人工增雨防雹火箭發(fā)射架緩沖底座的設(shè)計*

□ 楊炳華 □ 王星鈞

新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室 烏魯木齊 830002

人工增雨防雹火箭發(fā)射架分為車載流動式和地面固定式兩種，火箭從點火啟動到發(fā)射出軌，瞬間產(chǎn)生的膛壓、滑動摩擦、推進劑向后噴火等作用力會對發(fā)射架整體造成沖擊。車載流動式火箭發(fā)射架所受到的沖擊力可以通過車體鋼板和輪胎得到有效釋放，而地面固定式火箭發(fā)射架因為被固定在地面上，發(fā)射時產(chǎn)生的沖擊力無法緩沖，隨著火箭發(fā)射數(shù)量的增加，振動與沖擊會使火箭發(fā)射架活動關(guān)節(jié)等主要部件受損，嚴重影響作業(yè)安全和發(fā)射架的使用壽命。

目前，國內(nèi)使用地面固定式火箭發(fā)射架進行作業(yè)時，火箭的仰角一般較高，對火箭發(fā)射架的沖擊力主要轉(zhuǎn)換成垂直向下的壓力，通過地面剛性釋放，故沒有配置減緩火箭發(fā)射沖擊力的裝置。筆者設(shè)計研究的火箭發(fā)射架緩沖底座，較好地解決了這個問題。

1 火箭發(fā)射架受力分析

火箭發(fā)射架受到的振動與沖擊，來源于火箭彈發(fā)動機的推力。以發(fā)射WR-98型增雨防雹火箭彈為例，分析其發(fā)射出軌時火箭發(fā)射架受力情況。

1.1 火箭發(fā)射時產(chǎn)生的推力

火箭在軌道中滑行時間：

式中：s為導(dǎo)軌長度；v0為初速度；a為火箭出軌時的加速度。

火箭出軌時的加速度：

式中：F為推力；m為火箭彈質(zhì)量。

離軌速度：

式中：t為火箭出軌時滑行時間。

已知：s=1.74 m，v0=0，vt=40 m/s，m=8.3 kg，代入式（1）、式（2）、式（3）得：

t=0.087 s，a=460 m/s2，F(xiàn)98≈3 818 N。

1.2 60°發(fā)射時火箭發(fā)射架所受的力

通常實施增雨防雹作業(yè)時，要求火箭發(fā)射架仰角必須大于45°，一般60°左右發(fā)射仰角最常用?；鸺l(fā)射架在60°發(fā)射火箭彈點火瞬間所受的力如圖1所示。

▲圖1 60°力的分解圖

根據(jù)圖1計算：

火箭發(fā)射架所受垂直向上的力：FS=FHsin60°≈3 306 N

火箭發(fā)射架所受水平方向的力：FP=FHcos60°≈1 909 N

可以看出，火箭彈在高仰角發(fā)射時，火箭發(fā)射架所受向上的力大于水平力，這就是人們時?？吹交鸺l(fā)射出軌時，火箭發(fā)射架定向器頭部上昂、尾部下沉的現(xiàn)象。

2 緩沖底座設(shè)計

緩沖底座主要由上、下部壓縮彈簧，上部框架和基架組成。火箭裝載在定向器內(nèi)，由于定向器俯仰支點位置和發(fā)射仰角的不同，火箭從點火到發(fā)射出軌，隨著時間的變化，作用在發(fā)射架上的力也隨著發(fā)生變化。就某一個支點而言，既要承受向上的力，也要承受向下的力，但水平方向的力一定會在這個支點的平面內(nèi)，只是力的方向改變而已，所以要用兩種作用的彈簧減緩火箭發(fā)射對火箭發(fā)射架的沖擊力。

