魏 征,劉鵬遠(yuǎn),肖 軍,張旭光,李勇林

(1.陸軍工程大學(xué), 石家莊 050000； 2.中國華陰兵器試驗(yàn)中心， 陜西 華陰 714200)

火箭橇試驗(yàn)以橇車為載體、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過橇車在軌道上高速運(yùn)動(dòng)，模擬被試品空中飛行速度、加速度特性，同時(shí)利用橇載測試設(shè)備、外測設(shè)備獲取被試品性能參數(shù)的試驗(yàn)方法。雙軌橇車是火箭橇試驗(yàn)中一種常用的試驗(yàn)方法，由于雙軌橇車可以實(shí)現(xiàn)橇車和被試品的安全回收，在導(dǎo)引頭、慣性導(dǎo)航設(shè)備等價(jià)格昂貴被試品的火箭橇試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。雙軌橇車剎車類型主要有阻力傘剎車、攔阻索剎車和水剎車等方式[1-2]。水剎車是利用剎車在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水阻力實(shí)現(xiàn)橇車減速、制動(dòng)，由于水剎車具有經(jīng)濟(jì)、靈活、制動(dòng)能力大等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于雙軌橇車回收試驗(yàn)。

水剎車在雙軌橇車回收試驗(yàn)中存在以下兩點(diǎn)不足：一是，雙軌橇車速度較高時(shí)，橇車入水速度高，產(chǎn)生的剎車水阻力較大，易導(dǎo)致剎車損壞或橇車變形。二是部分被試品不具備防水能力，火箭橇試驗(yàn)無法使用水剎車回收。將阻力板技術(shù)應(yīng)用于雙軌橇車回收，橇車速度較高時(shí)，可降低橇車入水速度，減小雙軌橇車入水時(shí)水阻力，提高橇車安全性；橇車速度較低時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低速雙軌橇車的無水回收，拓展低速雙軌橇車的應(yīng)用范圍。

1 阻力板設(shè)計(jì)方案

1.1 阻力板位置

根據(jù)雙軌橇車結(jié)構(gòu)，綜合考慮安裝位置、阻力板張開后對稱性等因素，高速雙軌橇車可在橇車側(cè)向、前端和底部等3個(gè)位置安裝阻力板(圖1)。阻力板為6 mm鋼板，前端阻力板1 400 mm×100 mm，每塊側(cè)向阻力板尺寸為400 mm×250 mm，底部阻力板尺寸為600 mm×290 mm。

圖1 高速雙軌橇車阻力板設(shè)計(jì)示意圖

低速雙軌橇車僅安裝2塊側(cè)向阻力板，每塊側(cè)向阻力板尺寸為400 mm×250 mm(圖2)。

阻力板由爆炸螺栓固定，橇車加速時(shí)，阻力板處于閉合狀態(tài)，減速回收時(shí)，爆炸螺栓起爆，阻力板張開，如圖1、圖2所示。增加橇車滑行阻力，縮短剎車距離，同時(shí)降低橇車入水速度，再結(jié)合分段入水方法，減小橇車入水時(shí)水阻力，降低橇車后梁結(jié)構(gòu)受力，提高高速雙軌橇車回收可靠性。低速雙軌橇車回收時(shí)，通過阻力板張開，增加回收阻力，實(shí)現(xiàn)低速雙軌橇車的無水回收。由于阻力板對稱布置，且總面積相對橇車迎風(fēng)面積較小，因此對橇車模態(tài)和振動(dòng)影響較小[3-4]。

圖2 低速雙軌橇車阻力板設(shè)計(jì)示意圖

1.2 阻力板受力

橇車滑行時(shí)，只受空氣阻力和摩擦阻力，運(yùn)動(dòng)方程如下[5-7]：

V2=V1-[ρCDAV1/2+Rf](t2-t1)/m

(1)

式中：V1為橇車在t1時(shí)刻速度；V2為橇車在t2時(shí)刻速度由于Δt=t2-t1極小(≤0.05 s)，此時(shí)可以忽略速度變化對空氣阻力的影響[8]；CD為橇車阻力系數(shù)；A為雙軌橇車迎風(fēng)截面積(m2)；ρ為空氣密度(kg/m3)；V為橇車運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；Rf為摩擦阻力(N)，Rf=ufmg，uf為滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取值0.05～0.2；m為雙軌橇車總質(zhì)量(包含橇車、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、被試品和測試設(shè)備等)。

對于低速雙軌橇車，滑行段阻力板張開后，橇車總的阻力系數(shù)增加C阻力版，運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

