自動化增雨防雹火箭發(fā)射裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭 勐，趙 潯，高超峰，沈厚平

（1.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048；2.陜西中天火箭技術(shù)有限公司，陜西 西安 710025）

0 引言

向天空云層發(fā)裝有催化劑的增雨防爆火箭彈是一種人工干預(yù)天氣、減少自然災(zāi)害的方法，大多始于20 世紀(jì)80年代。文獻[1]對傳統(tǒng)的發(fā)射裝置的回轉(zhuǎn)軸小、發(fā)射穩(wěn)定性差、發(fā)射軌道種類單一、不能通用等問題做了改進。但目前所使用的增雨防雹火箭發(fā)射裝置都是采用人工調(diào)整的方法調(diào)整火箭的發(fā)射姿態(tài)。為了使火箭彈發(fā)射能更加準(zhǔn)確快捷的調(diào)整好姿態(tài)，應(yīng)某單位要求，我們研計了一種自動化增雨防雹火箭發(fā)射發(fā)射裝置，對其中關(guān)鍵性技術(shù)做了研究。

1 機械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 原理設(shè)計

增雨防雹火箭發(fā)射裝置不同與火攻器發(fā)射裝置，它是一種大角度的發(fā)射，一般在55°～85°的范圍，車載發(fā)射裝置是在車停穩(wěn)后調(diào)整發(fā)射姿態(tài)，發(fā)射過程有時為單發(fā)，有時又需要連發(fā)。因此對其發(fā)射過程中發(fā)射裝置的穩(wěn)定性及發(fā)射的隨機性控制要求嚴格。

在該裝置中，俯仰姿態(tài)調(diào)整和前后位置調(diào)整，采用電動推桿作為驅(qū)動力，使結(jié)構(gòu)簡單；回轉(zhuǎn)（方向）姿態(tài)調(diào)整采用同步電機帶動蝸輪減速器，減速比大，減少裝置調(diào)整過程的轉(zhuǎn)動慣量。發(fā)射導(dǎo)軌采用后耳座支承的形式，使驅(qū)動力減小。

根據(jù)文獻[3][4]的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)射裝置的支撐剛度對火箭發(fā)射的初始擾動有很大的影響。發(fā)射的初始擾動會影響火箭彈的軌跡，特別是連發(fā)時影響復(fù)雜。因此對發(fā)射過程中影響發(fā)射架剛性的因素應(yīng)引起足夠重視。文獻[2]對多種發(fā)射裝置整機強度與穩(wěn)定性進行了驗算。傳動或驅(qū)動環(huán)節(jié)的間隙導(dǎo)致的發(fā)射偏差，也是一不可忽視的原因。在傳統(tǒng)的發(fā)射中，所有操作均為人工，發(fā)射姿態(tài)調(diào)整好以后，用螺栓鎖緊即可，在自動發(fā)射裝置中，鎖緊則是一個較為棘手的問題。為此本文專門設(shè)計了自動鎖緊裝置。

1.2 俯仰鎖緊機構(gòu)的設(shè)計

火箭發(fā)射過程中，導(dǎo)軌和彈體對耳座a 點和推動點b 的作用力，如圖1 所示?；鸺七M器給彈體的推力為F，火箭彈和導(dǎo)軌的重量G（隨著火箭彈在導(dǎo)軌中的滑移，作用點在變化）。在靜止?fàn)顟B(tài)下，耳座和推桿收的力為火箭和導(dǎo)軌的重量即G=Fa+Fb，在火箭發(fā)射的瞬間，G＜＜F+Fa+Fb，推力F 的分力Fy＞＞Gy－Fay－Fby，火箭從導(dǎo)軌中飛出。由于在導(dǎo)軌和彈體間存在摩擦力，帶動導(dǎo)軌克服重力，有脫離耳座和推桿約束的趨勢。在O 點到a 點之間，使得推桿絲杠螺母的間隙在下，在a 點到火箭離開導(dǎo)軌前，使推桿絲杠的間隙在上，當(dāng)火箭離開軌道后，在重力的作用下，導(dǎo)軌下落，推桿絲杠螺母的間隙在下，如此在一個發(fā)射過程中，導(dǎo)軌上下移動，造成發(fā)射的擾動。為了克服因絲杠螺母間隙引起的擾動，在導(dǎo)軌姿態(tài)調(diào)整好后，自動鎖緊。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。在發(fā)射姿態(tài)調(diào)整好后，電磁鐵16 通電，在拉桿4 的拉動下，鎖緊塊7 的尖齒和鎖緊桿10 嚙合，而鎖緊桿鉸接在發(fā)射導(dǎo)軌上，使火箭彈發(fā)射時，導(dǎo)軌不會產(chǎn)生擾動。為防止上下齒對齒不嚙合，上下齒的頂部均為半徑為0.5 的圓頂。

