适配器发射技术

0 引言

适配器(国外常称为箱式发射导弹的侧向减振支持系统)是导弹与发射箱之间的弹性衬垫发射支撑.作为导弹与发射箱接触界面的适配器，其作用主要是对导弹提供支承作用;在发射箱受到冲击或振动时，对导弹提供减振作用;在导弹发射过程中提供导向作用.与有间隙的导轨发射方式不同，弹性适配器发射技术为无间隙发射，即适配器与发射箱之间采用过盈配合，而发射箱(包括适配器导轨)在加工装配上必然存在一定公差.在公差较大的条件下，适配器能否不卡滞在发射箱内，随导弹顺利出箱将影响到发射的安全性.

导弹初始姿态偏差过大，会影响导弹的正常起飞，使导弹在进入控制飞行之前就失败.同时，如果导弹在起控处的偏差过大，会导致导弹控制系统失控或控制作用降低，从而对整个发射技术的可实现性造成影响.适配器随导弹离箱后，必须与导弹实现可靠分离，避免与导弹或其他易损设备发生碰撞.适配器的分离特性受自然环境、导弹燃气流场分布以及分离机构的分离力等多种条件的作用，其中分离力是影响的主要因素.分离力量化指标的获得是保证适配器发射技术可实现性的重要条件.

本文对某种采用适配器发射方式的导弹从静止到离箱的发射动力学过程进行仿真分析，获得一定发射安全性及发射扰动等系统量化指标，为相关工程设计提供参考依据.

1 计算方法和工具

导弹在采用适配器发射方式时，导弹和适配器在发射离箱过程中，由于导弹推力的增加，导弹的速度随时变化，适配器与发射箱的接触面也也呈动态变化.在导弹的推力偏心、适配器的弹性变形等多种因素的相互作用下，适配器与发射箱、导弹之间的相互作用力呈瞬态变化.由于适配器发射技术的上述特点，目前，对适配器发射技术进行研究通常采用2种计算工具:(1)采用经典力学理论进行数值编程，从而进行计算求解;(2)采用成熟的仿真分析软件，对其进行仿真分析求解.

由于经典力学的理论编程无法分析发射过程中适配器自身应力、应变的变化情况及接触力的变化情况，本文决定采用方法(2)，并且从仿真分析软件具有的特点和擅长的领域出发，同时考虑解算时间的可接受性，选择具有显式时间积分求解法、解算速度相对较快的Dytran［1］作为研究计算的工具，Patran作为建模工具.

2 分析模型

本文共设置2组适配器，适配器放置在导弹中、后部，运输状态下起减振支承作用，发射时随导弹离箱.发射箱内设置适配器导轨.

由于导弹相对于适配器和发射箱整体刚度极大，导弹在发射箱内运动过程中所受过载不会引起导弹产生较大应力和变形，因此，将导弹模型处理为刚性模型，从而减少导弹模型有限元数量的划分.在导弹与适配器相对应的位置上，建立方块小凸起，与适配器凹槽对应，以此模拟导弹带动适配器运动的可分离机构.导弹与适配器可接触的部位均设置接触.

发射箱模型只建蒙皮和适配器导轨模型，省略易碎盖、闭锁机构等不影响发射箱刚度计算分析的部件.发射箱上下、左右蒙皮具有平行度偏差.

适配器导轨分为上、下2根，适配器导轨的支持面和滑行面采用一定夹角的设计.适配器分为前、后2组，每组包括上、下两个，位置上、下对称.适配器与弹体接触面为弧形，与弹体贴合，适配器具有一定角度和厚度.适配器设置一个凹槽，凹槽与导弹方块凸起相配合模拟导弹带动适配器运动的可分离机构，适配器适配器采用三维实体单元，适配器与弹体接触表面设置为接触.有限元分析模型见图1.在上述分析模型中，导弹设置为刚体.发射箱(包括蒙皮和适配器导轨)材料属性设置为铝合金，其弹性模量为7E+10 Pa.适配器为复合材料，根据工程实践的经验，适配器设置为里、外2层，其中，与导弹和适配器导轨相接触的一层设置的刚性较强，弹性模量较大;与之不接触的里层设置的刚性较弱，弹性模量较小.适配器材料属性分布见图2.

图1 有限元分析模型
Fig.1 Finite element analysis model diagram

图2 适配器材料属性分布
Fig.2 Adapter material properties diagram

为进行对比分析，适配器弹性模量分3种进行设置，其取值见表1.

表1 适配器弹性模量取值
Tab.1 Adapter elastic modulus value Pa

在适配器上施加一个随时间变化的压力，以模拟适配器离箱时瞬间变化的弹簧分离力.压力合力方向背离适配器向外，其峰值大小为20 N，作用时间为1 ms，压力总作用时间为3 ms.压力变化曲线见图3.

图3 压力变化曲线
Fig.3 Pressure change graph

3 仿真分析

按照适配器材料属性的不同，分别计算导弹3个方向上的离轨扰动角速度，其数值分别见图4～6.

图4 滚转角速度曲线
Fig.4 Roll angular velocity curves

图5 偏航角速度曲线
Fig.5 Yaw angular velocity curves

图6 俯仰角速度曲线
Fig.6 Pitch angular velocity curves

随着适配器弹性模量的减小，即适配器刚性的减弱，3个方向的离轨角速度都呈现减小的趋势，其中，对滚转角速度的影响尤为明显.

适配器弹性模量的减小对导弹离轨扰动的调节具有一定限制，当适配器的弹性模量减小到一定程度，即适配器弹性模量由表1的第2种变为第3种时，导弹离轨滚转角速度加大.

在模拟的弹簧分离力其峰值为20 N的条件下，典型时刻适配器与导弹分离过程变化云图见图7.

图7 适配器与导弹分离过程
Fig.7 Adapter and missile separation diagram

前、后适配器随导弹离箱时，沿适配器导轨所受摩擦力变化情况见图8和9，按适配器材料属性的不同(见表1)，分别计算求得三组值.

图8 前适配器摩擦力曲线
Fig.8 Front adapter friction curves

图9 后适配器摩擦力曲线
Fig.9 Back adapter friction curves

4 结束语

通过对搭建的适配器发射方式箱弹模型进行仿真分析计算，在适配器和发射箱满足一定要求的条件下，采用适配器方式发射导弹在工程技术上可行.相对于导轨发射方式，采用适配器发射方式不会增大导弹离轨扰动角速度，能有效减轻发射箱总质量，提高导弹联装密度，同时降低发射箱的加工和安装精度，从而降低生产难度和成本.