門式?jīng)_擊試驗(yàn)架系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

賀艷娜，孫銀生

（鄭州機(jī)械研究所有限公司，鄭州 450052）

0 引言

在飛航式飛行器的研制階段，為了縮短研制周期，節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)，以便更多更好地了解飛行器在試驗(yàn)中實(shí)際工作情況，常常對(duì)完成試驗(yàn)后的飛行器實(shí)施整體回收，使其安全著陸[1-2]。降落傘系統(tǒng)作為一種高效的、可靠的回收手段，在各種航天器的回收著陸、物資空投等方面得到了廣泛的應(yīng)用。隨著近年來中國載人航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)降落傘回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造提出了很高的要求，特別是對(duì)回收著陸系統(tǒng)這樣具有多級(jí)降落傘、復(fù)雜的時(shí)序控制和多故障模式的系統(tǒng)[3-5]。為了準(zhǔn)確驗(yàn)證回收系統(tǒng)的可靠性，對(duì)其回收系統(tǒng)著陸時(shí)的姿態(tài)、軌跡以及回收系統(tǒng)的耐沖擊強(qiáng)度的研究就非常必要[6]。

基于某所研制的大型回收試驗(yàn)配套設(shè)備，建立一個(gè)門式?jīng)_擊試驗(yàn)架系統(tǒng)，通過改變目標(biāo)高度及輔助目標(biāo)的重量、位置等，完成各航天回收器部組件的動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)或著陸緩沖試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)動(dòng)態(tài)測試[7]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，門式?jīng)_擊試驗(yàn)架總體方案由固定試驗(yàn)框架、升降試驗(yàn)框架、升降鎖緊裝置、起升裝置（含主鉤、副鉤）、復(fù)擺投放裝置、設(shè)備基礎(chǔ)和控制系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)架整體結(jié)構(gòu)可承受最大沖擊載荷為30 t，具備抗傾覆能力。設(shè)備整體尺寸約29 m×18 m×40 m（長×寬×高），試驗(yàn)凈空間約25 m×15 m×35 m（長×寬×高）；在固定框架立柱上布置有導(dǎo)向裝置、齒條，通過固定在升降框架上的升降鎖緊裝置，升降框架在固定框架上實(shí)現(xiàn)上下升降，起升裝置（含主副鉤）固定在升降框架上，升降框架到位后，升降鎖緊裝置將其鎖死在固定框架上；起升裝置主副鉤在升降試驗(yàn)框架上可以相互獨(dú)立縱向移動(dòng)，也可以在高度方向相互獨(dú)立上下升降；主副鉤、復(fù)擺裝置配合完成動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)和著陸緩沖試驗(yàn)。

圖1 門式?jīng)_擊試驗(yàn)架

1.1 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)時(shí)，升降框架降到合適高度，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b到起升裝置橋架底部后并將試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸潭ê?，然后將升降框架上升到預(yù)定試驗(yàn)高度，鎖緊裝置將升降框架鎖死到固定框架立柱上，用主鉤將試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鳑_擊試驗(yàn)時(shí)的配重吊至預(yù)定高度，然后釋放，完成動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，沖擊載荷由起升裝置橋架、升降框架、立柱承受。起升裝置橋架、升降框架、固定框架、鎖緊裝置機(jī)構(gòu)及立柱有足夠的強(qiáng)度和剛性來承受沖擊載荷。

1.2 著陸緩沖試驗(yàn)

著陸緩沖試驗(yàn)采用四桿復(fù)擺投放裝置，四桿復(fù)擺投放裝置采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，利用試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭亓孔杂上蛳聰[動(dòng)。當(dāng)擺桿下擺到豎直位置時(shí)，復(fù)擺投放裝置釋放試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，試?yàn)?zāi)Ｐ图醋鏊酵稈佭\(yùn)動(dòng)；在重力的作用下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵砸欢ㄋ剿俣群痛怪彼俣戎?。使用時(shí)預(yù)設(shè)復(fù)擺投放裝置擺桿長度、擺桿初始擺角和模型距地面高度，即可獲得相應(yīng)的水平速度和垂直速度。四桿復(fù)擺投放裝置具體設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽绾椭亓吭O(shè)計(jì)不同規(guī)格的聯(lián)結(jié)過渡件，以便和不同尺寸和重量的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接。

（1）擺桿長度計(jì)算

設(shè)模型質(zhì)量為m，擺桿長度為L，則

在不計(jì)模型和擺桿構(gòu)件機(jī)械阻尼和空氣阻力的情況下，擺桿長度可根據(jù)需要的水平速度v和擺桿初始角φ按上式算得。在擺桿長度選定之后，也可按上式推算各種不同水平投放速度v所相應(yīng)的擺桿初始角φ。

