气动弹射器阻尼孔对系统性能影响的研究

刘救世，马胜钢，董攀辉，窦小鹏，裴东杰

(1.郑州大学机械工程学院，河南郑州450001;2.郑州机械研究所，河南郑州450001)

随着科学技术的发展，无人机的应用越来越广泛，各种无人机弹射器的研发日趋重要。文中对一种贮气瓶供气的无人机气动弹射器进行了研究。

在气动弹射系统中，压缩空气的可压缩性大，气动装置中部分元件的气容较大，发射体 (无人机)的惯性大，阻尼孔的形式复杂，发射过程时间短等客观因素对系统的工作参数及稳定性和过渡过程影响较大。因此，要想科学合理的设计一套满足弹射功能要求和品质、性能优良的气动弹射器，必须建立该系统的理论分析模型，通过对该模型的仿真分析，研究该系统主要元件及工作参数对系统性能的影响，确定系统主要工作参数之间的匹配关系，为科学合理设计该系统奠定理论基础［1］。

1 贮气瓶供气气动弹射器的工作原理

贮气瓶供气空气弹射器的基本原理如图1所示。该弹射系统的动力源为装有压缩空气的贮气瓶。

弹射器发射时，电磁换向阀4通电换向，贮气瓶1中的压缩空气经管道、控制器2和电磁阀4进入气缸5的无杆腔，推动活塞和活塞杆带动增速器11连同钢丝绳9、滑车7及无人机8一起做弹射加速运动，气缸有杆腔中气体通过消声器3返回大气。当滑车运行至发射架末端时，无人机达到发射速度而脱离滑车飞向空中，完成无人机弹射过程。

图1 贮气瓶供气气动弹射器原理图

2 贮气瓶供气气动弹射器的数学模型

由于气动弹射器的工作过程较为复杂，在建立系统数学模型时采取了如下假设:(1)所使用的工作介质遵循理想气体的基本规律;(2)热力过程均看作是准静态过程，各参数视为集中参数;(3)因弹射时间短暂，气缸的工作过程可视为绝热过程。

在建立系统数学模型时，作者重点考虑了弹射系统中较大的惯性 (如无人机、滑车的质量)，系统中较大气容 (如气缸的空腔)，气动元件中对系统性能影响较大的气阻 (如贮气瓶出口、换向阀通流口、气缸进出口等)，忽略了次要因素 (如管道的气阻等)。对模型进行了必要的简化处理，如对于系统中弹射体的质量，根据增速器的增速比及能量守恒的原则，将无人机及滑车质量等效至气缸活塞杆端，系统中阀类元件的气阻可简化为节流小孔计算等。

简化后系统弹射过程的理论模型如图2所示。Sg为贮气瓶出口阻尼的有效截面积;Sd为换向阀阻尼的有效截面积;Sr为气缸进气口阻尼的有效截面积;Sc为气缸出口阻尼的有效截面积。如此简化的气动弹射系统，不仅方便对气动系统进行设计计算和理论研究，而且还能方便对其主要工作参数进行匹配［2－3］。

图2 气动弹射器的理论分析模型

将该系统分三段建立系统的数学模型是科学合理的。建立数学模型中具体参数的含义见表1。

表1 参数含义表

第一段是贮气瓶放气过程:

第二段是气缸充放气过程:

第三段是弹射体的运动过程:

3 贮气瓶供气气动弹射器的仿真模型

考虑到该系统所建立的数学模型是非线性方程组，选用四阶龙格库塔法求解是可行的。在编制系统的仿真模型时，仿真模型中的结构参数依据设计要求确定，部分无参考资料的性能参数通过试验确定(如部分元件阻尼孔的有效截面积，部分容性元)。对于在前述建模过程中未能考虑而又必须考虑的个别因素可在仿真模型中加入适当条件给予补偿 (如气缸的行程、气流速度的临界点等)。该仿真模型经过理论对比分析和部分试验验证，证明了该仿真模型与实际所研究的气动弹射系统基本吻合，可作为以后理论分析与研究的依据。

