一种压缩空气弹射器的研究

一种压缩空气弹射器的研究
摘要：以一种压缩空气弹射装置为背景，介绍了装置的结构组成、工作原理。

通过对其模型进行简化，在流固耦合软件ANSYS AUTODYN中建模，并对发射过程
进行仿真分析，得到装置发射弹药的加速度与时间关系曲线。

研究表明，这种无
人机发射系统以压缩空气为动力源，结构简单、原理可行，能够为无人机提供需
要的起飞速度。

关键词：压缩空气；ANSYS AUTODYN；仿真分析；流固耦合
0 引言
压缩空气弹射主要是以压缩空气为动力源，用空气压缩机将压缩空气输入到
高压气瓶中，通过阀门以达到控制气体流通的目的，压缩气体进入弹射筒内，推
动活塞，活塞带动弹射物体弹射出炮筒，达到规定的离筒速度。

目前我国在气动弹射方面已经取得许多研究成果，方九如研究了利用压缩空
气弹射的超近程防御系统；从龙腾等通过AUTODYN软件仿真研究了压缩空气弹射
内弹道模型;范奥博设计了一种筒套筒结构的压缩空气弹射装置，并用仿真软件AUTODYN进行了仿真分析；
根据前人的研究基础以及项目的实际要求设计一种压缩空气弹射装置，能将
无人机装入到弹射系统中，发射物的初速能够达到15m/s，结构简单，可靠性较高。

并且利用ANSYS AUTODYN建立弹射装置的简化模型，通过仿真分析可行性，
为具体实验提供理论支持和参照。

1 发射装置结构
根据项目要求，需要设计一种压缩空气弹射装置，能将质量为2kg的无人机，弹射后初速达到15m/s以上。

选用容积为6L的气瓶，气瓶最高承压0.8MPa，设
计的弹射筒内径为150mm，外径为156mm。

选用1.5寸电磁控制阀，阀体的流量
孔径为40mm。

2弹射模型的仿真
2.1 仿真模型的建立
根据项目要求，将发射物简化为圆柱形，由于圆柱形具有对称结构，所以在
软件中以2D形式建立模型。

为了简化弹射装置模型且不影响计算，将发射筒上
下边界和泄流孔上下边界设置为同一种材料。

将发射物设置为另一种固体材料，
选取铝材料为这两种固体材料的附加材料。

在高压气瓶区域填充压缩空气模块，
通过改变空气的密度及能量来达到改变压强的目的。

弹射装置整体采用Euler算法建立，对于固体模型发射筒的上下边界、泄流
孔的上下边界以及发射物模型采用Lagrange算法建立模型并且划分网格。

由于
简化模型涉及到流体高压空气和固体发射筒、泄流口的相互作用以及固体材料可
能产生塑性变形，所以选取shock状态方程和Johnson Cook强度模型的Al7039，将发射物的密度改为实际密度1.019 g/cm3。

2.2 仿真结果及分析
在电磁阀泄流口径为40mm的条件下，对弹射模型高压气瓶区域通过改变
空气的密度及能量，实现填充不同压强的高压空气。

分别取压强为0.4MPa、
0.6MPa、0.8MPa，分析不同压强条件下对发射效果的影响。

经过仿真计算，可以得到在不同压强下的高压气体对弹射物加速度的影响，
得到弹射物的加速度—时间曲线。

图1 0.4MPa发射物加速度-时间曲线
图2 0.6MPa发射物加速度-时间曲线
图3 0.8MPa发射物加速度-时间曲线
从仿真的结果分析可知，压强在0.4-0.8MPa范围内，电磁阀泄流口径为
40mm时，发射物在炮口达到的初速，随着压强的增大而增大，但这种变化不是线
性的。

当压强为0.4Mpa时，加速度变化较为平稳，但是炮口初速较小，不满足
要求；当压强为0.6Mpa时，加速度变化相对平稳，炮口初速也达到了要求；当
压强为0.8Mpa时，加速度变化不稳定，起落较大。

压强为0.6Mpa时，发射物的出筒速度能够满足项目要求，说明压缩空气弹
射方案的可行性。

3.结束语
（1）本论文以一种压缩空气式无人机弹射器为研究背景，在ANSYS AUTODYN
仿真软件中对该弹射器在不同压强下的弹射加速度及时间进行了耦合分析。

（2）压缩空气式无人机发射系统发射无人机时，无人机的起飞速度与储气
瓶充入压强的大小相关。

在给定储气瓶容积6L，膜片式电磁阀泄流口径40mm时，充入0.6MPa压强时才能满足起飞初速要求。

（3）在给定压强和泄流口径条件下，所设计的压缩空气式无人机弹射器结
构简单、原理可行，能够给无人机提供需要的起飞速度。

参考文献
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[2] 范奥博. 基于压缩空气弹射的单兵筒式武器研究[D].郑州大学,2019.
[3] 丛龙腾, 姜超, 鲁霄光,等. 基于AUTODYN的压缩空气弹射内弹道研究[J]. 航空兵器, 2014(5):4-6.
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基金项目：辽宁省教育厅项目：低空小型仿生折叠式扑翼飞行器研制（LJKZ0236）。