內(nèi)外氣缸式蒸汽彈射器設(shè)計(jì)與仿真?

史 炎 史天成

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031）

內(nèi)外氣缸式蒸汽彈射器設(shè)計(jì)與仿真?

史 炎 史天成

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031）

為了解決蒸汽彈射器開口氣缸密封困難的問題，提出了內(nèi)外氣缸嵌套式結(jié)構(gòu)，即一個(gè)外氣缸內(nèi)置若干個(gè)開口氣缸，安裝時(shí)內(nèi)外氣缸開口相互錯(cuò)開。針對該蒸汽彈射器的基本工作原理，建立了仿真模型。分析結(jié)果表明：汽缸半徑和蒸汽初始壓力對飛機(jī)起飛速度和加速度影響明顯；載荷一定下，缸徑與蒸汽初始壓力成反比。

蒸汽彈射器；動(dòng)力學(xué)仿真；內(nèi)外氣缸

1 引言

在各種海軍作戰(zhàn)艦艇中，以航空母艦的戰(zhàn)斗力最為強(qiáng)大，可在全球任一海區(qū)執(zhí)行完整的戰(zhàn)斗任務(wù)，具有極強(qiáng)的威懾力。艦載機(jī)是航母的核心作戰(zhàn)武器，艦載機(jī)的起降能力是一個(gè)航母戰(zhàn)斗群戰(zhàn)力的重要標(biāo)志之一［1～2］。而艦載機(jī)的起飛方式就目前來講主要有兩種，“滑躍”式起飛和彈射起飛。“滑躍”起飛方式依靠自身的動(dòng)力推動(dòng)，在末端上翹的甲板上滑跑，然后拋射出去［3～5］；由于甲板長度的限制，起飛質(zhì)量和起飛頻率受到限制，削弱了艦載機(jī)的戰(zhàn)斗能力。彈射起飛方式是通過大功率的彈射器給飛機(jī)足夠的起飛速度，把飛機(jī)“彈”上天空，所需跑道比較短，這種起飛方式降低了對艦載機(jī)本身的要求，可以載滿油量起飛，使得航空母艦的綜合戰(zhàn)力得到大大的提升。蒸汽彈射器是目前應(yīng)用最廣泛的起飛助力裝置，國外對蒸汽彈射器的研究較為成熟并進(jìn)行技術(shù)封鎖，我國學(xué)者在資料有限的條件下開展了相關(guān)研究，如文獻(xiàn)［6～10］等研究了蒸汽彈射器的動(dòng)力學(xué)性能。電磁彈射系統(tǒng)雖然性能指標(biāo)優(yōu)于蒸汽彈射系統(tǒng)［11～12］，但性能可靠是武器最重要的指標(biāo)，電磁彈射系統(tǒng)能否承受電磁脈沖武器的干擾尚無定論［13～14］，因此在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，蒸汽彈射器會與電磁彈射器共存。

針對蒸汽彈射器氣缸密封困難的問題，提出了內(nèi)外氣缸設(shè)計(jì)方案，使用SIMPACK仿真軟件對其做了彈射過程的動(dòng)力學(xué)分析。

2 蒸汽彈射器結(jié)構(gòu)

為更好地改善氣缸的密封性，作者設(shè)計(jì)了內(nèi)外氣缸方案，即一個(gè)開口外氣缸嵌套若干個(gè)開口氣缸，初始狀態(tài)內(nèi)、外氣缸開口完全錯(cuò)開。內(nèi)、外氣缸與活塞組成密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。活塞中間設(shè)置活塞頸與外部機(jī)構(gòu)相連接，如圖2所示。導(dǎo)向板固定在活塞頸上并與內(nèi)氣缸上的開關(guān)桿構(gòu)成開合機(jī)構(gòu)，開合機(jī)構(gòu)控制內(nèi)氣缸開口與外氣缸開口重合或錯(cuò)開。彈射器機(jī)構(gòu)如圖3所示，高壓蒸汽推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞頸帶動(dòng)外部機(jī)構(gòu)拖行飛機(jī)。隨著活塞前進(jìn)，打開活塞頸前面的內(nèi)氣缸同時(shí)關(guān)閉活塞頸后面的內(nèi)氣缸。在彈射沖程后期打開進(jìn)水口在活塞前端形成高壓水墻，延遲打開排水口造成液壓減震器效應(yīng)，在水力的制動(dòng)下活塞最終停止。

3 建立模型

用SIMPACK系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件建立活塞、飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型?？紤]甲板摩擦力、活塞摩擦力，蒸汽推力作用在活塞上，空氣阻力、飛機(jī)升力、發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用在飛機(jī)上?；钊c飛機(jī)用28號元件連接，元件與甲板平面的夾角為30°。動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示，參數(shù)見表1。

