CN107044808B - 一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，包括转动桨毂、桨毂伸缩滑轨、桨叶、桨叶复位弹簧、伸缩连杆和弹体连接板等。桨叶安装角固定，通过挥舞铰与所述桨毂滑轨相连，桨叶的桨根处设有桨叶复位弹簧。所述桨毂中心通过柱状铰链与可伸缩连杆相连，连杆末端安装杆端滑轮，滑轮安装于弹体连接板的滑槽内。滑槽底部设置一排螺纹孔，将止位螺栓紧固于某一螺纹孔中用于限定滑轮位置。弹体连接板通过胶接方式与末敏子弹相连。该装置可折叠存放。与现有的末敏弹减速稳旋装置相比，该发明具有受横风影响小、稳定性高、通用性强、易操作，无动力消耗等突出优点，不仅可用于末敏弹减速稳旋，还可用于雷达扫描等活动，可靠性高。

Description

一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置

技术领域

本发明涉及一种用于末敏弹的减速稳旋装置，特别涉及一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置。

背景技术

末敏弹是末端敏感弹药的简称，在弹道末端可以探测到目标存在并自动激活，实施打击，广泛应用于现代军事。

目前，使末敏弹减速并形成稳态扫描运动主要有两种方式：降落伞式和弹体翼片式。前者采用减速伞和减旋伞这两级降落伞分别实现减速和稳旋，其过程复杂，成本高，开伞成功率不高，受横风影响大，易飘离战斗区域，在实战使用时效率不高。而后者采用减旋翼片(分单翼和双旋翼)，完成末敏弹的减速和稳旋。但在下落时若受到气流扰动，由于减旋翼片非对称结构，易造成弹体两侧受载非对称情况加剧，极易发生失稳，失去旋转轴线，造成稳态扫描失败；此外由于翼片减速面积小，下落速度快，易造成扫描间距变大，出现漏扫情况，命中率低(黄昆，刘荣忠.末敏弹敏感器占空比优化与捕获命中概率计算.中国兵工学会第27届弹药学术年会论文集.南京，1998,4,1.一种双翼无伞末敏子弹药，CN106403730A.)。

为解决现有减速稳旋装置结构复杂、易受外界干扰、自稳性差、对扫描技术要求高等问题，需要提出一种新型末敏弹减速稳旋装置。

发明内容

为解决当前末敏弹减速稳旋装置结构复杂、易受外界干扰、自稳性差、不利于扫描等问题，本发明提供一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，包括转动桨毂、N片桨叶、挥舞铰、N条桨毂伸缩滑轨、弹体连接板、滑槽、伸缩连杆、杆端滑轮；其中：

每个所述桨叶的桨根处设有挥舞铰；

所述转动桨毂上安装有N条桨毂伸缩滑轨，每个桨毂伸缩滑轨的外轨与转动桨毂固定连接；

所述挥舞铰固定在桨毂伸缩滑轨的内轨上；

所述弹体连接板上设置有滑槽；

所述伸缩连杆的一端与转动桨毂的中心点连接，另一端通过杆端滑轮安装在滑槽内。

作为本发明的进一步技术方案，所述伸缩连杆的一端通过柱状铰链与转动桨毂的中心点连接。

作为本发明的进一步技术方案，所述挥舞铰上安装有桨叶复位弹簧。

作为本发明的进一步技术方案，所述转动桨毂上安装的四条桨毂伸缩滑轨呈径向均匀分布。

作为本发明的进一步技术方案，所述弹体连接板与末敏子弹胶接。

作为本发明的进一步技术方案，所述滑槽上设置有止位挡块以限制杆端滑轮的移动范围。

作为本发明的进一步技术方案，所述滑槽的底部分布有一排螺纹孔，止位螺栓置于某一螺纹孔中以限定杆端滑轮在滑槽中的最大位移量。

作为本发明的进一步技术方案，所述桨毂伸缩滑轨还设置有伸缩滑轨止位销钉。

作为本发明的进一步技术方案，所述桨叶(2)安装角固定。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明具有受横风影响小、稳定性高、通用性强、易操作，无动力消耗等突出优点，不仅可用于末敏弹减速稳旋，还可用于雷达扫描等活动，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是装置翻转后的结构示意图。

