重載負荷下的燃氣作動筒內(nèi)彈道推力特性研究*

吳憲舉，吳 豪，余威格，詹京松

(臺州學院航空工程學院， 浙江臺州 318000)

0 引言

作動筒作為一種直線往復運動的執(zhí)行元件，可分為液壓式和氣壓式，廣泛應用于各行各業(yè)中，如用于導彈的彈射系統(tǒng)及民用客機的應急起落架系統(tǒng)[1-2]。燃氣式作動筒是采用火藥作為動力源的驅動裝置，具有很高的能量密度，主要用于完成各種機構的展開和載荷釋放[3]。它具有輸入能量小、響應速度快、可靠性高等優(yōu)點[4]，大量應用在導彈、衛(wèi)星和火箭的彈翼展開及其發(fā)射過程中。由于燃氣系統(tǒng)中多個物理過程相互交織，多種載荷共同作用，計算其內(nèi)彈道解析解有很大難度[5]，國內(nèi)外專家學者大多采用計算機手段來得到其數(shù)值解。姚小寧、屠小昌等對某彈翼展開機構中的燃氣作動筒建立了內(nèi)彈道模型，采用的是不帶高壓的作動筒結構類型[6]；謝建對高壓室-作動筒結構進行分析，得到了壅塞流動條件下的內(nèi)彈道模型[7]；譚大成對高壓室-作動筒式內(nèi)彈道特性進行了詳細分析，并建立了非壅塞條件下的內(nèi)彈道模型[8]；張石玉采用Cook高壓氣體狀態(tài)方程計算作動筒內(nèi)彈道性能,并耦合運動幾何關系求解彈翼展開行程[9-10]；李海軍、游坤、稅朗泵、郭姣姣對高壓冷氣式作動筒內(nèi)彈道特性進行了數(shù)值模擬計算[11-13]。

文中以某軍工項目為研究背景，采用高壓室燃氣作動筒結構方案，建立其內(nèi)彈道模型，對燃氣作動筒加載一系列的負載進行推力特性的定性定量研究，得出了燃氣作動筒推力及內(nèi)彈道特性的一般規(guī)律，為作動筒的工程應用提供了借鑒。

1 燃氣作動筒結構及工作原理

燃氣作動筒結構可分為兩種:一種是作動筒結構，原理是將火藥放置在作動筒內(nèi)直接燃燒產(chǎn)生高壓燃氣，活塞在燃氣作用下推動負載做功；另一種是帶高壓室噴管式作動筒結構，其原理是將火藥放置在高壓室內(nèi)燃燒生成高壓燃氣，燃氣流經(jīng)噴管進入作動筒內(nèi)進而推動活塞做功。前者結構簡單緊湊，內(nèi)彈道計算方便，多用于推力不大的場合。缺點是由于火藥燃速與環(huán)境壓強高度耦合，壓強不僅與火藥氣體生成量呈正相關，還與活塞的移動速度呈負相關。一旦活塞移動速度過快，必然使得壓力下降過快甚至低于臨界壓力，就會造成火藥自身燃速不穩(wěn)定甚至是熄滅。后者采用高壓室噴管作動筒式結構方案，主藥柱在高壓室內(nèi)燃燒，高壓室建立起的穩(wěn)定壓強保證了藥柱的穩(wěn)態(tài)燃燒，從而提高了藥柱的燃燒穩(wěn)定性。

選取高壓室噴管式燃氣作動筒為動力系統(tǒng)，用于推動滑軌上的負載，進而對其推力特性進行定性定量分析，其結構如圖1所示。主要由點火藥1、主裝藥2、端蓋3、高壓室本體4、作動筒本體5、密封橡膠圈6、活塞本體7、活塞桿8、負載9和滑軌10組成。

圖1 高壓室燃氣作動筒推動負載示意圖

高壓室本質上是一個以火藥燃氣為動力源的半密閉燃燒室，燃氣壓強的變化規(guī)律直接影響到流入作動筒的燃氣量，從而影響作動筒內(nèi)的燃氣壓強變化規(guī)律，最終影響其負載的運動規(guī)律。當作動筒壓強與高壓室壓強之比p2/p1小于臨界壓強比時，其噴管流動特性不受作動筒內(nèi)壓強影響，燃氣流在喉部保持聲速流動；當作動筒壓強與高壓室壓強之比增大達到臨界壓強比時，噴管喉部的燃氣流p2/p1會出現(xiàn)亞音速流動現(xiàn)象。在亞臨界狀態(tài)下，由于作動筒壓強相對較高，使得高壓室燃氣流量不僅受高壓室壓強大小的影響，還受低壓室壓強大小的影響。因此在此狀態(tài)下，高壓室壓強會受到作動筒壓強大小的影響。

