利用懸索火箭橇設(shè)計(jì)的高速定向拋投系統(tǒng)*

游培寒，趙未平，祝逢春，繆 昕，胡 瑜

(1 北京航空工程研究中心，北京 100076；2 陸軍工程大學(xué)，石家莊 210007)

0 引言

懸索火箭橇是一種約束彈道試驗(yàn)裝置，利用兩根平行布設(shè)的懸空索道作為滑軌，火箭橇懸置于兩根懸索中間，發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)火箭橇在懸索約束方向高速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整火箭橇的重量和火箭橇推射距離，可以將橇體加速到指定運(yùn)動(dòng)速度，在該運(yùn)動(dòng)速度下完成產(chǎn)品相關(guān)測(cè)試。國(guó)外方面，美國(guó)在2010年以前曾經(jīng)利用懸索火箭橇將5 kg的產(chǎn)品加速到2.1Ma，后續(xù)再未見(jiàn)到國(guó)外更高速懸索火箭橇的相關(guān)報(bào)道；國(guó)內(nèi)方面，在2016年我所設(shè)計(jì)一套懸索火箭橇系統(tǒng)將3 kg重的試驗(yàn)品加速到720 m/s；但是國(guó)內(nèi)國(guó)外均未有利用懸索火箭橇實(shí)現(xiàn)定向拋投的文獻(xiàn)報(bào)道。

文中介紹了一種新型懸索火箭橇定向拋投系統(tǒng)，將需要拋投的產(chǎn)品架設(shè)在橇體前端，當(dāng)橇體在懸索約束下定向飛行并達(dá)到指定飛行速度時(shí)，利用懸索末端的分離裝置使橇體和產(chǎn)品分離，從而達(dá)到定向高速拋投的目的。這種高速拋投系統(tǒng)與傳統(tǒng)的加速拋投系統(tǒng)相比，優(yōu)勢(shì)在于：一是加速距離較長(zhǎng)、產(chǎn)品的縱向過(guò)載較低，當(dāng)橇體質(zhì)量大于20 kg時(shí)，其縱向過(guò)載不超過(guò)60g，加速過(guò)程對(duì)產(chǎn)品影響較??；二是具有精確的定向飛行控制能力，適用于要求精確控制方向的試驗(yàn)品測(cè)試。當(dāng)時(shí)橇體外徑70 mm，在懸索末端橇體成功穿過(guò)寬度為90 mm的空隙未發(fā)生碰撞；三是系統(tǒng)架設(shè)方便，試驗(yàn)成本較低。

近期，利用懸索火箭橇實(shí)施了某型子彈藥地面高度定向拋投試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了較好的試驗(yàn)效果。

圖1 懸索火箭橇高速定向拋投系統(tǒng)

1 懸索火箭橇拋投系統(tǒng)的組成和工作原理

懸索火箭橇拋投系統(tǒng)分為懸索裝置、拋投橇體和分離裝置三部分。懸索裝置由起點(diǎn)支架、終點(diǎn)支架、絞盤(pán)電機(jī)、拉力傳感器、控制計(jì)算機(jī)等組件組成，如圖1所示?？刂朴?jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收安裝在兩根懸索上的拉力傳感器發(fā)送來(lái)的拉力數(shù)值，據(jù)此調(diào)整兩根索道拉力。起點(diǎn)支架與終點(diǎn)支架之間存在的高度差H由拋射產(chǎn)品需求確定。拋投橇體由試驗(yàn)體安裝筒、攔阻臂、火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)、后支架4個(gè)部分組成，如圖2所示。攔阻臂和后支架兩端有用于懸索穿過(guò)的套管，用于將橇體架設(shè)在兩根懸索中間。如圖3所示。分離裝置的主體是固定在懸索和橇體之間的兩塊攔阻板，安裝在懸索末端終點(diǎn)支架前2 m處，兩塊攔阻板置于懸索和橇體之間，軸線應(yīng)與懸索保持平行，確保試驗(yàn)體能夠穿過(guò)攔阻塊之間的空隙。

圖2 拋投橇體結(jié)構(gòu)

圖3 攔阻裝置結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)時(shí)，兩根懸索拉緊并保持拉力相對(duì)一致，橇體從起點(diǎn)發(fā)射后，沿懸索約束出的斜坡加速飛行，調(diào)整懸索的拉力可以有效控制橇體運(yùn)動(dòng)時(shí)的懸索下拉量[1]，使橇體到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，攔阻臂撞擊在分離裝置的攔阻板的“腰部”，橇體在撞擊過(guò)程中減速解體，而安裝在橇體頭部的試驗(yàn)品，在慣性作用下繼續(xù)飛行，與橇體脫離，實(shí)現(xiàn)高速拋射。