對于高速雙軌橇車，橇車入水時(shí)，水剎車入水后產(chǎn)生的水阻力[9-10]：

(3)

式中：F水阻力為水剎車水阻力(N)；A為水剎車入水面積(m2)；ρ水為水的密度(kg/m3)；Rv為出、入水流速度比；θ為水流翻轉(zhuǎn)角度；V2為橇車入水速度(m/s)。

2 阻力板回收應(yīng)用

2.1 高速橇車阻力板減速分析

現(xiàn)有雙軌橇車質(zhì)量650 kg，橇車阻力系數(shù)0.55，最高速度330 m/s，此時(shí)阻力板全部打開，運(yùn)行方向阻力板投影總面積：

S=2×400×250+1 400×100+

600×(290-100)=454 000 mm2

阻力板為平板，阻力估算時(shí)阻力系數(shù)取值1.0。根據(jù)式(1)和式(2)得到橇車無阻力板和阻力板張開時(shí)減速效果如圖2(b)所示。從減速距離與橇車速度關(guān)系可以看出，無阻力板時(shí)，滑行200 m橇車速度下降至283 m/s，阻力板張開時(shí)，滑行200 m橇車速度下降至253 m/s，速度降幅增加30 m/s，入水剎車阻力由55 kN減低止78 kN(圖3)。

圖3 高速橇車阻力板減速效果

2.2 低速橇車阻力板回收分析

現(xiàn)有雙軌橇車質(zhì)量450 kg，橇車阻力系數(shù)0.45，最高速度135 m/s(橇車位置距離軌道起點(diǎn)150 m)，橇車滑行至 600 m位置時(shí)，橇車速度降低至95 m/s，此時(shí)阻力板全部打開，運(yùn)行方向阻力板投影總面積：

S=2×400×250=200 000 mm2

根據(jù)式(2)得到低速橇車阻力板張開時(shí)回收距離與橇車速度如圖4所示。從回收距離與橇車速度關(guān)系可以看出，有阻力板時(shí)，橇車滑行至1 300 m位置時(shí)，速度≤30 m/s；無阻力板時(shí)，橇車滑行至1 450 m位置時(shí)，速度≤30 m/s。

3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 低速橇車阻力板驗(yàn)證

橇車質(zhì)量550 kg，安裝2塊側(cè)向阻力板(圖2)，每塊側(cè)向阻力板尺寸為400 mm×250 mm，使用2發(fā)某型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后加速到最大速度139 m/s；5.7 s后，橇車滑行至距離軌道起點(diǎn)600 m位置，速度下降至94 m/s；此時(shí)通過車外觸發(fā)裝置控制爆炸螺栓工作，阻力板張開(圖2)，橇車減速至900 m位置，橇車速度下降至61 m/s(圖5)。實(shí)際動(dòng)態(tài)試驗(yàn)雷達(dá)測試速度曲線與設(shè)計(jì)速度曲線對比如圖6所示。橇車外測最高速度135 m/s，橇車滑行至600 m位置時(shí)速度降低至92 m/s，橇車減速至900 m位置，橇車速度下降至62 m/s。阻力板張開后設(shè)計(jì)速度曲線與外測曲線吻合，驗(yàn)證了阻力板減速效果。

圖4 低速橇車阻力板回收距離曲線

圖5 低速雙軌橇車減速距離與橇車速度曲線

圖6 低速雙軌橇車阻力板動(dòng)態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)速度曲線

3.2 高速橇車阻力板驗(yàn)證

低速橇車使用4發(fā)某型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)后，橇車最高速度285 m/s，4.4 s時(shí)橇車速度275 m/s，阻力板張開。實(shí)際動(dòng)態(tài)試驗(yàn)雷達(dá)測試速度曲線與設(shè)計(jì)速度曲線如圖7所示。阻力板張開后設(shè)計(jì)速度曲線與外測曲線誤差較小，驗(yàn)證了高速橇車阻力板減速效果。

圖7 高速雙軌橇車阻力板動(dòng)態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)速度曲線

4 結(jié)論

高速雙軌橇車回收時(shí)使用阻力板，入水速度可降低30 m/s，減速效果增加11%，入水阻力降低23%(相同入水高度)；與無阻力板時(shí)相比，降低相同入水速度時(shí)，所需滑行距離縮短38.7%。

低速雙軌橇車回收時(shí)，通過阻力板張開，增加回收阻力，可實(shí)現(xiàn)低速雙軌橇車回收；低速雙軌橇車阻力板減速效果在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。