一種減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

廖紅強(qiáng)， 廖明建， 閆茂振， 陳強(qiáng)洪， 姜日紅

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621999）

0 引言

某飛行器在飛行末段需要通過其減速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減速目標(biāo)，該減速系統(tǒng)最終通過減速傘實(shí)現(xiàn)減速。要發(fā)揮減速傘的減速功能，就必須將其從飛行器內(nèi)釋放，并利用高速氣流的作用打開，而減速傘的成功釋放則需要設(shè)計(jì)一套有效、可靠的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。考慮該應(yīng)用對(duì)象的特殊性，人工降落傘、空投物資用減速傘等的工作原理均不適用，因此，需要基于該飛行器的具體要求進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。

針對(duì)上述需求，基于彈射引導(dǎo)傘牽引減速傘的基本原理，研制了一套控制減速傘從飛行器中釋放的彈射控制系統(tǒng)，結(jié)合減速傘安裝空間及減速系統(tǒng)在飛行器中的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制了一種適用于該飛行器的減速系統(tǒng)。本文擬從設(shè)計(jì)要求分析、總體設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)分析及試驗(yàn)研究情況四個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)飛行器的要求與具體狀態(tài)，對(duì)減速系統(tǒng)提出以下設(shè)計(jì)要求：1）在將減速傘從飛行器中釋放出來之前，應(yīng)保證減速傘能安裝于飛行器中限定空間內(nèi)，并且能可靠約束；2）要求能通過飛行器提供的電信號(hào)或者機(jī)械信號(hào)啟動(dòng)減速系統(tǒng)；3）減速系統(tǒng)啟動(dòng)后，要求能夠通過機(jī)械傳動(dòng)方式控制減速傘的釋放。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)與組成

減速系統(tǒng)主要由傘倉體、傘倉蓋、彈射機(jī)構(gòu)（固連于傘倉蓋上）、卡爪、頂緊螺釘、扭簧、箍緊繩、切割器、掛傘軸及其支架等零部件組成，其總體結(jié)構(gòu)與組成如圖1所示。其中箍緊繩由鋼絲繩和螺紋接頭組成，其結(jié)構(gòu)與組成如圖2所示。傘倉體、傘倉蓋、支架等形成減速傘安裝空間，傘倉體與傘倉蓋之間為止口連接。減速傘通過掛傘軸實(shí)現(xiàn)與減速系統(tǒng)連接。彈射機(jī)構(gòu)為一個(gè)彈簧系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)傘倉蓋在約束解除后向外彈射?？ㄗτ糜谠诠烤o繩作用下對(duì)傘倉蓋進(jìn)行約束。扭簧用于實(shí)現(xiàn)卡爪在約束解除后復(fù)位。頂緊螺釘用于實(shí)現(xiàn)傘倉蓋與傘倉體止口連接的軸向頂緊調(diào)節(jié)。箍緊繩兩端帶有螺紋接頭，長度可在一定范圍調(diào)節(jié)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)卡爪的約束。切割器用于切斷箍緊繩，實(shí)現(xiàn)減速系統(tǒng)初始動(dòng)作的控制。拉繩用于拉力啟動(dòng)切割器。

圖1 減速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與組成示意圖

圖2 箍緊繩結(jié)構(gòu)與組成示意圖

傘倉體為一端開敞的筒狀結(jié)構(gòu)，具有較好的強(qiáng)度、剛度及減速傘收納能力；傘倉蓋為帶有淺止口的圓板結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較小，有助于實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)傘功能，結(jié)構(gòu)簡潔，加工與裝配方便；卡爪為鉸鏈加F形結(jié)構(gòu)，鉸鏈結(jié)構(gòu)便于轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)形爪頭結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)傘倉蓋卡位與對(duì)自身限位雙重功能；掛傘軸與其支架為軸孔配合加螺紋連接結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)減速傘的牢固連接，且加工與裝配方便。

2.2 系統(tǒng)動(dòng)作過程

圖3 減速系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序圖

減速系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)序如圖3所示。當(dāng)飛行器運(yùn)動(dòng)到預(yù)定時(shí)刻，向減速系統(tǒng)輸出拉力信號(hào)作用于切割器上，啟動(dòng)切割器；切割器動(dòng)作，切斷箍緊繩；箍緊繩斷開，解除對(duì)卡爪的約束；卡爪失去約束后在扭簧回復(fù)力作用下復(fù)位，解除對(duì)傘倉蓋的約束；傘倉蓋失去約束后在彈射機(jī)構(gòu)作用下向外彈出；傘倉蓋彈出傘倉體后，安裝于傘倉蓋上的引導(dǎo)傘在氣流作用下打開，產(chǎn)生較大氣動(dòng)力，將減速傘從傘倉中拉出；最終減速傘在氣流作用下打開，產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛行器的減速。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 切割器選型與可靠性設(shè)計(jì)

在圖3所示動(dòng)作時(shí)序中，切割器能否可靠動(dòng)作是后續(xù)動(dòng)作的必要前提，對(duì)減速系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能起著決定作用。對(duì)此，一方面要求所選切割器本身具有高可靠性；另一方面針對(duì)切斷箍緊繩動(dòng)作，采取2個(gè)切割器并聯(lián)的工作模式，提高可靠性設(shè)計(jì)，如圖1所示，保證只要任何1個(gè)切割器動(dòng)作均能完成切斷箍緊繩動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)要求的功能。

3.2 扭簧合理機(jī)械復(fù)位設(shè)計(jì)

