馮 宇， 于廣春， 吳增斌， 左振玉

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院， 北京 100072；2.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072； 3.陸軍試驗(yàn)訓(xùn)練區(qū)基地第四試驗(yàn)訓(xùn)練區(qū)， 北京 100072)

在某輪式空降戰(zhàn)車的研制過(guò)程中，需要對(duì)車輛的空投適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)考核，以驗(yàn)證其是否滿足空投的要求.采用試驗(yàn)樣車按照實(shí)際空投流程進(jìn)行空投的方法，可以全要素、全方位地對(duì)車輛的空投適應(yīng)性進(jìn)行考核，但該試驗(yàn)方法受運(yùn)輸機(jī)、空投貨臺(tái)、氣候等諸多因素影響，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題均會(huì)影響最終的試驗(yàn)結(jié)果，因此，該方法對(duì)試驗(yàn)條件要求高，試驗(yàn)組織難度大.此外，由于該試驗(yàn)需動(dòng)用運(yùn)輸機(jī)、占用專用試驗(yàn)場(chǎng)地以及大批試驗(yàn)保障人員，因此試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng).綜上所述，該方法不適于車輛研制過(guò)程中的早期試驗(yàn)考核，更適于技術(shù)狀態(tài)鑒定過(guò)程中的定型考核階段.

對(duì)整個(gè)車輛空投全過(guò)程分析可以發(fā)現(xiàn)，車輛工況最惡劣的環(huán)節(jié)是車輛著地沖擊的過(guò)程.根據(jù)之前的類似車輛試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，車輛著地時(shí)所受沖擊最大，峰值加速度可達(dá)20 g，持續(xù)時(shí)間約為200～300 ms[1].因此，考核車輛的空投適應(yīng)性重點(diǎn)是考核車輛的抗著地沖擊性能.如何通過(guò)模擬車輛著地時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，并將其施加在車輛上，將成為本次試驗(yàn)方法研究的重點(diǎn).

1 空投邊界條件分析

某輪式空降戰(zhàn)車采用的是某無(wú)貨臺(tái)空投系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用輪式裝甲車自身的承載能力，通過(guò)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)緩沖系統(tǒng)與車輛的快速裝卸.具備重量輕、效率高、準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單等特點(diǎn).

該型空降戰(zhàn)車的空投工作過(guò)程主要分為4個(gè)階段：①牽引傘將戰(zhàn)車牽引出機(jī)；②輔助引導(dǎo)傘將主傘打開(kāi)；③為主傘打開(kāi)，底板釋放，氣囊充氣；④戰(zhàn)車著陸，氣囊開(kāi)始緩沖并壓縮排氣，著陸后，主傘分離.

緩沖系統(tǒng)由墊板、前后梁、氣囊(含輔囊)和底板等組成，見(jiàn)圖1.安裝時(shí)，首先將墊板與車輛連接，然后，將裝配好前后梁和底板的氣囊安裝在車輛底部.緩沖系統(tǒng)工作時(shí)，底板釋放并打開(kāi)氣囊.在系統(tǒng)下落過(guò)程中，氣囊充氣并保持形狀，底板觸地后底部進(jìn)氣口封閉，車輛壓縮氣囊開(kāi)始緩沖至車輛完全著地，氣囊壓縮時(shí)，主氣囊的氣體排向輔囊，達(dá)到一定氣壓后，氣體通過(guò)輔囊排氣口排出[2]，氣囊壓縮過(guò)程見(jiàn)圖2.

圖1 緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 緩沖系統(tǒng)氣囊壓縮工作過(guò)程

綜合分析整個(gè)戰(zhàn)車空投過(guò)程中的受力以及已有裝備的試驗(yàn)結(jié)果，可知車輛著地時(shí)所受的沖擊應(yīng)是空投過(guò)程中的最大載荷.在不考慮地面傾斜度和水平速度的前提下，地面給車輛的沖擊是垂直向上的[3].

雖然戰(zhàn)車空投是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，但從受力的角度來(lái)看只需對(duì)車輛著地沖擊的過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，即可驗(yàn)證整車空投過(guò)程中的抗沖擊性能.根據(jù)傘降平臺(tái)的能力、以往車輛的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及相關(guān)要求，戰(zhàn)車空投時(shí)的著地速度應(yīng)控制在6～8 m/s.空投平臺(tái)只要將車輛底甲板的沖擊加速度控制在20 g以內(nèi)，則該空投試驗(yàn)即被認(rèn)為成功.

綜上所述，可以將戰(zhàn)車空投過(guò)程中的邊界條件總結(jié)如下：

1)車輛著地時(shí)的沖擊載荷應(yīng)為空投中的最大沖擊載荷，且該載荷垂直向上作用于底甲板；

2)車輛的著地速度為6～8 m/s；

3)車體底甲板的沖擊加速度≤20 g.

