小口徑智能彈藥鴨舵展開技術研究

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摘要：針對基于扭簧為執行機構的折疊舵具有占用空間大，操作費時費力，不利于小口徑智能彈藥裝配的缺點，提出了一種新的折疊舵機構的設計方案。該折疊舵機構由舵機、舵片、推銷器組件、折疊機構等組成，所述折疊機構通過與舵機輸出軸共軸，共同形成舵機的轉軸，進而實現其與舵機的一體化。仿真及試驗結果表明：舵片在外力作用下展開迅速且展開鎖定后舵片沒有發生明顯的回彈現象，說明折疊舵機構的設計合理，可為折疊舵的工程運用提供參考。

關鍵詞：智能彈藥；小口徑；折疊機構；舵機

折疊式鴨舵是智能彈藥的重要部件之一，對于采用舵機為執行機構的小口徑智能彈藥，在發射后按照一定的控制時序，在執行機構的作用下完成舵片展開，并在鎖定銷作用下即停于鎖定位置[1]。折疊式鴨舵相較于固定舵便于貯存、運輸和發射，又因結構簡單，占用空間小等優點而廣泛應用于智能彈藥上，工程上常通過其性能的好壞來認定智能彈藥是否順利實現既定戰技指標[2-4]。針對折疊舵的展開過程，國內外學者開展了一定的研究。候政等人[5]基于拓撲優化技術，對導彈折疊舵結構顫振進行了優化設計；王國超等人[6]以某型導彈為例，對其折疊舵進行了動力學仿真和可靠性分析，并進行了優化分析；劉昊鵬[7]針對艦上彈射模擬系統，對折疊舵開展了動力學試驗和仿真工作，對比分析了試驗和仿真結果，為折疊舵的設計提供了指導。目前，大多學者涉及的折疊舵執行機構均為扭簧，具有占用空間大，操作費時費力，不利于小口徑智能彈藥裝配的缺點。本文針對某型號小口徑智能彈藥的鴨式電動舵機結構，設計了一種折疊舵機構，并通過使用動力學仿真及試驗相結合的方式對其性能進行分析驗證。仿真及試驗結果均表明，舵片在外力作用下展開迅速且展開到位后舵片沒有發生明顯的回彈現象，說明折疊舵機構設計合理，可為折疊舵的進一步工程應用提供一定參考。

1折疊舵機構設計與分析

1.1總體方案

折疊舵機構的功能是在彈藥發射前實現舵片的折疊鎖定，發射后根據智能彈藥的控制信號，完成舵片的展開及展后鎖定。主要由舵機、舵片、推銷器組件、折疊機構等組成，如圖1所示。

1.2舵機設計

對于選用雙通道或三通道控制方式的小口徑智能彈藥，舵機的體積與數量必然對空間布局產生重要影響，綜合傳動效率與性價比，縮短研制周期，提高產品可靠性，本文舵機最終采用錐齒與直齒相結合的減速傳動方案，伺服電機的動力通過一級錐齒輪和三級直齒減速傳遞到舵機輸出軸，輸出軸與舵片連接，舵機控制器根據接收的控制指令實現對舵機輸出角度的控制，如圖2所示。

1.3推銷機構設計

推銷機構采用由推銷器火工品和鎖舵機構的構成方案，且鎖舵機構分別由推舵裝置和鎖舵裝置組成，如圖3所示。在設計中將推舵裝置的斜面與舵片底緣斜率保持一致，并采用推舵裝置對舵片的行程距離大于鎖舵裝置對推銷器火工品的行程設計，以確保舵片在推銷器的作用下順利展開。當舵片處于展前鎖緊狀態時，鎖舵機構通過鎖舵裝置將舵片卡住；當推銷器執行舵展命令時，火工品引爆后帶動鎖舵機構上移，上移后的鎖舵機構由此產生兩種作用效果：一是鎖舵裝置解除對舵片的約束，二是推舵裝置通過斜面對舵片施加一向上推力，結合折疊機構作用于舵柄的彈力，兩者相互配合共同完成舵片的展開及鎖定。推銷器機構鎖舵效果見圖4。

