一種減速系統的設計與試驗研究

廖紅強， 廖明建， 閆茂振， 陳強洪， 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實現減速目標，該減速系統最終通過減速傘實現減速。要發揮減速傘的減速功能，就必須將其從飛行器內釋放，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計一套有效、可靠的控制系統來實現。考慮該應用對象的特殊性，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行開發設計。

針對上述需求，基于彈射引導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，結合減速傘安裝空間及減速系統在飛行器中的連接結構設計，研制了一種適用于該飛行器的減速系統。本文擬從設計要求分析、總體設計方案、關鍵技術分析及試驗研究情況四個方面進行闡述。

1 設計要求

根據飛行器的要求與具體狀態，對減速系統提出以下設計要求：1）在將減速傘從飛行器中釋放出來之前，應保證減速傘能安裝于飛行器中限定空間內，并且能可靠約束；2）要求能通過飛行器提供的電信號或者機械信號啟動減速系統；3）減速系統啟動后，要求能夠通過機械傳動方式控制減速傘的釋放。

2 總體設計方案

2.1 總體結構與組成

減速系統主要由傘倉體、傘倉蓋、彈射機構（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，其總體結構與組成如圖1所示。其中箍緊繩由鋼絲繩和螺紋接頭組成，其結構與組成如圖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現與減速系統連接。彈射機構為一個彈簧系統，用于實現傘倉蓋在約束解除后向外彈射。卡爪用于在箍緊繩作用下對傘倉蓋進行約束。扭簧用于實現卡爪在約束解除后復位。頂緊螺釘用于實現傘倉蓋與傘倉體止口連接的軸向頂緊調節。箍緊繩兩端帶有螺紋接頭，長度可在一定范圍調節，用于實現對卡爪的約束。切割器用于切斷箍緊繩，實現減速系統初始動作的控制。拉繩用于拉力啟動切割器。

圖1 減速系統總體結構與組成示意圖

圖2 箍緊繩結構與組成示意圖

傘倉體為一端開敞的筒狀結構，具有較好的強度、剛度及減速傘收納能力；傘倉蓋為帶有淺止口的圓板結構，質量較小，有助于實現引導傘功能，結構簡潔，加工與裝配方便；卡爪為鉸鏈加F形結構，鉸鏈結構便于轉動，F形爪頭結構能夠實現對傘倉蓋卡位與對自身限位雙重功能；掛傘軸與其支架為軸孔配合加螺紋連接結構，可實現對減速傘的牢固連接，且加工與裝配方便。

2.2 系統動作過程

圖3 減速系統動作時序圖

減速系統的動作時序如圖3所示。當飛行器運動到預定時刻，向減速系統輸出拉力信號作用于切割器上，啟動切割器；切割器動作，切斷箍緊繩；箍緊繩斷開，解除對卡爪的約束；卡爪失去約束后在扭簧回復力作用下復位，解除對傘倉蓋的約束；傘倉蓋失去約束后在彈射機構作用下向外彈出；傘倉蓋彈出傘倉體后，安裝于傘倉蓋上的引導傘在氣流作用下打開，產生較大氣動力，將減速傘從傘倉中拉出；最終減速傘在氣流作用下打開，產生氣動阻力，實現整個飛行器的減速。

3 關鍵技術分析

3.1 切割器選型與可靠性設計

在圖3所示動作時序中，切割器能否可靠動作是后續動作的必要前提，對減速系統能否實現預定功能起著決定作用。對此，一方面要求所選切割器本身具有高可靠性；另一方面針對切斷箍緊繩動作，采取2個切割器并聯的工作模式，提高可靠性設計，如圖1所示，保證只要任何1個切割器動作均能完成切斷箍緊繩動作，實現要求的功能。

3.2 扭簧合理機械復位設計

扭簧是使卡爪復位以解除對傘倉蓋約束的關鍵零件。卡爪在箍緊繩切斷后，主要承受扭簧產生的回復力和彈射機構推動傘倉蓋作用在卡爪上的推力。所受推力將產生卡爪與傘倉蓋接觸面間的摩擦力，阻礙卡爪的復位運動。如果扭簧提供的回復力不足，將導致無法有效復位或者卡爪的復位運動與傘倉蓋的向外彈射運動隨動。因此扭簧的設計首先要考慮能提供足夠回復力，使卡爪能按要求復位而不發生隨動現象。對此要求卡爪復位運動時間小于傘倉蓋上彈射機構響應時間20～200ms，其驗證計算如下：

圖4 卡爪運動分析示意圖

卡爪運動分析如圖4所示。由圖4可知，如果卡爪在扭簧預壓力作用下，在很短時間變加速轉動角度對應的軸向距離始終大于傘倉蓋在彈射機構作用下在相同時間變加速近似直線運動的距離，直至卡爪脫離傘倉蓋外圓邊界，或者卡爪在扭簧預壓力作用下復位所用時間小于彈射機構響應時間，那么卡爪可有效成功解除對傘倉蓋的約束，使彈射機構有效發揮作用。

從機械設計手冊［1］查得卡爪與傘倉蓋之間摩擦因數，結合彈射裝置的預壓力、機械控制系統幾何尺寸等數據，計算得扭簧需提供最小初始扭矩約為：T0=0.809 N·m，已知卡爪轉動慣量JZ=1.618×10-5kg·m2，由此計算得出卡爪轉動的初始角加速度 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動18°所需時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構的響應時間20～200 ms，因此，所設計扭簧提供的回復力矩只要大于T0即可實現傘倉蓋的成功彈射。

另一方面，基于卡爪連接結構及傘倉體強度等考慮，扭簧提供的回復力不宜過大，否則可能造成卡爪復位后回彈，對傘倉蓋再次產生約束造成彈射失敗，或者可能造成卡爪連接結構或傘倉體的沖擊破壞。

綜合以上各種約束，按照彈簧手冊［2］進行設計計算，得到的扭簧參數見表1。

表1 扭簧基本參數表

4 試驗研究

根據真實工況設計了兩類地面試驗對工作過程進行模擬驗證，以研究該設計方案的可行性及可靠性。一類為人工手動剪斷箍緊繩的原理可行性考察試驗，另一類為模擬真實狀態切割器切斷箍緊繩的方案驗證及可靠性研究試驗。兩類試驗共進行了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的高速攝影情況如圖5所示。

除以上兩類近似模擬的試驗外，還開展了模擬空中飛行真實氣動環境的火箭撬試驗對該設計方案進行進一步考核驗證，試驗獲得圓滿成功，傘倉蓋成功在預定時刻彈出，減速傘成功打開。

試驗研究結果表明，切割器、扭簧、箍緊繩、卡爪等主要功能零部件均能實現預定功能，均能按預定時序可靠動作，所設計扭簧能在彈射機構響應前完成卡爪復位動作，不會造成卡爪與傘倉體上的連接結構沖擊破壞等不良后果。

圖5 方案驗證試驗高速攝影情況

5 結論

1）針對某飛行器的減速要求及其無法采用現有人工降落傘等開傘方案的實際情況，設計研究了一套減速系統。

2）通過設計計算進行了關鍵零部件切割器的設計與選型，分析與計算了扭簧的設計約束，計算得出了扭簧的規格及基本參數。

3）對設計方案的可行性與可靠性進行了試驗驗證，結果表明方案滿足設計要求，能夠成功實現釋放減速傘進行減速的功能。

［參考文獻］

［1］徐灝.機械設計手冊：第1卷［M］.北京：機械工業出版社，1991：7-18.

［2］張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊［M］.北京：機械工業出版社，2006：259-270.