摘要：采用虚拟样机方法，建立了导弹发射装置导弹发射时脱离轨道姿态的多体动力学模型，通过导弹3个滑块的位移变化趋势和导弹俯仰角的变化，分析了导弹在发射过程中的姿态变化趋势和对导弹发射姿态影响的导引面参数，为导弹发射装置导轨导引面的设计提供依据。
关键词：导弹发射装置；动力学；导弹姿态；虚拟样机方法
导弹发射装置是导弹发射系统中的重要部分，导弹在发射过程中时间非常短,但是它的运动和受力情况极其复杂。以往的研究方法都是先提出一种方案，制造出物理样机，然后通过多次破坏性的物理试验来确定导弹发射装置和导弹的一些性能参数，显然这种方法所付出的代价很高，而且最后得出的系统性能参数不一定最优。如果采用虚拟样机技术[1]先对这个过程进行仿真,用计算机通过参数优化得出一组合理的设计参数值,然后再根据这组合理的参数值制造物理样机做物理试验,可以节省时间,降低成本,加速导弹的研制进程。
在2005年已经提出了在导弹发射中采用ADAMS(Automatic Dynamic of Mechanical Systems)对其进行仿真[2]，其后很多研究领域对导弹的发射采用虚拟样机方法研究[3-7]。本文在不考虑风载与惯性力的情况下飞机姿态处于水平姿态时，采用虚拟样机方法分析了某导弹发射过程中的姿态和导轨式通用导弹发射装置的参数对导弹发射姿态的影响。
1 ADAMS仿真模型
将三维模型导入MSC.ADAMS软件中，得到导弹发射装置虚拟样机模型[8]，如图1所示。模型中包括导弹发射装置导轨、导弹、滑块(前、中、后)、功能部件，对功能部件中添加各运动保证其正常工作性能。导弹与滑块固定，滑块与导弹导轨为接触关系。
各部件材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，导弹的质量、质心位置及其转动惯量按实际参数值给定，在导弹尾部施加发动机推力实际值。
图1 导弹发射装置虚拟样机模型
2 导弹发射姿态分析
图2是导弹在滑行过程中，3个滑块上表面竖直方向的位移曲线。由设计室提供的模型可知，前滑块与后滑块在同一水平面内，而中滑块的位置稍高。导弹在航向移动过程中有以下几个阶段：
1) 开锁阶段，载荷持续施加0.07 s时，导弹克服开锁力准备发射，此时导弹的3个滑块位置基本不变；
2) 导弹在发射初期，3个滑块沿着轨道滑行，前滑块和后滑块在同一竖直高度，说明导弹没有发生俯仰；
3) 当导弹推力持续0.120 6 s时，前滑块滑出其轨道，由于导弹中心在前滑块与后滑块之间，因此导致导弹的后滑块的竖直位置比前滑块稍高，说明此时导弹的姿态发生俯视；
4) 当导弹推力持续施加0.172 s时，导弹后滑块与其导引面发生碰撞，导致导弹俯仰角发生变化。在这个阶段，初期导弹后滑块竖直高度比前滑块高，在0.187 s时，两个滑块在同一高度，之后导弹的后滑块比前滑块低，说明在这个阶段，导弹的姿态由俯视变为上仰；
5) 导弹仿真结果显示，导弹在0.193 s时3个滑块全部脱离轨道。
图2 滑块的竖直位移
图3是导弹发射过程中，导弹发生的俯仰角的变化曲线，从图3可以看出，导弹在发射过程中，导弹的俯仰角向下，然后慢慢变小，再逐渐增加，方向变为向上，因此导弹的姿态是先向下俯，然后由于导弹滑块与离轨导引面的碰撞，再向上仰；当0.193 s时3个滑块全部脱离轨道且滑出导引面时，导弹仰角为0.055 5°。
图3 导弹的俯仰角
3 导引面参数对导弹发射姿态影响分析
根据上节所得到的结果，导弹在发射过程中，滑块会与导引面发生碰撞，影响导弹离轨时的姿态；分析模型，导引面参数包括导引面与导轨角度θ以及导轨结束端到导引面起始端的距离L(图4)。
图4 导引面特征
3.1 参数L的影响
图5是L长度不同时，各种工况下导弹俯仰角随导弹航向位移的变化曲线。L为导轨结束面到导引面起始端的距离。从图5还可以看出，在各种工况下，随导弹航向位移的增大，导弹的俯仰角全部是先向下，即导弹呈俯视的姿态，然后随着导弹航向位移的增大，导弹滑块与导弹发射装置发生碰撞，导致导弹俯仰偏转方向发生变化。随着位移的逐渐增大，导弹俯仰角增大到正值，说明导弹的姿态为上仰。
图6给出了5种工况下导弹脱离轨道时的俯仰角。俯仰角都是正值，各工况下导弹呈上仰的姿态，且随着导轨结束面到导引面起始端的距离L的增大，导弹脱离轨道时的仰角越小，说明L值对导弹俯仰角的敏感度比较小。
3.2 参数θ的影响
图7是θ值不同时，各种工况下导弹俯仰角随导弹航向位移的变化曲线。从图7还可以看出，在各种工况下，随导弹航向位移的增大，导弹的俯仰角全部是先向下，即导弹呈俯视姿态，然后随着导弹航向位移的增大，导弹滑块与导弹发射装置发生碰撞导致导弹俯仰偏转发生变化。随着位移的逐渐增大，工况A的俯仰角角速度变小，但方向不变，说明工况A中，导弹在发射过程中一直呈俯视姿态，而其他4种工况的俯仰角角速度变小然后逐渐增大为正值。在工况B中，俯仰角一直为负值，说明工况B中，导弹在发射过程中一直呈俯视姿态，而其他3种工况的俯仰角由为负变为正值，说明导弹在这3种工况下，导弹在发射过程中的姿态先俯视后变为上仰。
图8给出了5种工况下导弹脱离轨道时的俯仰角，从图8中可以看出，随着θ值的增大，导弹的俯仰角由负值变为正值，说明随着θ值的增大，导弹脱离轨道时的姿态先俯视后变为上仰，说明θ值对导弹俯仰角的敏感度较大。
图5 导弹俯仰角随导弹航向位移变化曲线
图7 导弹俯仰角随导弹航向位移变化曲线
图6 各工况下导弹脱离轨道时的俯仰角
图8 不同θ值导弹脱离轨道时的俯仰角
4 结论
仿真结果分析，虚拟样机方法可以模拟导弹的发射过程，同时可以得出导弹发射过程中脱离轨道时的导弹姿态，通过虚拟样机仿真技术对此进行仿真得到不同仿真结果，给出了理想的导弹轨道模型。虚拟样机技术加快了设计进度，节省了生产成本、试验周期，很大程度上缩短了导弹发射装置的设计周期。