2.1 上、下部壓縮彈簧

采用上部壓縮彈簧減緩向下的力，下部壓縮彈簧減緩向上的力。在高仰角發(fā)射時，向下的力遠大于水平的力；水平方向的力，依靠彈簧的矯正力緩解。

依據(jù)火箭發(fā)射架的受力分析，經(jīng)計算和試驗，設(shè)計的上部彈簧和下部彈簧如圖2所示。

如火箭在60°仰角發(fā)射時，上、下部彈簧壓縮4 mm，由胡克定律可知彈簧彈力為：

式中：k為彈性系數(shù)；x為壓縮量，mm。

上部彈簧產(chǎn)生的力：Fks=155×9.8×4=6 076 N ＞3306 N（FH垂直向下的力）。

下部彈簧產(chǎn)生的力：Fkx=180×9.8×4=7 056 N ＞3306 N（FH垂直向上的力）。

上、下部彈簧產(chǎn)生的力完全可以承接火箭發(fā)射時由火箭發(fā)射架傳遞到緩沖底座上的力，火箭發(fā)射架的自重是150 kg左右，相當(dāng)于彈簧壓縮了1 mm。設(shè)計中選用彈簧的彈性系數(shù)較大，行程≥6 mm，考慮了火箭發(fā)射架的靜壓力，同時也考慮到火箭發(fā)射方位角是360°，在發(fā)射過程中火箭發(fā)射架的4個角各彈簧受力不均勻的因素。

2.2 上部框架

上部框架用扁鋼焊接，呈正方形，4個角的連接孔用于安裝火箭發(fā)射架。在上部框架的下表面，針對4個M12螺紋孔為中心，焊接與4根連接螺桿連體的4塊上部彈簧頂部限位座，如圖3所示。

2.3 基架

基架由下部框架（角鋼）、中部框架（扁鋼）、支撐腿（角鋼）、上部彈簧底部限位座和下部彈簧頂部限位座焊接而成，如圖4所示。

為了避免火箭發(fā)射架尾部受到反沖氣流的影響，基架距地面高度至少＞500 mm，底部框架有4個孔，用于將基架固定在預(yù)埋混凝土中的4個底腳螺栓上。

2.4 組裝

在基架中部框架上表面的4個上部彈簧底部限位座上套裝上部彈簧，基架中部框架下表面的4個下部彈簧頂部限位座上套裝下部彈簧；上部框架的4根連接螺桿依次穿過上部彈簧、中部框架孔、下部彈簧，用特制的M16螺母旋緊，構(gòu)成了如圖5所示的火箭發(fā)射架緩沖底座。

▲圖2 上、下部彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

▲圖3 上部框架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

▲圖4 基架結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

▲圖5 緩沖底座結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖5中，用4個M12螺栓將火箭發(fā)射架安裝在上部框架上，上部彈簧安裝在上部框架與中部框架之間的限位座中，下部彈簧安裝在中部框架之下的限位座中。各限位座的外徑比彈簧內(nèi)徑大1 mm，擠進限位座內(nèi)，使彈簧擠進的部分不晃動。4個連接螺桿上的螺母，可調(diào)整各彈簧的松緊至合適的程度。

▲圖6 地面固定式火箭發(fā)射架安裝示意圖

用4個M12螺栓將地面固定式火箭發(fā)射架與緩沖底座的上部框架連接，再用4個M12螺母將緩沖底座的下部框架固定在地面預(yù)埋的螺栓上，如圖6所示。緩沖底座的主要受力點都在中部框架的各角上，當(dāng)火箭點火瞬間至發(fā)射出軌的過程中，上部壓縮彈簧始終減緩向下的沖擊力，下部壓縮彈簧始終減緩向上的沖擊力，水平方向的力依靠8個彈簧的矯正力釋放。

3 結(jié)束語

本設(shè)計采用上、下部壓縮彈簧的方法，實現(xiàn)了地面增雨防雹火箭發(fā)射架緩沖底座的設(shè)計。經(jīng)試驗和應(yīng)用證明，基本消除了火箭發(fā)射時的沖擊力對火箭發(fā)射架部件造成的損壞，達到了設(shè)計目的，具有較高的實用價值，本設(shè)計已獲國家實用新型專利。

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[2]陳光學(xué)，王錚.人工影響天氣作業(yè)方法及設(shè)備[M].北京：中國宇航出版社，2002.

[3]章澄昌，許煥斌，段英.人工影響天氣崗位培訓(xùn)教材[M].北京：氣象出版社，2003.

[4]QX/T99-2008，增雨防雹火箭作業(yè)系統(tǒng)安全操作規(guī)范[S].

[5]楊炳華，魏旭輝，喻箭，等.人工增雨防雹火箭發(fā)射架地面緩沖底座[P].中國專利：CN204128438U，2015-01-28.