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮擺桿初始角φ以60°為上限，此時(shí)，當(dāng)水平速度v=15 m/s，則L=22.5 m。為獲得負(fù)載投放水平速度v=15 m/s，擺桿由長度為3 m和6 m的桿件組成，各桿件組數(shù)為：長度3 m的2組，長度6 m的3組。

（2）釋放高度計(jì)算

當(dāng) v垂直=15 m/s，h11.25 m；當(dāng)垂直速度v=15 m/s，模型釋放時(shí)離地高度為11.25 m。因此，當(dāng)模型在v垂直和v水平同時(shí)達(dá)到15 m/s時(shí)，模型離地高度為11.25 m+22.5 m=33.75 m，龍門架設(shè)計(jì)凈高為35 m。l'=Lsinα=19.486 m，龍門架總長47 m，凈長45 m。

（3）擺角計(jì)算

擺桿桿件長3 m的2組，6 m的3組，組合后桿件長度l=2×3 m+3×6 m=24 m。此時(shí)，v水平=15 m/s，則 1-cosα=，計(jì)算可得α=57.91°。

2 控制方案設(shè)計(jì)

2.1 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在試驗(yàn)架下方一角設(shè)置控制間，控制間內(nèi)放置電源柜、升降鎖緊裝置控制柜、起升裝置控制柜、參數(shù)測量系統(tǒng)控制柜、工控機(jī)、顯示器及打印機(jī)等。所有動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜經(jīng)電纜橋架、穿線管引入控制間，起升裝置既可以在控制間外無線遙控控制又可在控制間內(nèi)通過工控機(jī)控制外，其他操作均在控制間內(nèi)完成。

根據(jù)試驗(yàn)功能，本控制系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)電源電路的控制、升降鎖緊裝置的控制、起升裝置的控制（主/副鉤升降及平移）和試驗(yàn)架參數(shù)測量系統(tǒng)4個(gè)部分。

系統(tǒng)采用在控制領(lǐng)域內(nèi)被廣泛采用的可編程序控制器（PLC），集合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)，功能強(qiáng)，可靠性高，使用靈活方便，易于編程及適應(yīng)工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用。PLC采集按鈕、傳感器、限位開關(guān)等元器件信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)過程序處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、安全信號(hào)顯示及報(bào)警等控制功能，并在操作界面顯示相關(guān)參數(shù)及試驗(yàn)狀態(tài)?？刂圃砜驁D如圖2所示。

圖2 電控原理框圖

根據(jù)試驗(yàn)外部環(huán)境要求，為保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定性和可靠度，選用具有高度可靠性和高亮度的工控機(jī)，機(jī)殼選用高耐抗鋼機(jī)殼，壽命長，耐沖擊。

電源控制電路均集中放置在電源機(jī)柜中，主要選用施奈德（低壓電器）、魏德米勒（直流電源）和萬可（接線端子）的產(chǎn)品，該電路主要包括以下幾個(gè)部分。

（1）按鈕、開關(guān)及指示燈電路。在電源機(jī)柜面板上，包括4部分，即電源開關(guān)按鈕和指示燈、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警和故障指示燈、主/副鉤模式選擇鈕和急?？刂柒o等。

（2）系統(tǒng)電源主回路電路。包括空開、交流接觸器、繼電器、熔斷器等低壓電器元件。

（3）電源控制與檢測電路。用于控制和檢測電源狀態(tài)的繼電器、PLC模塊等電路。

（4）電源濾波及隔離電路。包括三相電源濾波器、單相電源濾波器和驅(qū)動(dòng)器用的三相隔離變壓器，用于提高測控系統(tǒng)的電磁兼容性。

2.2 電氣控制關(guān)鍵技術(shù)

門式試驗(yàn)架控制系統(tǒng)采用了變頻技術(shù)、零速剎車技術(shù)，調(diào)速比達(dá)到1∶10以上，速度穩(wěn)定，起制動(dòng)平穩(wěn)、無沖擊，具有很好的定位控制精度，并有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用磁通矢量技術(shù)及大轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)，解決了提升機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速時(shí)大轉(zhuǎn)矩輸出，負(fù)載變化劇烈的問題；

（2）采用頻率檢測和電機(jī)電流檢測技術(shù)，只有在電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)才開始轉(zhuǎn)動(dòng)，解決了溜鉤問題；

（3）主回路、控制回路分開并可靠接地，避免強(qiáng)電對(duì)變頻器的干擾；

（4）采用電氣制動(dòng)，進(jìn)行零速剎車，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，制動(dòng)器上閘剎車，避免了制動(dòng)時(shí)的沖擊。

3 關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)問題及解決措施

3.1 技術(shù)路線分析

根據(jù)試驗(yàn)架完成的功能而言，著陸緩沖試驗(yàn)難度較大。從前期調(diào)研情況看目前主要有采用滑軌投放方案和采用復(fù)擺投放方案兩條技術(shù)路線，兩者優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

