气动弹射系统研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30123

综述

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气动弹射系统研究进展

刘夏¹, 许剑², 李笑宇¹, 刘慧楠¹, 张新敬¹^,³^,⁴(), 徐玉杰¹^,³, 陈海生¹^,³

^1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190
^2.中国科学院办公厅，北京 100864
^3.中国科学院大学，北京 100049
^4.中国科学院轻型动力创新研究院，北京 100190

收稿日期:2024-01-09 修回日期:2024-03-22 接受日期:2024-04-26 出版日期:2024-06-05 发布日期:2024-05-14
通讯作者: 张新敬 E-mail:zhangxinjing@iet.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52376040);北京市杰出青年科学基金(JQ21010);北京市科技新星计划交叉合作课题(20230484479);中国科学院轻型动力创新研究院创新引导基金

Research progress on pneumatic catapult systems

Xia LIU¹, Jian XU², Xiaoyu LI¹, Huinan LIU¹, Xinjing ZHANG¹^,³^,⁴(), Yujie XU¹^,³, Haisheng CHEN¹^,³

^1.Institute of Engineering Thermophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^2.Department of General Administration，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100864，China
^3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^4.Innovation Academy for Light-duty Gas Turbine，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China

Received:2024-01-09 Revised:2024-03-22 Accepted:2024-04-26 Online:2024-06-05 Published:2024-05-14
Contact: Xinjing ZHANG E-mail:zhangxinjing@iet.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52376040);Beijing Natural Science Foundation(JQ21010);Beijing Nova Program(20230484479);Funding of Innovation Academy for Light-duty Gas Turbine, Chinese Academy of Sciences

摘要/Abstract

摘要：

气动弹射技术在无人机起飞以及其他装备发射等领域受到广泛的关注与应用，本文围绕气动弹射系统理论研究及工程应用方面进行了归纳总结，论述了相关的理论研究进展、关键技术研发以及弹射器产品研发现状。在多工质气动系统研究方面，以压缩空气弹射居多，但以压缩二氧化碳为工作介质的气动弹射器具有更高的工作性能，不过在某些运行工况下会受限于二氧化碳三相点温度，因此在提升其系统综合性能方面还有待进一步研究；在弹射系统内弹道基础理论研究方面，研究方法多样，理论方法较为成熟，但在实际的工程应用方面，对大质量高速度的弹射要求，想要兼顾系统性能与设备轻量化，设计难度较大，在面向实际应用的结构设计优化研究方面有待进一步加强。

关键词: 气动弹射, 压缩空气, 弹射器, 内弹道特性, 结构与控制

Abstract:

The pneumatic launch technology has been widely concerned and applied in in UAV take-off and other fields of weapon launching. This paper summarizes the theoretical research and engineering applications of the pneumatic ejection system. The related theoretical research progress， the research and development of the key technologies， and the development status of catapult products are discussed. In the research on the multi-refrigerant pneumatic system， it is found that compressed air launch is the majority， but the pneumatic catapult with compressed carbon dioxide as the working medium has higher performance. However， it will be limited by the triple point temperature of carbon dioxide under some operating conditions， and thus needs to be further studied to improve the comprehensive performance of the system. In the research on the basic theory of interior ballistics of the ejection system， the research methods are various， and the theoretical methods are more mature. However， in practical engineering application， both the system performance and the lightweight of equipment need to be taken into account， considering the ejection requirements for high quality and speed. Thus， it is difficult to design the ejection system， and structural design optimization for practical application needs to be further strengthened.

Key words: pneumatic catapult, compressed air, catapult, internal ballistic characteristic, structure and control

中图分类号:

刘夏, 许剑, 李笑宇, 刘慧楠, 张新敬, 徐玉杰, 陈海生. 气动弹射系统研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 30123.

