彈炮一體武器平臺導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)設計*

姚新科，張慶輝，徐宏斌，李 輝，程偉峰

(西安現(xiàn)代控制技術研究所， 西安 710065)

0 引言

車載彈炮一體發(fā)射平臺集成了導彈的精準打擊、高效毀傷能力，火炮的威力大、火力猛、反應敏捷等優(yōu)點以及載車的高機動性[1-2]。但后坐力大是火炮的固有特點，強大的沖擊載荷作用于導彈系統(tǒng)，對其軸線精度、彈載電氣設備及導彈系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[3-5]。因此，在彈炮一體發(fā)射平臺研制過程中，需對導彈發(fā)射架的振動特性進行研究，并對其采取相應的減振緩沖措施，具有非常重要的意義。

文中針對某車載彈炮一體發(fā)射平臺，基于火炮射擊振動試驗結(jié)果，對其導彈發(fā)射架振動沖擊特性進行研究，并設計了導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)，最后對其緩沖效果進行試驗摸底及驗證，為彈炮一體武器平臺的設計提供重要參考依據(jù)。

1 火炮射擊振動試驗

首先在未加緩沖機構(gòu)時，開展火炮射擊振動試驗，測試火炮射擊過程中導彈發(fā)射架的振動響應。一方面，對振動數(shù)據(jù)進行分析和評價，以此為依據(jù)設計緩沖機構(gòu)；另一方面，以該狀態(tài)下的發(fā)射架振動沖擊數(shù)據(jù)為輸入條件，在振動臺架上進行試驗，模擬火炮射擊的振動沖擊環(huán)境。

1.1 試驗方案

被試設備為某車載彈炮一體裝備，導彈發(fā)射架裝載配重筒裝導彈，底盤、車載電氣設備等均處于工作狀態(tài)，火炮射擊角度為0°和18°，振動傳感器布置在彈位下方和導彈發(fā)射架耳軸處。

振動測試設備由三向加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，測試前對傳感器進行檢測并標定。

測試過程中，每個射擊角度進行3組火炮射擊，第一組為7次單發(fā)射擊，第二組為兩次3連發(fā)，第三組為兩次5連發(fā)。振動測試時，單發(fā)發(fā)射測試第三發(fā)和第六發(fā)，3連發(fā)不進行測試，5連發(fā)全部進行測試。

1.2 試驗結(jié)果

分別對0°和18°射擊角度下的振動數(shù)據(jù)進行測試，對比分析發(fā)現(xiàn)，18°射擊角度下的導彈發(fā)射架振動響應較大，因此，僅對該狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行分析。

圖1(a)和圖1(b)所示分別為18°射擊角度下5連發(fā)射擊時的導彈發(fā)射架振動加速度曲線和功率譜密度。從中可以看到，下彈架前后方向的振動響應最為劇烈，其它測點和方向的振動響應較弱。第一發(fā)射擊時的振動加速度峰值最高，最大沖擊響應為22.48g，第二至第五發(fā)射擊時的最大沖擊響應在15.71～19.42g之間，沖擊持續(xù)時間均為約2 ms。加速度功率譜密度峰值為0.103 1g2/Hz，高于GJB 1032—90《電子產(chǎn)品環(huán)境應力篩選方法》中所規(guī)定的0.06g2/Hz，對外掛于該平臺上的導彈及部件的電氣性能造成一定影響。

圖1 18°射擊角度5連發(fā)射擊振動測試結(jié)果

2 緩沖機構(gòu)設計

根據(jù)火炮射擊振動試驗的測試結(jié)果，需要為導彈發(fā)射架和武器平臺連接裝置增加減振阻尼措施，最大限度地減小沖擊過載，改善車載彈炮一體武器平臺中導彈工作平臺的使用環(huán)境。

為有效保證導彈系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定性，需要緩沖機構(gòu)將導彈發(fā)射架的過載降低到10g以下；且沖擊作用后，緩沖機構(gòu)能使發(fā)射架復位，高低和方位的射向偏差角度控制在6′以內(nèi)；同時，緩沖機構(gòu)還應滿足武器裝備的使用環(huán)境要求。

由于武器平臺結(jié)構(gòu)尺寸的限制，設計的發(fā)射裝置緩沖機構(gòu)的尺寸不能對平臺整體結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生較大影響，因此，需要設計小型化的緩沖機構(gòu)。

傳統(tǒng)的緩沖方案一般有彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)、橡膠隔振器等。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，使用彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)導彈發(fā)射架的隔振緩沖，需要較大的結(jié)構(gòu)尺寸，不滿足本武器平臺的需求；由于橡膠材料的特殊性，橡膠隔振器對自然環(huán)境條件下的適應性不佳。因此，傳統(tǒng)的緩沖方案都不能滿足武器平臺的要求。

文中設計了金屬絲網(wǎng)三向隔振器，該隔振器以不銹鋼金屬絲網(wǎng)為主要的阻尼材料，利用金屬絲網(wǎng)的整體變形提供剛度，金屬絲間的相對滑移提供阻尼，從而達到減振和緩沖目的。沖擊載荷作用過程中，緩沖器在極短的時間內(nèi)發(fā)生彈性變形儲存沖擊能量，沖擊結(jié)束后，緩沖系統(tǒng)通過彈性系統(tǒng)振蕩緩慢釋放能量，達到緩沖的目的。此外，在沖擊作用中和作用結(jié)束后緩沖系統(tǒng)釋放能量過程中，由于干摩擦阻尼作用而耗散沖擊和振動能量，將進一步改善緩沖效果。因此，該緩沖器適用于火炮射擊振動沖擊載荷時間短、加速度峰值高的使用環(huán)境。