圖1 火箭彈發(fā)射的受力模型Fig.1 The force model of rocket launching

1.3 回轉(zhuǎn)鎖緊機構(gòu)

圖2 俯仰鎖緊裝置機構(gòu)Fig.2 The system of moving lock structure

由于回轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動為蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，同樣存在著間隙，也需要鎖緊。在火箭的發(fā)射過程中，側(cè)向推力約為正推力的1/10，但在火箭脫軌的瞬間，推力的作用在導(dǎo)軌的最前端，導(dǎo)軌長度較大，使得推動導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)矩很大，鎖緊盤的直徑不可能很大，因此所需鎖緊力非常大。為了獲得足夠的鎖緊力，設(shè)計采用了增力機構(gòu)，原理如圖3 所示。摩擦帶和摩擦輪采用V 帶結(jié)構(gòu)，摩擦系數(shù)大，效果理想。

圖3 回轉(zhuǎn)鎖緊機構(gòu)Fig.3 Rotary lock system

從圖中可以看出，T 是拉桿電機的拉力，則有： T1×L1+T2×L2=T×L。當(dāng)L1=L2時，T1=T2可以得出：即當(dāng)拉桿電機有一個拉力T 時，就會在制動盤的上下制動塊上各產(chǎn)生的力。根據(jù)鎖緊要求，拉桿電機的拉力通過放大施加在摩擦輪上，其摩擦力相對于主軸中心產(chǎn)生的力矩，要大于側(cè)向推力在火箭導(dǎo)軌最遠端相對于主軸中心產(chǎn)生的力矩：

其中： ε—皮帶和摩擦輪之間的摩擦系數(shù)，因為是采用三角皮帶結(jié)構(gòu)，摩擦系數(shù)為0.8；R—摩擦輪半徑；β—發(fā)射角；F—加在摩擦輪上的正壓力；H—耳座到導(dǎo)軌最前端的距離。由圖2 可知，發(fā)射角越小，側(cè)向推力對軸產(chǎn)生的扭矩就越大，由發(fā)射條件可知，在最小發(fā)射角55°時，產(chǎn)生的側(cè)向推力最大。式（1）可簡化為：

即當(dāng)拉桿電機的拉力T 滿足式（2）時，就可以鎖緊主軸。

2 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 控制系統(tǒng)框圖

發(fā)射架自動控制系統(tǒng)采用模塊化布局和總線設(shè)計，以PLC 為主控制器，各模塊硬件獨立但工作過程協(xié)調(diào)，便于更換和維修。在控制系統(tǒng)中，如何通過電子羅盤和GPS 的數(shù)據(jù)鏈調(diào)整火箭發(fā)射架的姿態(tài)和位置，是火箭彈擊中目標(biāo)的重要保證。點火安全是整個發(fā)射過程的關(guān)鍵，在設(shè)計上應(yīng)有相應(yīng)的可靠性保證措施。

2.2 發(fā)射姿態(tài)和地理位置的信息處理和控制

發(fā)射裝置的姿態(tài)（航向角、俯仰角）參數(shù)，通過安裝在發(fā)射裝置上的電子羅盤進行精密采樣（以真北和水平狀態(tài)為基準(zhǔn)）來獲得，信息采集、姿態(tài)調(diào)整和動作控制命令通過PLC 控制器完成。