1.4推銷機構設計

折疊機構采用與舵機一體化設計，具體表現為：折疊機構與舵機輸出軸共軸，共同形成舵機的轉軸，由壓簧和附在其表面的推銷組成。舵片與舵機輸出軸的機械接口采用銷固連，進而實現舵機帶動舵片偏轉。當推銷器執行舵展指令時，折疊舵的壓簧由于軸向約束減小，向外作用于推銷，推銷的移動通過舵柄處斜面限制舵片俯仰位移，進而卡住舵片，實現舵片鎖定。舵片展開前后效果如圖5所示。

2折疊舵展開過程的動力學仿真模型

2.1動力學仿真模型

在三維建模軟件中建立折疊舵機構的三維模型，導入動力學仿真軟件中，建立折疊舵機構的展前鎖定、展開和展后鎖定的動力學仿真模型。其中，在動力學模型中，舵機施加固定約束，舵柄根部施加轉動副；推銷機構和折疊機構施加滑動副以及加載設置彈簧參數，舵片與推銷機構間、舵片與折疊機構間、舵片與舵機將施加接觸條件，忽略空氣阻力以及摩擦阻力，加載后的最終效果如圖6所示。

2.2鴨舵展開過程中的動力學仿真結果

根據型號以往設計經驗，并結合文獻[8-9]，設置折疊機構的壓簧預壓載荷為15N，推銷器火工品的初始推力為300N，將仿真時間設為0.02s，步長取值為0.0001，進行仿真。重點關注的結果為壓舵展開角度、展開時間以及展開到位沖擊載荷等，仿真結果見圖7-圖8。從仿真結果可以得出：舵片展開時間為18.4ms，滿足技術指標小于20ms的要求；折疊舵片展開到位的角度為96°（原因在于舵片展前鎖定于舵機艙的角度為96°），且展開到位后穩定鎖住；單只舵片展開過程中承受的沖擊載荷在8ms附近達到最大值77N，之后推舵裝置解除對舵片的推力作用，舵片受到的沖擊載荷迅速減小，只在折疊機構推銷的作用下繼續展開到位，整個舵片展開過程受到的沖擊載荷滿足技術指標小于100N的要求。

3折疊舵展開過程的試驗研究

鴨舵靜態展開試驗是彈上推銷機構及折疊機構在靜態情況下，考核推銷機構桿件是否能夠實現展舵要求以及折疊機構能否有效實現舵展后鎖定的要求。試驗前先將測試工裝搭建在空曠的實驗室并完成舵機、推銷機構與舵機艙的展前鎖定裝配，其次完成舵機艙與測試工裝底板的安裝，最后在舵機艙上部，推銷器火工品模擬件通過內套一壓簧凸出底板上表面一定高度；試驗時通過高速攝像機立于測試臺一旁，試驗人員手持力作用器（能根據反作用力顯示所施加力的大小）作用于推銷器火工品模擬器，舵片展開并實現鎖定。試驗原理示意見圖9。由高速攝像機攝像原理[10]，本次試驗選取的高速攝像機為每拍攝一幀圖片，時間間隔為0.001s。從拍攝記錄的結果可知，舵片從開始展開到展開結束，共攝錄的照片為19張，進而可得舵片從展開到鎖定的時間共計19ms，排除彈簧阻尼、摩擦因數等不易測量的參數，進而說明仿真結果較為準確。以上結果表明折疊機構的展開時間滿足小于20ms的要求，仿真結果與試驗結果一致，且展開到位后舵片沒有發生明顯的回彈現象，說明折疊舵機構設計合理。

4總結

本文針對折疊式小口徑智能彈藥，從舵機、推銷機構、折疊機構等三方面開展了折疊式鴨舵機構的設計，建立了折疊鴨舵展開過程的動力學仿真模型，通過使用動力學仿真及試驗相結合的方式對其性能進行分析驗證，得出鴨舵展開變化規律與試驗結果一致的結論：舵片在外力作用下展開迅速并展開鎖定后舵片沒有發生明顯的回彈現象，說明折疊舵機構設計合理，可進一步為折疊舵的工程運用提供參考。

作者：劉偉 譚左紅 許剛 廖長清 單位：重慶航天機電設計院