图3是伸缩滑轨的结构示意图。

图4是伸缩连杆及滑槽结构示意图。

图5是滑槽及止位螺栓的剖视图。

图6是装置折叠状态下的剖视图。

图7是装置适用于不同直径末敏弹的示意图，其中，(a)是装置用于直径较小的末敏子弹示意图，(b)是装置用于直径较大的末敏子弹示意图。

图8是装置用于不同直径末敏弹的折叠原理图，其中，(a)是装置用于直径较小的末敏子弹示意图，(b)是装置用于直径较大的末敏子弹示意图。

图中：1为桨毂、2为桨叶、3为挥舞铰、4为桨毂伸缩滑轨、5为桨叶复位弹簧、6为弹体连接板、7为滑槽、8为伸缩连杆、9为杆端滑轮、10为止位螺栓、11为末敏子弹、12为止位挡块、13为伸缩滑轨外轨、14为伸缩滑轨内轨、15为伸缩滑轨止位销钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明是一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，如图1和图2所示，包括转动桨毂1、N片桨叶2、挥舞铰3、N条桨毂伸缩滑轨4、桨叶复位弹簧5、弹体连接板6、滑槽7、伸缩连杆8、杆端滑轮9、止位螺栓10、止位挡块12、伸缩滑轨止位销钉15。其中，N的取值可以根据实际需求选取，例如3、4、5，本发明的实施例中选取N＝4。

转动桨毂1与桨叶2连接原理如图2和图3所示。转动桨毂1上设有呈径向均布的四条桨毂伸缩滑轨4，桨毂伸缩滑轨4的外轨13固定在桨毂上，内轨14可伸缩滑动，外轨13和内轨14的滑轨行程由伸缩滑轨止位销钉15进行限定。桨叶2安装角固定，桨根处设挥舞铰3，挥舞铰3上安装有复位弹簧5。

四片桨叶2在末敏弹发射前，处于折叠状态，桨叶2紧贴末敏子弹11，当被抛射出母弹时，在桨叶复位弹簧5的弹簧力作用下，四片桨叶1展开。挥舞铰3与桨毂伸缩滑轨4的内轨14相连，通过调整桨毂伸缩滑轨4内轨14的伸长量，可使折叠状态的桨叶2与现有任何直径的末敏子弹11相贴合。当桨叶2展开并旋转工作时，桨叶2在离心力作用下将伸缩滑轨4的内轨14沿伸缩方向向外拉出，进一步扩大桨盘直径，增加下落阻力和稳定性。

本发明中，桨叶2安装角固定，产生下落阻力，起到减速稳旋的作用。桨根处设有挥舞铰3，允许桨叶2做挥舞运动，以平衡旋转一周的气动力矩，防止气流扰动使弹体失稳。挥舞铰3上安装有桨叶复位弹簧5，起挥舞限动和复位的作用。四片桨叶2在末敏子弹11发射前，处于折叠状态，桨叶3紧贴末敏子弹11，当被抛射出母弹时，在桨叶复位弹簧5的弹簧力作用下，四片桨叶展开。

伸缩连杆8与滑槽7以及转动桨毂1的连接原理如图4所示。伸缩连杆8一端与转动桨毂1铰接，另一端与杆端滑轮9连接。转动桨毂1的中心点处还设有柱状接头，以便铰接伸缩连杆8。杆端滑轮9可在弹体连接板6上的滑槽7内滑动。当减速稳旋装置工作时，在气动力和弹体重力作用下，伸缩连杆8伸长至最大值，使桨盘与末敏子弹11距离增加，进一步增大气动阻力。

本发明中，伸缩连杆8分为三段伸缩。伸缩连杆8一端与转动桨毂1的中心点采用柱状铰链连接，使伸缩连杆8可随转动桨毂1一同做自转运动。伸缩连杆8的另一端通过杆端滑轮9安装在弹体连接板6的滑槽7内，使杆端滑轮9可在滑槽7内滑动。在末敏子弹11发射前，伸缩连杆8处于收缩状态，置于弹体连接板6的滑槽7内，转动桨毂1与弹体连接板6贴合。当减速稳旋装置工作时，在气动力和弹体重力作用下，伸缩连杆8被转动桨毂从滑槽7内拉出，伸长到最大值，增加了桨盘与末敏子弹间的距离，防止弹体阻碍桨盘入流量，以增大下落的气动阻力。

