航角速度显著大于其他工况。
图12为不同地面倾斜角度下导弹发射过程中俯仰角位移和俯仰角速度曲线。弹1在离箱时刻的俯仰角速度分别为-1.05°/s、-1.14°/s、-1.20°/s、-1.08°/s、-0.95°/s,在地面倾斜角度为0时其绝对值达到最大。随着地面倾斜角度的增大,弹2在离箱时刻的俯仰角速度分别为-1.14°/s、-1.07°/s、-1.04°/s、-1.04°/s、-0.82°/s,其绝对值随地面倾斜角度的增大略有减小,且地面倾角为5.0°工况下的俯仰角速度差别突出。
图13为不同地面倾斜角度下导弹发射箱口x向、y向位移曲线图。地面倾斜角度小于等于0的工况x向位移接近;地面倾斜角度大于0时的工况,弹1 x向位移接近,弹2 x向位移随地面倾斜角度逐渐增大。导弹离箱前y向位移随地面倾斜角度的增大而增大,但离箱后y向位移的变化趋势逐渐接近。
图14为不同地面倾斜角度下导弹的各支腿最终位移量曲线图。弹2左侧两支腿的x向位移随地面倾斜角度的增大而减小。当地面倾斜角度由零开始增大时,4个支腿的y向位移都随之减小,导弹发射平台在正地面倾斜角度的作用下具有向左的滑移趋势。弹2略大于弹1。
弹2的后左支腿为高危支腿,图15为不同地面倾斜角度下弹2后左支腿的支撑力曲线图。当地面倾斜角度由零变负时,后左支腿支撑力的最小值逐渐增大,发射平台稳定性上升;当地面倾斜角度为2.5°和5.0°时,后左支腿出现长时间无支撑力作用的情况,持续时间分别为0.35 s和1.99 s,严重降低了发射平台的稳定性。
3 结论
发动机推力偏心在导弹未离开发射箱前对导弹的影响很小,在导弹离开发射箱后对导弹的偏航运动起主导作用。发动机推力偏心在±0.5°内对发射平台的稳定性影响不大,推力偏心角度为正值时发射平台的稳定性略高于推力偏心为负值的情况。
地面倾斜角度绝对值的增大会引起导弹在x和y方向上角位移和角速度绝对值的增大,严重降低导弹的发射精度;其中,弹1受负地面倾斜角度影响较大,弹2受正地面倾斜角度影响较大。弹2后左支腿随地面倾斜角度的增大呈现出长时间无支撑力的现象,严重降低了弹2发射平台的稳定性。根据计算结果,不建议弹2在地面倾斜角度大于2.5°的发射环境下发射。
由于弹2发射时发射平台的质量减轻,因此,弹2比弹1对各影响因素的变化更加敏感。