2 橇體相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法

2.1 橇體質(zhì)量的公式推導(dǎo)

通過(guò)以上介紹可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力一定的情況下，要求橇體拋投速度達(dá)到試驗(yàn)所需速度，只能控制橇體質(zhì)量。橇體質(zhì)量與沿懸索方向的加速度a(t)之間有如下關(guān)系[2]：

(1)

式中：m0為初始橇體質(zhì)量；k為由于燃料燃燒造成的橇體質(zhì)量的減少速度；t為時(shí)間；P為火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)的平均推力；Z(t)為t時(shí)刻橇體的空氣阻力；f(T，t)是由橇體兩端拉力的不平衡造成的縱向力；g為重力加速度；θ為懸索的仰角；n為懸索與橇體之間的摩擦系數(shù)。由于P>Z(t)+f(T，t)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，式(1)可以簡(jiǎn)化為：

(2)

拋射速度v為：

(3)

式中tr是火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間，將式(3)積分展開(kāi),則橇體的初始質(zhì)量與拋投速度的關(guān)系如下：

(4)

采用火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)平均推力為10 000 N，工作時(shí)間tr=0.65 s，k=4.6，θ=10°，n=0.1。試驗(yàn)體的拋投速度要求達(dá)到270～290 m/s，設(shè)v=280 m/s，則根據(jù)式(4)計(jì)算得到橇體的初始重量為24.6 kg，由于式(4)忽略了空氣阻力等，所以在試驗(yàn)時(shí)取m0=24 kg。

2.2 加速距離的公式推導(dǎo)

根據(jù)式(3)推導(dǎo)出火箭橇體的瞬時(shí)速度v(t)為：

(5)

則加速距離為火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束時(shí)火箭橇的位置：

(6)

將m0=24 kg代入式(6)，則得到加速距離s=89 m。由于火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰點(diǎn)火時(shí)會(huì)對(duì)后面支架造成影響，所以懸索距離應(yīng)大于加速距離。試驗(yàn)中將起點(diǎn)支架與終點(diǎn)支架的水平距離設(shè)為160 m。

3 懸索下拉幅度的仿真計(jì)算

橇體在柔性懸索上約束飛行，其運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)有所下拉，下拉幅度與懸索拉力有關(guān)。應(yīng)控制橇體飛行對(duì)懸索的下拉，使橇體的攔阻臂正好撞擊在攔阻板的中間位置，這樣攔阻效果最好。為了計(jì)算橇體對(duì)懸索的下拉，采用Newton法[3]對(duì)懸索進(jìn)行建模，按照文獻(xiàn)[1,4]中的方法仿真計(jì)算了橇體下拉幅度，如圖4、圖5所示。設(shè)懸索兩端拉力為2 200 kg。圖中圓圈為火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后0 s、0.1 s、0.6 s、0.7 s和0.86 s時(shí)橇體頭部所在位置，可見(jiàn)當(dāng)橇體飛行接近終點(diǎn)時(shí)，橇體下拉幅度約為0.35 m，則設(shè)定分離裝置距離終點(diǎn)支架約2 m，分離裝置中攔阻板高度為0.7 m，其頂邊與懸索初始高度平齊，則在火箭橇飛行至攔阻板時(shí)，橇體的攔阻臂正好撞擊在攔阻板中間位置(0.35 m)，達(dá)到最佳的攔阻效果。

圖4 火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后橇體頭部位置

圖5 火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后0.86 s懸索下拉幅度

4 試驗(yàn)結(jié)果

近期，利用懸索火箭橇實(shí)施了某型子彈藥地面高度定向拋投試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)子彈藥重量約為13.5 kg，橇體總重量為24 kg，起點(diǎn)支架與終點(diǎn)支架之間水平距離為160 m，雷達(dá)測(cè)速結(jié)果表明拋投速度為270～280 m/s，如圖6所示，與仿真計(jì)算結(jié)果一致。

圖6 雷達(dá)測(cè)得火箭橇運(yùn)動(dòng)速度曲線

懸索下拉幅度約為0.3～0.4 m，與計(jì)算仿真結(jié)果一致，如圖7所示。橇體分離和定向高速拋投如圖8所示。

圖7 橇體撞擊分離裝置瞬間照片

圖8 子彈藥與橇體分離畫(huà)面

5 結(jié)論

文中介紹了一種利用懸索火箭橇設(shè)計(jì)的高速定向拋投系統(tǒng)，推導(dǎo)了橇體質(zhì)量、加速距離等系統(tǒng)參數(shù)，仿真計(jì)算了懸索下拉幅度。該系統(tǒng)用于某新型子彈藥地面拋投試驗(yàn)取得成功，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果一致。