滑槽7及止位螺栓10的结构如图5所示。弹体连接板6用胶接方式与末敏子弹11连接，弹体连接板6的径向设置有滑槽7。滑槽7内设置止位挡块12，以防杆端滑轮9滑动到弹体连接板6中心，出现机构卡死，无法自动调节弹体重心位置的现象。滑槽7底部设置一排螺纹孔，止位螺栓10与某个螺纹孔连接，以限定杆端滑轮9在滑槽7内的位置，使不同重心位置的末敏子弹11都具有最佳扫描角度30°。由此，当末敏子弹进入工作状态悬挂于桨毂下方时，通过调节止位螺栓的位置，可保证不同大小、不同重心位置的弹体都具有最佳扫描角度30°。

本发明的旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，折叠状态时的剖视图如图6所示。伸缩连杆8折叠置于弹体连接板6上的滑槽7内，转动桨毂1与弹体连接板6贴合。

本发明的旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置适用于不同直径的末敏子弹11，如图7中的(a)和(b)所示。弹体连接板6与末敏子弹11胶接。当装置进入工作状态，桨叶2在弹簧力的作用下展开，提供下落阻力，并带动转动桨毂1开始旋转下落。伸缩连杆8拉长到极限，杆端滑轮9在滑槽7内向弹体连接板6边缘方向滑动，直到碰到止位螺栓10后锁定。在子弹发射前，通过调节止位螺栓10的位置以确保末敏子弹11具有最佳扫描角30°。

图8中的(a)和(b)是本发明装置用于不同直径末敏弹的折叠原理图。当装置置于母弹内或存放时，根据不同末敏子弹11的直径，调整桨毂伸缩滑轨4内轨的伸出长度，使桨叶2与末敏子弹11的弹体贴合，确保装置外形基本为圆柱形，节省空间，增大载弹量。

本发明的工作原理如下：

本发明通过旋翼自转下滑运动，完成气动减速稳旋，最终保持末敏子弹稳态下落。当装置被从母弹抛出时，开始做自由落体运动，同时，桨根处的复位弹簧恢复原长，自动打开折叠的桨叶，气流流过桨盘，使旋翼开始旋转，形成旋翼自转下滑效应，从而带动桨毂、伸缩连杆、弹体连接板以及末敏子弹旋转，从而形成末敏子弹一边旋转，一边下落的运动。同时，桨叶在离心力作用下向展向延伸，桨根处的伸缩滑轨拉长到最长，扩大桨盘直径，增加下落阻力。同时，在桨盘气动力和弹体重力的作用下，伸缩连杆拉伸到极限，将末敏子弹悬挂于桨毂下方(使桨盘远离弹体重心，增加下落阻力)，杆端滑轮沿滑槽向边缘运动，在碰到止位螺栓后锁定，确保末敏子弹倾斜，且具有最佳扫描角30°。在运动末期，旋翼产生的下落阻力与弹体重力平衡，稳定转速与下落速度，此时末敏子弹进入稳态扫描阶段。

存放该装置时，只需折叠可伸缩连杆，将其嵌入弹体连接板上的滑槽中，贴合桨毂和弹体连接板，并压缩桨根处的复位弹簧，使折叠桨叶与末敏子弹外壳贴合，置于母弹中即可。在使用时，直接炮射或机载投掷该装置。

本发明具备三大突出优点，稳定性高、通用性强和结构简单：

与无伞末敏弹受到气流扰动容易失稳相比，该装置具有自适应调节功能，可做到不受气流干扰，保持稳定轴线下落。当下落过程中受到气流扰动时，桨叶根部的挥舞铰允许桨叶做挥舞运动，将来流的动能转化为桨叶的挥舞动能，桨盘(由桨叶组成的挥舞平面)自适应地将扰动消除，而不将力传递到桨毂和弹体上，保证弹体不受气流扰动影响。且挥舞铰上设有复位弹簧，可防止挥舞量过大造成附加挥舞惯性力，影响弹体下落轴线。综上，该装置大大提高末敏弹降落稳定性，提高打击成功率。

该装置另一特点是通用性强，表现在两个方面：1、可同时适用于机载末敏弹和炮射末敏弹。2、装置可调，适用于不同直径、不同重心位置的末敏子弹。

当该装置用于机载末敏弹时，所述装置与末敏子弹胶接，并折叠置于母弹中。当从母弹中分离时，整个装置自由落体下落，弹体无初始自旋速度。桨根处的复位弹簧自动打开折叠态桨叶，在气流作用下，桨叶带动桨毂和弹体旋转，旋翼作自转下滑运动。在竖直方向上，可伸缩连杆被拉长到极限，使末敏弹悬挂于旋翼之下，并随旋翼一起旋转下落，此时重力大于桨盘产生的升力，装置加速下落，旋翼入流速度不断增大，使旋翼加速旋转，产生的下落阻力(即桨盘产生的升力)增大，忽略弹体本身的气动阻力，当桨盘产生的下落阻力与装置重力相等时，装置匀速下落，旋翼转速稳定，弹体进入稳态扫描阶段。在旋转方向上，旋翼通过柱状铰链带动弹体一同旋转，最终进入稳态扫描。