（1）復(fù)擺投放裝置結(jié)構(gòu)簡潔，操作靈便，投放可靠，投放時(shí)間精度高，調(diào)整方便，承載能力大，維護(hù)方便；

（2）復(fù)擺投放裝置所用電器元件較少，作為戶外設(shè)備較為合適；

（3）復(fù)擺投放裝置成本相對(duì)較低；

（4）滑軌投放裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承載能力有限，操作較復(fù)雜；

（5）滑軌投放裝置所用電器元件較多，作為戶外設(shè)備維護(hù)較困難；

（6）滑軌投放裝置僅能完成著陸緩沖試驗(yàn)，要同時(shí)完成沖擊試驗(yàn)則設(shè)備更復(fù)雜；

（7）滑軌投放裝置成本高。

此外在復(fù)擺投放裝置上增加完成動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的裝置相對(duì)容易些，而在滑軌投放裝置上增加完成動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)的裝置難度相對(duì)較大。綜上所述，著陸緩沖試驗(yàn)采用復(fù)擺投放方案。

3.2 解決措施

門式?jīng)_擊試驗(yàn)架最關(guān)鍵的是著陸緩沖試驗(yàn)的復(fù)擺裝置，復(fù)擺裝置的核心機(jī)構(gòu)是松擺機(jī)構(gòu)，其功能是當(dāng)擺床斜拉起到預(yù)定的擺桿初始角后釋放擺床，使擺床開始在重力作用下下擺，作平面平行運(yùn)動(dòng)。

小車主鉤、橋架和卷揚(yáng)機(jī)適當(dāng)聯(lián)合動(dòng)作，把擺床連同模型斜向拉起。此時(shí)斜拉鋼絲繩承受很大拉力，且隨著擺桿角增大，拉力也增大。斜拉鋼絲繩和擺床之間設(shè)置了松擺機(jī)構(gòu)。松擺機(jī)構(gòu)必須可靠地拉住擺床，且當(dāng)需要松擺時(shí)，又能按指令準(zhǔn)確地?cái)嚅_鋼絲繩和擺床之間的聯(lián)系，釋放擺床，開始擺動(dòng)投放。

松擺機(jī)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的拉板用銷軸鉸接在擺床上。在拉板左邊安裝了一個(gè)掛彈鉤，右邊鉸接了一個(gè)掛繩鉤。掛繩鉤右邊套著拉起擺床的鋼絲繩；左邊頭上的鋼絲繩卸扣被掛彈鉤扣住。這樣當(dāng)鋼絲繩拉動(dòng)時(shí)，拉力通過掛繩鉤傳給拉板，再通過銷軸傳給擺床，擺床被拉起，當(dāng)擺床被拉到預(yù)定的擺桿初始角并做好投放的準(zhǔn)備工作后，按動(dòng)松擺按鈕，掛彈鉤通電，掛彈鉤卡口開啟，放開干絲繩卸扣，掛繩鉤在鋼絲繩拉力下翻轉(zhuǎn)180°，鋼絲繩從掛繩鉤脫出，擺床帶著拉板、掛彈鉤、掛繩鉤一起在重力作用下開始下擺。

該松擺機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：（1）操作靈便，動(dòng)作可靠；（2）結(jié)構(gòu)簡潔，重量輕；（3）承載能力強(qiáng)，安全裕度大。

圖3 工況Ⅱ應(yīng)變圖

4 有限元分析

以試驗(yàn)架承重典型情況（模型30 t、高度35 m）為例，其著陸緩沖試驗(yàn)（擺桿斜拉60°/豎直位置）等典型工況進(jìn)行有限元分析[8]。著陸緩沖試驗(yàn)，當(dāng)擺桿斜拉60°時(shí)，工況分析結(jié)果如圖3、4所示。

圖4 工況Ⅱ應(yīng)力圖

從模擬分析可知，每種情況的最大應(yīng)力和應(yīng)變均發(fā)生在模型在豎直位置未拋出的情景下，各種工況試驗(yàn)架的應(yīng)力應(yīng)變均處于安全水平，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠。

5 結(jié)束語

本文從結(jié)構(gòu)、控制、受力等方面對(duì)門式?jīng)_擊試驗(yàn)架進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，確保該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以檢測航天試驗(yàn)部件的試驗(yàn)狀況，為大系統(tǒng)的整體運(yùn)行提供驗(yàn)證和測試平臺(tái)。目前該系統(tǒng)已研制成功，并進(jìn)行了模擬載荷30 t的緩沖模擬測試和動(dòng)態(tài)沖擊測試，測試結(jié)果顯示系統(tǒng)可靠。