PLC 控制器在接收到電子羅盤的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)后，首先對該數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化、地區(qū)磁偏角補償和運算，在和操作人員輸入的姿態(tài)要求相比較，生成調(diào)姿邏輯，發(fā)出控制命令，使發(fā)射裝置的發(fā)射姿態(tài)在三維空間得到精密的自動調(diào)節(jié)，邏輯過程如圖4（a）所示。

發(fā)射裝置的地理位置自定位功能，由安裝在裝置上的GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收模塊完成。其數(shù)據(jù)鏈來自于GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)，從該數(shù)據(jù)鏈中截取必要的字節(jié)，通過PLC 控制器解碼可得到發(fā)射裝置精確的地理位置，通過屏幕數(shù)據(jù)指示引導(dǎo)車輛將發(fā)射裝置盡快送達指定點的合理位置，如圖4（b）所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集框圖Fig.4 Data acquisition

2.3 點火系統(tǒng)的多重保險設(shè)計

點火是發(fā)射防雹彈整個過程的最后環(huán)節(jié)，也是安全性要求最高的環(huán)節(jié)，為了防止誤點火等安全隱患，主要從以下幾個方面考慮：

（1）為了確?；鸺龔梼?nèi)部引信電路的完好，須對已裝填好的火箭的引信進行測量。這種測量，既要準(zhǔn)確無誤，又要保證測量過程中不會發(fā)生誤點火。因此采用了恒定電流檢測電路，該電路在異常情況下具有電流限制作用，確保測量過程中即便電路異常也不會發(fā)生誤點火。檢測電路如圖5 所示。

圖5 火箭彈檢測線路Fig.5 Rocket testing circuit

在該電路中，設(shè)計了保護裝置，使得裝填火箭彈時，點火引信始終處于斷電且短路的狀態(tài)，不會發(fā)生誤供電并且消除靜電、感應(yīng)電壓引起的誤點火隱患。

（2）火箭的點火，首先從硬件上設(shè)計了需要接通兩級串聯(lián)的硬件確認開關(guān)，方能接通發(fā)射點火電源；其次，還有軟件火箭發(fā)射保護功能，當(dāng)有不符合火箭發(fā)射程序的硬件操作發(fā)生時，安全監(jiān)控軟件會發(fā)出報警，且屏蔽硬件發(fā)射指令，切斷電源，終止非正常的發(fā)射動作，保證系統(tǒng)發(fā)射火箭的安全性。其邏輯如圖6 所示。

圖6 點火安全邏輯圖Fig.6 Logic diagram of lighting security

3 結(jié)論

通過自動化增雨防雹火箭發(fā)射裝置的研究、制造和試驗成功，可以做到：

（1）火箭發(fā)射裝置在姿態(tài)自動調(diào)整到位后，要設(shè)計相應(yīng)的機構(gòu)保證在發(fā)射過程中使其不被破壞。

（2）電磁羅盤和GPS 數(shù)據(jù)鏈可以用于做發(fā)射裝置的姿態(tài)的閉環(huán)調(diào)整。（3）為保證點火安全，硬件和軟件串聯(lián)啟動。

[1]張清.多種彈型防雹增水火箭發(fā)射裝置改進設(shè)計[J].科技資訊，2006，16.

[2] 晏軍，楊炳華.多種彈型防雹增水火箭發(fā)射裝置整機強度與穩(wěn)定性驗算[J].中國科技信息，2008，7.

[3] 徐偉國，畢世華，陳陣.發(fā)射裝置支撐剛度對火箭彈初始擾動的影響研究[J].兵器學(xué)報，2008，6.

[4] Pang Y Q Active control of disturbances for rockets and misslles[J].Journal of Beijing Institute of Technology，2001，10.

[5] 吳宗澤.機械設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社，2002.