扭簧是使卡爪復(fù)位以解除對(duì)傘倉蓋約束的關(guān)鍵零件?？ㄗυ诠烤o繩切斷后，主要承受扭簧產(chǎn)生的回復(fù)力和彈射機(jī)構(gòu)推動(dòng)傘倉蓋作用在卡爪上的推力。所受推力將產(chǎn)生卡爪與傘倉蓋接觸面間的摩擦力，阻礙卡爪的復(fù)位運(yùn)動(dòng)。如果扭簧提供的回復(fù)力不足，將導(dǎo)致無法有效復(fù)位或者卡爪的復(fù)位運(yùn)動(dòng)與傘倉蓋的向外彈射運(yùn)動(dòng)隨動(dòng)。因此扭簧的設(shè)計(jì)首先要考慮能提供足夠回復(fù)力，使卡爪能按要求復(fù)位而不發(fā)生隨動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)此要求卡爪復(fù)位運(yùn)動(dòng)時(shí)間小于傘倉蓋上彈射機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間20～200ms，其驗(yàn)證計(jì)算如下：

圖4 卡爪運(yùn)動(dòng)分析示意圖

卡爪運(yùn)動(dòng)分析如圖4所示。由圖4可知，如果卡爪在扭簧預(yù)壓力作用下，在很短時(shí)間變加速轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)的軸向距離始終大于傘倉蓋在彈射機(jī)構(gòu)作用下在相同時(shí)間變加速近似直線運(yùn)動(dòng)的距離，直至卡爪脫離傘倉蓋外圓邊界，或者卡爪在扭簧預(yù)壓力作用下復(fù)位所用時(shí)間小于彈射機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間，那么卡爪可有效成功解除對(duì)傘倉蓋的約束，使彈射機(jī)構(gòu)有效發(fā)揮作用。

從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［1］查得卡爪與傘倉蓋之間摩擦因數(shù)，結(jié)合彈射裝置的預(yù)壓力、機(jī)械控制系統(tǒng)幾何尺寸等數(shù)據(jù)，計(jì)算得扭簧需提供最小初始扭矩約為：T0=0.809 N·m，已知卡爪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ=1.618×10-5kg·m2，由此計(jì)算得出卡爪轉(zhuǎn)動(dòng)的初始角加速度 αZ0＝T0/JZ=5.0×104rad/s2。

卡爪以初始角加速度αZ0從靜止開始變加速轉(zhuǎn)動(dòng)18°所需時(shí)間按勻加速估算如下0.314rad，因此得出：t≈3.6 ms。

該值小于傘倉蓋上彈射機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間20～200 ms，因此，所設(shè)計(jì)扭簧提供的回復(fù)力矩只要大于T0即可實(shí)現(xiàn)傘倉蓋的成功彈射。

另一方面，基于卡爪連接結(jié)構(gòu)及傘倉體強(qiáng)度等考慮，扭簧提供的回復(fù)力不宜過大，否則可能造成卡爪復(fù)位后回彈，對(duì)傘倉蓋再次產(chǎn)生約束造成彈射失敗，或者可能造成卡爪連接結(jié)構(gòu)或傘倉體的沖擊破壞。

綜合以上各種約束，按照彈簧手冊(cè)［2］進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得到的扭簧參數(shù)見表1。

表1 扭簧基本參數(shù)表

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)真實(shí)工況設(shè)計(jì)了兩類地面試驗(yàn)對(duì)工作過程進(jìn)行模擬驗(yàn)證，以研究該設(shè)計(jì)方案的可行性及可靠性。一類為人工手動(dòng)剪斷箍緊繩的原理可行性考察試驗(yàn)，另一類為模擬真實(shí)狀態(tài)切割器切斷箍緊繩的方案驗(yàn)證及可靠性研究試驗(yàn)。兩類試驗(yàn)共進(jìn)行了6輪，均獲得了圓滿成功，傘倉蓋全部成功地以一定速度彈出傘倉體。其中一輪第二類試驗(yàn)的高速攝影情況如圖5所示。

除以上兩類近似模擬的試驗(yàn)外，還開展了模擬空中飛行真實(shí)氣動(dòng)環(huán)境的火箭撬試驗(yàn)對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)一步考核驗(yàn)證，試驗(yàn)獲得圓滿成功，傘倉蓋成功在預(yù)定時(shí)刻彈出，減速傘成功打開。

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，切割器、扭簧、箍緊繩、卡爪等主要功能零部件均能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，均能按預(yù)定時(shí)序可靠動(dòng)作，所設(shè)計(jì)扭簧能在彈射機(jī)構(gòu)響應(yīng)前完成卡爪復(fù)位動(dòng)作，不會(huì)造成卡爪與傘倉體上的連接結(jié)構(gòu)沖擊破壞等不良后果。

圖5 方案驗(yàn)證試驗(yàn)高速攝影情況

5 結(jié)論

1）針對(duì)某飛行器的減速要求及其無法采用現(xiàn)有人工降落傘等開傘方案的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研究了一套減速系統(tǒng)。

2）通過設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了關(guān)鍵零部件切割器的設(shè)計(jì)與選型，分析與計(jì)算了扭簧的設(shè)計(jì)約束，計(jì)算得出了扭簧的規(guī)格及基本參數(shù)。

3）對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性與可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明方案滿足設(shè)計(jì)要求，能夠成功實(shí)現(xiàn)釋放減速傘進(jìn)行減速的功能。

［參考文獻(xiàn)］

［1］徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第1卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：7-18.

［2］張英會(huì)，劉輝航，王德成.彈簧手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：259-270.