当该装置用于炮射末敏弹时，装置与弹体胶接，折叠置于母弹中，母弹置于炮膛中，发射炮弹时，在炮筒膛线作用下加速旋转射出，子弹从母弹中分离出来，此时，整个装置有初始自旋速度。被抛出时，桨叶展开，可伸缩连杆被拉长到极限，使末敏弹悬挂于旋翼之下。从能量角度分析，随着装置下落，装置的初始旋转动能不断地转化为弹体的旋转动能和旋翼的旋转动能，即无论末敏弹初始旋向如何，旋翼和弹体都形成一个阻力作用减小装置的初始自旋速度。若装置初始自转方向与旋翼自然自转下滑方向相同，最终装置的旋转速度会减为旋翼稳态自转下滑速度，进入稳态扫描阶段。若装置初始自转方向与旋翼自然自转下滑方向相反，只要落距足够，在旋翼阻力作用下，装置自转速度逐渐减为零，并在旋翼自传下滑的带动下，开始反向旋转，最终达到稳定转速和稳定落速，进入稳态扫描阶段。

装置设有桨毂伸缩滑轨，当该装置置于母弹中时，桨根处的弹簧被压缩，桨毂上的滑轨伸出适当长度以适应不同弹体直径，桨叶折叠收起并与末敏子弹外壳贴合。装置在弹体连接板上设有滑槽和止位螺栓，以便调节杆端滑轮移动位置，确保末敏子弹悬挂于桨盘下方时，不同直径、不同重心位置的末敏子弹都具有最佳扫描角。

此外，该装置可折叠，结构简单，节省空间，提高装载效率。使用时直接空投或炮射母弹，装置即可自动工作，完成扫描打击。

该减速稳旋装置与目前采用的有伞末敏弹减速稳旋机构相比，具有受横风影响小，落速快，扫描频率高，结构简单，易于存放的优点；与当前的无伞末敏弹减速稳旋机构相比，具有强自适应调节能力，稳定性高，存储空间小的优点。

该装置实现功能的技术参数如下：

一、稳态扫描的实现

装置在下降过程中，受到弹体重力、旋翼自转下滑产生的气动阻力、装置下落气动阻力(较小，计算时可忽略)的共同作用。稳态扫描过程是旋翼转速稳定，下落速度稳定，并开始实现扫描的运动阶段。此时旋翼产生的气动阻力等于弹体重力。此时，落速在26.5-27.5m/s，转速在7.5-8.5r/s范围内扫描间隔对命中概率影响最小，扫描角30°时，末敏弹系统效能最佳。

以一般末敏弹为例，其外形大致为圆柱形，直径120mm，高210mm,质量7.5kg，取落速27m/s，转速8r/s，扫描角30°。设定旋翼的升阻比为12，空气密度为1.2kg/m³。

以装置总重8.5kg为例，当系统进入稳态扫描时，重力和气动阻力之和与升力平衡。此时桨叶安装角30°，长宽比3.125。计算可得，弦长0.08m，展长0.25m即可满足要求。

对于不同规格的末敏弹，均可通过旋翼桨叶的结构设计实现升力与重力和阻力之和的平衡，从而实现稳态扫描。

二、减速稳旋过程的实现

首先假设弹体是机载末敏弹，无初始旋转。当末敏弹被从母弹抛射出后，最初做自由落体运动，旋翼打开，开始自转下滑并带动弹体旋转，随着下落速度增加，最终受力平衡，进入匀速下落状态，这个过程，是末敏弹的减速稳旋阶段。此时，装置受重力、旋翼自转下滑产生的气动阻力、装置气动阻力(较小，计算时可忽略)的共同作用。最初，旋翼转速较慢，重力大于升力，在重力作用下，装置开始加速下落，旋翼自转下滑，带动弹体一起旋转。随着下落速度增加，旋翼竖直方向相对来流速度增大，阻力逐渐增大，旋翼转速增加，此时阻力分解到桨叶上的加速力逐渐减小，使旋翼转速增加的加速度减小，最终减为零，旋翼转速稳定，升力稳定，当阻力等于重力时，装置加速度为零，整个装置稳定转速并匀速下落。