參照文獻(xiàn)［7～10］，將式（1）～（3）的蒸汽壓力P、空氣阻力D、飛機(jī)升力L作為表達(dá)式輸入SIMPACK系統(tǒng)中。

當(dāng)飛機(jī)升力L等于飛機(jī)重量時(shí)，飛機(jī)速度減去航母速度即是飛機(jī)最小離艦速度。由式（3）得到飛機(jī)起飛絕對速度為96 m/s，航母速度為16 m/s，則飛機(jī)最小離艦速度為80m/s。

表1 主要仿真參數(shù)

4 分析結(jié)果

4.1 蒸汽初始壓力的影響

分析蒸汽初始壓力對彈射起飛的影響，不同蒸汽初始壓力下飛機(jī)加速度和速度隨彈射距離的變化曲線如圖5～圖6所示，活塞最大沖程為80m。內(nèi)氣缸缸徑為0.3m，蒸汽初始壓力分別為3 MPa、3.5 MPa、4 MPa、4.5 MPa四種工況。

蒸汽壓力值3.0 MPa工況下，活塞最大沖程80m結(jié)束時(shí)達(dá)不到最小離艦速度導(dǎo)致彈射失敗，其余工況下彈射成功。同一工況下飛機(jī)在彈射初始時(shí)刻加速度最大，隨著蒸汽初始壓力的升高，飛機(jī)在初始時(shí)刻的加速度增大，實(shí)際需要的活塞沖程縮短。當(dāng)蒸汽壓力值為4.5MPa時(shí)，最大加速度為47.5m/s2，實(shí)際需要的活塞沖程只有51.6m。

4.2 內(nèi)汽缸半徑的影響

為得到汽缸半徑大小對彈射起飛的影響，通過改變汽缸半徑值對彈射過程進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)定內(nèi)汽缸半徑分別為0.2m、0.3m、0.4m，蒸汽初始壓力分別為 2MPa、3MPa、3.5 MPa、4 MPa、4.5 MPa。如圖7～圖8所示為活塞沖程、最大加速度與缸徑、蒸汽初始壓力的對應(yīng)關(guān)系。

為了做到短跑道、小過載，內(nèi)汽缸半徑與蒸汽初始壓力必須合理匹配。若要求活塞沖程低于100m，最大加速度不超過50m/s2，按最小蒸汽壓力原則選內(nèi)汽缸半徑與蒸汽初始壓力組合為0.4m/2Mpa，最大加速度39m/s2，活塞沖程92m；若介意缸徑尺寸就選擇0.3m/3.5MPa組合，最大加速度38m/s2，活塞沖程79m。雖然大半徑汽缸安裝尺寸大，但是有如下優(yōu)點(diǎn)：缸內(nèi)壓力小蒸汽不容易泄漏且對彈射系統(tǒng)造成的機(jī)械負(fù)荷??；蒸汽初始壓力選擇范圍大，增加蒸汽壓力可彈射更重的飛機(jī)。

5 結(jié)語

通過建立單一汽缸的蒸汽彈射器的數(shù)學(xué)模型分析了彈射過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，得到以下結(jié)果。

1）增大缸徑可以降低活塞沖程增加飛機(jī)滑跑距離，并增加了蒸汽彈射器的彈射潛力，通過調(diào)整蒸汽初始壓力就可改變彈射重量，適用機(jī)型多。常態(tài)下蒸汽初始壓力較低，降低了系統(tǒng)運(yùn)行載荷；非常情況下，為了節(jié)省飛機(jī)燃油增加巡航半徑，可以不使用飛機(jī)助推，增加蒸汽初始壓力達(dá)到起飛速度。

2）提高蒸汽初始壓力可以增大飛機(jī)的起飛速度，但也會增加飛機(jī)過載。在使用過程中需要綜合考慮起飛速度和過載之間的制約關(guān)系，來確定蒸汽初始壓力的大小。

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Design and Simulation of Inner and Outer Cylinders of Steam Catapult

SHI Yan SHI Tiancheng
（Traction Power State Key Laboratory，Southwest JiaoTong University，Chengdu 610031）

Aiming at the difficulty of sealing to the cylinder of steam catapult，a design of inner and outer cylinder is put for?ward in this papen，which means an opening outside the cylinder nested a number of cylinder with opening，when installing，the opening of inside and outside cylinders are completely staggered.Aiming to the working principle of this steam catapult，it is estab?lished a simulation model.The results show that the radius of cylinder and the initial steam pressure have significant effect to the take off speed and acceleration，under certainly load，the radius of cylinder is inversely proportional to the initial pressure of the steam.

steam-powered catapult，dynamic simulation，inner and outer cylinders

U674

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.11.035

Class Number U674

2017年5月22日，

2017年6月24日

牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（2016TPL-T06）資助。

史炎，男，高級工程師，研究方向：轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)、多體動(dòng)力學(xué)。史天成，男，研究方向：數(shù)學(xué)建模與計(jì)算機(jī)仿真。