4 阻尼孔对系统弹射性能的影响

影响该系统弹射性能的关键参数除了贮气瓶工作压力、容积、气缸有效作用面积、弹射体质量以外，气动系统阻尼孔的组成形式、阻尼孔大小以及其匹配也对系统弹射性能有重大影响。研究的气动弹射器的基本工作要求是:弹射体质量80 kg、弹射末速度24 m/s、 (气缸的弹射末速度3 m/s)、弹射行程8 m。在该约束条件下分析阻尼孔对系统弹射性能的影响如下:

(1)气缸进气路阻尼孔对系统弹射性能的影响

气缸进气路阻尼孔包括:贮气瓶出气阻尼孔Sg、换向阀阻尼孔Sd、气缸无杆腔进气阻尼孔Sr。由弹射器的理论分析模型可知这3个阻尼孔的组成形式为串联关系，它们的综合作用可用阻尼孔串联合成有效截面积表示:

当系统其他参数一定时 (如:贮气瓶压力3 MPa，贮气瓶容积0.05 m3，气缸内径250 mm)，改变各阻尼孔的大小对系统弹射性能影响结果如表2所示。

表2 气缸进气路阻尼孔对系统性能影响

表2的仿真结果表明:

①在系统其他条件一定的情况下，无论阻尼孔Sg、Sd、Sr3者各自有效截面积的大小如何，他们3个合成的有效截面积S决定了系统的弹射性能。合成有效截面积S越大，系统的弹射速度越大、弹射时间越短。

②尽管合成有效截面积S由Sg、Sd、Sr共同决定，但当三者各自有效截面积的差值较大时 (如表2中Sg、Sd、Sr分别为4.91 ×10－4m2、7.85 ×10－5m2、7.07×10－4m2)，有效截面积较小的阻尼孔 (Sd为7.85×10－5m2)决定了系统的弹射性能 (弹射末速度v为2.72 m/s，仍然不能满足弹射性能要求)。也就是说如果其中一个阻尼孔过小时，另外两个阻尼孔无论如何大也难以满足系统的弹射要求，三者各自阻尼孔的有效截面积的匹配差值不能太大。因此，在气动弹射系统中除了合理选择设计驱动气缸进气口和贮气瓶出气口的有效截面积外，选用大通径换向阀与其匹配也是重要的 (如表 2中Sg、Sd、Sr分别为4.91 ×10－4m2、1.77 × 10－4m2、7.07 × 10－4m2，弹射末速度为3.502 m/s，满足弹射性能要求)。

(2)气缸有杆腔出气路阻尼孔Sc对系统弹射性能的影响

当气缸无杆腔进气路阻尼孔合成有效面积为S=1.62×10－4m2，不同阻尼孔Sc对系统性能的影响如表3所示。

表3 阻尼孔Sc对系统性能的影响

当气缸出气路阻尼孔截面积达到一定值时(4.0×10－4m2)，该阻尼孔对弹射气缸有杆腔内排放的气体几乎无阻碍作用，气缸运动阻力小、气体可迅速排放到大气中，气缸获得的速度大。仿真结果表明:在此弹射过程中，有杆腔内压力几乎等于大气压力，继续增加气缸出口阻尼孔截面积已无意义对系统弹射性能的影响很小。

气缸弹射的末速度随着气缸出口阻尼孔截面积的减小而降低。在弹射过程中，当气缸出气路阻尼孔截面积较小时 (1.0×10－8～1.0×10－4m2)，该阻尼孔对弹射气缸有杆腔内排放的气体的阻力较大，随着有杆腔容积的减小，有杆腔内的压力显著增加，对弹射气缸运动的阻力增大，气缸的加速度减小。从表3仿真数据可知，弹射完成后，有杆腔内的压力较大。

5 结论

(1)对贮气瓶供气弹射过程进行仿真研究时，采用的建模方法是正确可行的。

(2)对贮气瓶供气弹射过程进行仿真研究的结果为科学合理设计贮气瓶供气弹射装置奠定了理论基础。

［1］何庆，刘东升，于存贵，等.无人机发射技术［J］.飞航导弹，2010(2):24－27.

［2］陈怦，赵涛，王建培.无人机发射过程仿真与参数敏感性分析［J］.飞行力学，2002(3):21－24.

［3］李悦，张海黎.无人机气液压发射原理试验研究［J］.南京航空航天大学学报，2010(12):699－703.

［4］李浩，肖前贵，胡寿松.火箭助推无人机起飞发射段建模与仿真［J］.东南大学学报:自然科学版，2010(9):136－139.