设定装置总重8.5kg，末敏弹直径120mm，高210mm,质量7.5kg，稳定落速27m/s，扫描角30°。经理论计算，当抛射高度大于400m时，减速稳旋阶可顺利完成，并有足够的时间稳态扫描。

再假设母弹是炮射末敏弹，有初始旋转。当末敏弹从炮膛中射出时，子弹与母弹分离，由于膛线作用子弹高速旋转，一边旋转一边下落，同时，旋翼打开。此时旋翼完全被弹体带转共同下落，弹体初始的旋转动能转化为旋翼的旋转动能和弹体的自旋能量，使弹体旋转动能降低，转速降低，即在此阶段，旋翼起到阻碍旋转的作用，降低装置自旋速度。假设弹体初始旋向与旋翼自由自转下滑方向相同，在竖直方向上，随着装置下落速度增大，桨叶相对来流增大，桨盘升力增大，升力分解到桨叶上的加速力逐渐减小，使旋翼转速增加的加速度减小，旋翼转速趋于稳定，升力趋于稳定，当升力与重力和阻力之和平衡时，弹体进入匀速下落状态；在自转方向上，初始时，弹体自旋速度较高，带动旋翼旋转，旋翼提供阻力作用，转速越接近旋翼自由自转下滑转速时，阻力越小，最终，当转速等于自转下滑转速时，阻力为零，转速稳定为旋翼自转下滑速度，转向与弹体初始转向相同。假设弹体初始旋向与旋翼自转下滑方向相反，在自转方向上，随着装置下落速度增大，桨盘升力增大，转速增大，桨盘扭矩增大，桨盘阻碍自旋的效果愈加明显，弹体自旋速度逐渐降低并减为零，随后，旋翼开始带动弹体反向旋转，旋转速度逐渐增加到自转下滑速度，此时在竖直方向上，装置受力平衡，进入稳态扫描阶段。

弹体初始旋转方向与旋翼自由自转下滑方向相反时，需要的落距显然较大，以此为算例。设定装置的阻力系数为0.2，总重8.5kg，末敏弹直径120mm，高210mm,质量7.5kg，稳定落速27m/s，初始转速300r/s，扫描角30°。经理论计算，当抛射高度大于700m时，减速稳旋阶可顺利完成，并有足够的时间进入稳态扫描阶段。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，其特征在于，包括转动桨毂(1)、N片桨叶(2)、挥舞铰(3)、N条桨毂伸缩滑轨(4)、弹体连接板(6)、滑槽(7)、伸缩连杆(8)、杆端滑轮(9)；其中：

每个所述桨叶(2)的桨根处均设有挥舞铰(3)；

所述转动桨毂(1)上安装有N条桨毂伸缩滑轨(4)，每个桨毂伸缩滑轨(4)的外轨(13)与转动桨毂(1)固定连接；

所述挥舞铰(3)固定在桨毂伸缩滑轨(4)的内轨(14)上；

所述弹体连接板(6)上设置有滑槽(7)；

所述伸缩连杆(8)的一端与转动桨毂(1)的中心点连接，另一端通过杆端滑轮(9)安装在滑槽(7)内；

所述滑槽(7)上设置有止位挡块(12)以限制杆端滑轮(9)的移动范围，所述滑槽(7)的底部分布有一排螺纹孔，止位螺栓(10)置于某一螺纹孔中以限定杆端滑轮(9)在滑槽(7)中的最大位移量。

2.根据权利要求1所述的一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，其特征在于，所述伸缩连杆(8)的一端通过柱状铰链与转动桨毂(1)的中心点连接。

3.根据权利要求1所述的一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，其特征在于，所述挥舞铰(3)上安装有桨叶复位弹簧(5)。

4.根据权利要求1所述的一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，其特征在于，所述转动桨毂(1)上安装的四条桨毂伸缩滑轨(4)呈径向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，其特征在于，所述弹体连接板(6)与末敏子弹(11)胶接。

6.根据权利要求1所述的一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，其特征在于，所述桨毂伸缩滑轨(4)还设置有伸缩滑轨止位销钉(15)。

7.根据权利要求1所述的一种旋翼式末敏弹减速稳旋通用装置，其特征在于，所述桨叶(2)安装角固定。