2 模擬著地沖擊試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

根據(jù)邊界條件的約束，只要將戰(zhàn)車按照空投狀態(tài)配裝好緩沖裝置，將著地速度控制在6～8 m/s，場(chǎng)地相對(duì)平整，即可對(duì)車輛的抗著地沖擊性能進(jìn)行考核.

現(xiàn)設(shè)計(jì)具體試驗(yàn)方案為：采用吊車將裝好緩沖系統(tǒng)的車輛連接在專用沖擊用遙控脫離鎖上，遙控釋放.在車輛釋放之前，緩沖氣囊已經(jīng)充滿空氣，車輛及緩沖系統(tǒng)自由落體著地.模擬著地沖擊試驗(yàn)方案見(jiàn)圖3.

采用車輛著速最惡劣工況進(jìn)行控制，選取著陸速度為8 m/s為控制值.

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(1)

根據(jù)方程(1)，求得H=3.2 m，即氣囊中部距離地面高度為3.2 m.

圖3 模擬著地沖擊試驗(yàn)方案圖

在進(jìn)行模擬著地沖擊試驗(yàn)的同時(shí)，還需對(duì)車輛主要關(guān)鍵部位進(jìn)行沖擊加速度測(cè)試.一方面檢測(cè)車體底甲板位置的沖擊加速度值，以評(píng)判試驗(yàn)的有效性；另一方面記錄車輛關(guān)鍵部位的沖擊加速度值，可為后續(xù)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，提供設(shè)計(jì)依據(jù).

沖擊過(guò)載測(cè)試主要是采用“時(shí)間-過(guò)載”曲線來(lái)判別.本試驗(yàn)采用的測(cè)試設(shè)備為DH-7816數(shù)據(jù)采集器(采樣頻率為1 kHz)、過(guò)載傳感器(40 Hz低通濾波).

按照試驗(yàn)評(píng)判和數(shù)據(jù)積累的需求，在車輛的指定位置安裝過(guò)載傳感器，傳感器感受的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)采集器并存儲(chǔ)，最后通過(guò)專用軟件得出“時(shí)間-過(guò)載”曲線.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次模擬空投試驗(yàn)所使用試驗(yàn)場(chǎng)地為平坦砂石地，模擬沖擊瞬間圖像見(jiàn)圖4.

圖4 車輛著地瞬間圖像

試驗(yàn)后，首先應(yīng)對(duì)底甲板中心位置的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判斷試驗(yàn)是否成功，車體底甲板中心位置沖擊曲線見(jiàn)圖5.

圖5 車體底甲板中心位置沖擊曲線圖

從圖5可知，本次試驗(yàn)底甲板中心位置著地沖擊峰值加速度為17.451 g，沖擊作用時(shí)間為231 ms.沖擊峰值≤20 g滿足要求，沖擊作用時(shí)間滿足200～300 ms要求.從具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線來(lái)看，本次沖擊的波形基本可分為4段.①緩沖裝置著地緩沖氣囊閉氣緩沖階段，隨著氣囊內(nèi)氣體不斷被壓縮，其內(nèi)部壓力逐步升高，并作用在車體的底甲板處，曲線為正向增長(zhǎng)，峰值為5.241 g.②當(dāng)緩沖裝置氣囊內(nèi)的壓力達(dá)到一定值時(shí)，氣囊側(cè)部排氣口打開(kāi)，氣囊內(nèi)壓力下降，車體底甲板的沖擊加速度隨之下降.③車體著地，車體底甲板的沖擊加速度快速提升，直至達(dá)到本次沖擊的峰值.④車體完全著地后，車體底甲板處的加速度急速衰減直至見(jiàn)為0.對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行分析，本次試驗(yàn)底甲板中心位置的沖擊加速度與緩沖裝置的工作過(guò)程相符，可以判定本次模擬著地沖擊試驗(yàn)成功.

表1給出了本次試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的沖擊加速度峰值和作用時(shí)間.其中位于首上甲板散熱器位置為本次測(cè)點(diǎn)中沖擊值最大點(diǎn)，達(dá)到了23.72 g.但從試驗(yàn)后的檢查來(lái)看，該位置車體及散熱器均完好，證明其設(shè)計(jì)能夠滿足車輛的空投沖擊要求.

表1 各測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)車輛空投過(guò)程的研究與分析，確認(rèn)車輛著地沖擊過(guò)程為整個(gè)空投過(guò)程中最為嚴(yán)酷的環(huán)節(jié).根據(jù)車輛著地沖擊過(guò)程的受力分析，設(shè)計(jì)了車輛的模擬著地沖擊試驗(yàn)，并開(kāi)展實(shí)際模擬空投試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果，表明該試驗(yàn)方法可有效地對(duì)車輛著地過(guò)程進(jìn)行模擬，可信度較高.通過(guò)該方法能很好地對(duì)車輛的抗著地沖擊性能進(jìn)行考核，而且試驗(yàn)條件較實(shí)裝空投要求低，可操作性強(qiáng)且環(huán)境條件易于控制，可大幅提高試驗(yàn)的迭代次數(shù)，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，具有較高的實(shí)際意義.