Xia LIU, Jian XU, Xiaoyu LI, Huinan LIU, Xinjing ZHANG, Yujie XU, Haisheng CHEN. Research progress on pneumatic catapult systems[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(22): 30123.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

图 4

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图 7

表1

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表 2

基于理想气体模型的压缩空气弹射研究文献对比

文献	弹射方式	基本参数		弹射性能			研究特点
文献	弹射方式	气源压力/MPa	气源体积/m³或弹射筒径/m	弹射行程/ m	弹射质量/ kg	最大弹射速度/（m∙s^-1）	研究特点
［35］	筒式	34~36	0.1	0.9	4	121	关注了气源压力、泄流面积以及弹射长度对弹射性能的影响，有试验结果验证且趋势一致，但试验与仿真数据值偏差略大
［36］	筒式	25~35	0.2~0.32	<12	200	178（泄漏）	考虑了泄漏带来的能量损耗
［37］	筒式	<0.5	0.79~0.88			25	考虑了初始温度的影响
［20］	筒式	2	450	100	57 600	95.73	考虑了发射阀全开时间的影响，并对弹射过程中的气室温度变化和质量流量进行了研究；但是在理论研究的基本参数取值上过于理想化，未考虑实际应用中的实现难度
［38］	筒式	0.5	1	5	6.336	74	已在理论研究指导下搭建弹射原理实验台并完成试验验证
［39］	筒式	1.8	0.137	0.04	4.5	52	已试制弹射样机并经某巡飞无人机发射试验验证
［40］	筒式	0.8	0.007	0.7	2	14.9	对试制样机开展了不同部署发射方式下的试验
［41］	筒式	0.8	0.025	1.03	7	33.99	基于试验验证的仿真模型完成了改进版粒子优化算法研究，提供了一种可靠的优化方法
［42］	导轨式	2	0.08	6.2	100	<40	考虑了弹射角度，并将各参数对弹射过程运动过载的影响进行了详细分析，有试验结果验证
［43］	导轨式	4~18	0.04~0.20	10	80	49.26	将气罐变化温差也纳入考虑并作为发射性能的衡量参数进行研究
［44］	导轨式	1	0.045	1.75	25	21	开发了一种用于根据无人机需求来确定各类弹射器尺寸的仿真工具，并对其执行模块进行摩擦和粘滞阻尼块以及硬止动块设置，可用于模拟滑车制动
［45］	导轨式	0.39~0.59	0.08		20~30	33.1	考虑了滑轮组受力及其转动惯量等关键参数对发射过程动态特性的影响
［46］	导轨式	0.6~0.8					基于工质流经气动元件的气流声导系数及临界压比研究实现发射阀响应时间的优化控制
［47］	导轨式	0.8	0.36	10.2	170	32.5	研究了滑车复位阶段的运动特性
［48］	导轨式	10	0.1	1	120	32	研究了滑车缓冲阶段运动特性
［49］	导轨式	0.2~1.0			10~30	12	研究了水下压缩空气弹射系统特性

表 2

图 15

图 16

表 3

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

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图 27

参考文献 77

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

模型	速度/（m∙s^-1）	模型位移/m	加速度/（m∙s^-2）	动能/J
无泄漏模型	200	5.82	1 592	4×10⁶
泄漏模型	178	4.95	1 314	3.17×10⁶

参数	数值
参数	文献［53］	文献［54］	文献［55］	文献［56］
弹射体质量/kg	2 000	1 000	500	2 000
高压室压力/MPa	200	15	8	12
高压室温度/K	>800	695	320	350
高压室容积/m³	0.004	0.01	0.1	1
低压室压力/MPa	0.1	0.1	0.1	0.1
低压室温度/K	293.15	293.15	300	300
低压室容积/m³	0.04	0.04	0.1/0.5/1.0	4
弹射行程/m	5	6	22.71（最佳发射状态下）	5
阀门直径/m	0.015	0.015	0.1	0.04/0.06/0.08/0.1

气动弹射系统研究进展

Research progress on pneumatic catapult systems

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