該系統(tǒng)的工作原理是：點火藥點火，引燃主裝藥，主裝藥在高壓室內(nèi)按照燃燒規(guī)律進行平行層端面燃燒，產(chǎn)生高壓燃氣通過噴管流入作動筒內(nèi)，作動筒壓力升高，活塞在高溫高壓的燃氣作用下推動負載向右滑動。對于高壓室來說，一方面主藥柱的燃燒產(chǎn)生的高壓燃氣使得高壓室的壓強不斷升高，同時噴管又將高壓燃氣排出高壓室，當二者達到平衡時，高壓室內(nèi)壓強相對穩(wěn)定，此時藥柱燃燒也相對穩(wěn)定。對于作動筒內(nèi)壓強來說，一方面由于噴管流進的高壓燃氣使得其內(nèi)壓強升高；另一方面由于活塞向右運動使得作動筒內(nèi)自由容積增大間接導致壓強降低。當二者在某時刻達到平衡時，作動筒內(nèi)壓強不再升高，而是逐漸降低。當活塞運動到行程極限位置時，推桿會與負載分離，負載做自由滑行運動，作動筒內(nèi)的壓強在泄壓口的作用下與大氣壓相等，高壓室內(nèi)壓強會在藥柱燃燒完畢后逐漸減至大氣壓。

2 數(shù)學模型的建立

高壓室燃氣作動筒工作比較復雜，很難建立完全真實的物理模型和數(shù)學模型，即使建立較準確的模型而解算也需要作合理假設。

2.1 建立高壓室燃氣作動筒內(nèi)彈道模型假設條件

1)不考慮高壓室及作動筒內(nèi)的壓強分布，即高壓室內(nèi)的壓強處處相等，作動筒內(nèi)的壓強處處相等；高壓室及作動筒內(nèi)的燃氣按理想氣體處理。

2)燃氣在噴管內(nèi)的流動為一維、準定常、等熵的；燃氣的成分、物理化學性質認為固定不變。

3)整個系統(tǒng)與外界無能量交換,無燃氣泄漏。

4)高壓室與作動筒內(nèi)燃氣溫度不隨時間變化，即為常量。

2.2 數(shù)學模型的建立

高壓室本質上就是半密閉的火藥燃燒室，有兩個特點：一是高壓室容積不變；二是有氣體流出現(xiàn)象。作動筒內(nèi)壓強較低,又稱為低壓室。隨著負載的運動，低壓室容積不斷擴大。為簡化計算，忽略溫度的變化，得到高壓室及作動筒內(nèi)彈道數(shù)學模型如下：

3 Simulink數(shù)值仿真

利用Matlab中Simulink模塊搭建內(nèi)彈道仿真程序。作動筒直徑選用0.2 m，高壓室直徑為0.2 m，噴管喉部直徑為0.018 m，噴管出口直徑為0.04 m，活塞行程lm為1 m，主藥柱采用雙基藥柱雙鈷-2，藥量為0.91 kg，端面燃燒，燃速符合指數(shù)燃速規(guī)律，其中a=0.003，壓力系數(shù)p=0.2，次要功系數(shù)φ=1，負載選用480 kg，640 kg，800 kg，960 kg，1 120 kg，1 280 kg，1 440 kg，1 600 kg?；钊麠U推動負載做無摩擦平行移動，仿真結果如圖2～圖7所示。

圖2 高壓室壓強隨時間變化曲線

圖3 作動筒壓強隨時間變化曲線

圖4 推力隨時間變化曲線

圖5 負載加速度隨時間變化曲線

圖6 負載速度隨時間變化曲線

圖7 負載位移隨時間變化曲線

data1～data8表示的曲線依次為480 kg，640 kg，800 kg，960 kg，1 120kg，1 280 kg，1 440 kg，1 600 kg的負載。從圖2可以看出：盡管負載質量由480 kg增加到1 600 kg，高壓室內(nèi)的工作壓強曲線幾乎不發(fā)生變化。唯一區(qū)別在于燃燒結束后的拖尾段有所不同，這是由于負載與作動筒分離的時間有所差異造成的。從圖3可以看出：隨著負載質量的增加，作動筒內(nèi)的壓強也逐漸增加，壓強峰值由7.05 MPa增大到11.2 MPa，但總體走勢具有一致性。另外作動筒的工作時間也逐漸延長，從0.22 s延長到0.33 s左右。這是因為隨著負載質量的增大，活塞推動負載完成整個行程的時間也隨之增加的結果。圖4與圖3具有類似性，隨著負載質量的增大，活塞的推力增大(推力峰值由2.22×105N增加到3.52×105N)且作用時間也隨之增大。圖5為負載加速度隨時間變化曲線，可以看出：隨著負載質量的增大，負載加速度逐漸減小，其加速度峰值由461 m/s2降低到220 m/s2。圖6為負載速度隨時間變化曲線，可以看出：隨著負載質量的增大，負載離開推桿的瞬時速度逐漸減小，由28.4 m/s降低到19.5 m/s。圖7為負載位移隨時間變化曲線，可以看出：隨著負載質量的增大，其位移曲線呈越來越平緩趨勢，說明在某一時刻下其位移隨質量增大而逐漸減少。

4 結論

通過對燃氣作動筒進行理論研究，基于高壓室燃氣作動筒推動無摩擦負載的結構設計方案，建立了內(nèi)彈道模型，運用Matlab內(nèi)置模塊Simulink進行內(nèi)彈道程序編制，以負載為設計變量，得到了不同負載條件下的內(nèi)彈道參數(shù)和推力的數(shù)值解，通過對仿真結果分析，得到了燃氣作動筒的內(nèi)彈道參數(shù)和推力的一般規(guī)律。為高壓室噴管式結構的燃氣作動筒的工程應用提供了借鑒。