金屬絲網(wǎng)隔振器主要材料為不銹鋼，材料來自國內(nèi)，貨源充足，質(zhì)量可靠，且滿足環(huán)境適應性要求。

導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)由四塊隔振器組成，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，從前到后呈1-2-1排列，示意圖如圖2所示。

圖2 導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)示意圖

3 緩沖機構(gòu)摸底試驗

對金屬絲網(wǎng)三向隔振器的緩沖效果進行了摸底試驗，試驗示意圖見圖3。試驗在沖擊振動臺上進行，在聯(lián)接底板的四角安裝4個隔振器，隔振器上端與模擬負載(配重與導彈和導彈發(fā)射架的重量一致)聯(lián)接，加速度傳感器布置在配重塊上平面，測試沖擊過程中垂直、前后和左右3個方向的振動響應。試驗時底板固定在沖擊振動臺面上，以火炮射擊振動試驗中得到的發(fā)射架實際沖擊加速度峰值、脈沖持續(xù)時間為輸入(見表1)，監(jiān)測模擬負載的輸出響應。

表1 摸底試驗輸入沖擊載荷參數(shù)

圖3 緩沖機構(gòu)摸底試驗示意圖

圖4所示為緩沖機構(gòu)摸底試驗輸入和輸出沖擊載荷峰值的對比。從圖中可以看出，3個方向的輸出加速度峰值明顯降低，下降幅度在80%左右?？梢?，金屬絲網(wǎng)隔振器的緩沖效果非常顯著。

圖4 緩沖機構(gòu)摸底試驗輸入和輸出峰值對比

4 導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)驗證試驗

在沖擊振動臺上對導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)進行了驗證試驗，試驗工裝見圖5。試驗模擬導彈發(fā)射架實際狀態(tài)，在聯(lián)接底板上布置4塊緩沖器，緩沖器上端與導彈發(fā)射架工裝聯(lián)接，導彈發(fā)射架裝載配重筒裝導彈或電子彈，并在導彈發(fā)射架底板上平面布置三向加速度傳感器。

圖5 導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)驗證試驗工裝示意圖

4.1 沖擊載荷試驗

導彈發(fā)射架裝載配重筒裝導彈，在沖擊振動臺上以近似半正弦波模擬實際火炮射擊時的沖擊載荷，輸入?yún)?shù)見表1。對導彈發(fā)射架的振動響應進行測試，測試結(jié)果見圖6。從圖中可以看到，垂直、前后、左右3個方向的輸出加速度峰值顯著下降，且輸出的加速度峰值均小于導彈系統(tǒng)要求的10g，表明緩沖機構(gòu)有效地緩解了導彈發(fā)射架的沖擊載荷。

圖6 沖擊載荷試驗輸入和輸出加速度峰值對比

4.2 隨機振動試驗

導彈發(fā)射架裝載電子彈，并用導彈檢測儀檢查電子彈振動前的性能；將2具校靶鏡分別安裝在電子彈和導彈發(fā)射架上的鏡座內(nèi)，通過觀察校靶鏡確認彈軸相對導彈發(fā)射架的位置關系，調(diào)整導彈發(fā)射架工裝，使俯仰射角處于-6°，彈軸位置關系標記好后，退卸校靶鏡。同理，分別標記+10°俯仰射角和水平狀態(tài)。3種射角狀態(tài)軸線位置關系標記好后，退卸校靶鏡，進行隨機振動試驗。

隨機振動試驗輸入?yún)?shù)為火炮射擊振動試驗獲得的加速度功率譜密度，垂直、前后、左右3個方向的隨機振動試驗曲線見圖7(a)～圖7(c)，每個方向振動持續(xù)30 min。

圖7 隨機振動試驗曲線

每次振動結(jié)束后，利用導彈檢測儀檢查電子彈性能，并用校靶鏡確認3種射角狀態(tài)(-6°、+10°和水平狀態(tài))導彈軸線和導彈發(fā)射架軸線的位置關系。

通過導彈檢測儀對電子彈每次振動前后彈上熱電池、陀螺、閉鎖點火電阻、指令信號正向、反向電阻等項目的測試對比，電子彈的性能參數(shù)在振后基本無變化，且均在合格范圍內(nèi)，電子彈工作正常，振動對電子彈的性能沒有影響。

振動前后軸線參數(shù)對比見表2～表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨機振動后，導彈與導彈發(fā)射架相對角度在方位上均無變化，在俯仰上變化不大，最大誤差為2′，小于導彈系統(tǒng)要求的6′，振動對軸線精度的影響極小。

表2 垂直方向隨機振動前后軸線參數(shù)

表3 前后方向隨機振動前后軸線參數(shù)

表4 左右方向隨機振動前后軸線參數(shù)

通過隨機振動試驗可見，導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)使導彈系統(tǒng)各項參數(shù)均滿足要求，有效地保證了導彈系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

基于火炮射擊振動試驗結(jié)果，為車載彈炮一體武器平臺導彈發(fā)射架設計了金屬絲網(wǎng)三向隔振緩沖機構(gòu)，并對其進行了試驗摸底和驗證。結(jié)果表明，設計的導彈發(fā)射架緩沖機構(gòu)，適用于時間短、峰值高的火炮射擊振動環(huán)境，使導彈承受的沖擊載荷有效下降，加速度峰值在設計要求范圍內(nèi)；在隨機振動環(huán)境下，對電子彈性能未造成影響，導彈軸線精度滿足要求。該緩沖機構(gòu)保證了導彈系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。