新一代運載火箭整體起豎系統對地載荷研究

常 娟，徐 華，徐耀鐘，卿子友

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新一代運載火箭整體起豎系統對地載荷研究

常 娟1，徐 華1，徐耀鐘2，卿子友1

（1. 上海宇航系統工程研究所，上海，201108；2. 上海航天設備制造總廠，上海，200245）

為保障新一代運載火箭快速發射的安全性，需對濕陷性黃土場區內預設起豎系統固定設施對地載荷進行研究。采用解析法建立力學模型，推導出起豎系統在不同風載作用下起豎全過程中的對地載荷。通過壓力監測裝置采集到起豎過程油缸內腔壓力，用以計算油缸實際受力曲線，該曲線與理論數據非常接近，變化趨勢一致，從而驗證計算模型的正確性，可作為發射場坪選取、建設的依據。

運載火箭；整體起豎；載荷分析

0 引 言

新一代運載火箭采用整體起豎的方式落于發射臺，起豎系統的關鍵部件起豎油缸和翻轉對接裝置預先固定于發射場，支座與地基預埋鋼板通過焊接方式固定，起豎全過程中的拉力、壓力和剪切力通過焊縫傳遞給地基。地基及焊縫能否承受起豎過程各種載荷，成為影響系統成敗及安全的關鍵問題。

發射場區為濕陷性黃土地區，黃土本身存在水敏性、大孔性等多種工程病害，易出現由不均勻沉降、裂縫、負摩擦力作用引起的變形和破壞等多方面的問題，濕陷性黃土在遇水浸濕后，出現結構迅速破壞，發生突然的下沉變形，強度也隨之大幅下降，具有極大的危害性[1]。而以快速、反復起豎回倒為基本任務的起豎系統，隨著起豎過程質心的變化，以及每次起豎承擔的載荷類型不同，引起地基動力響應的不斷改變，經過長時間的累積，會出現疲勞、變形等現象，造成重大的安全隱患。由于黃土的工程性質和起豎系統的工況非常復雜，將起豎系統固定設施預置于場地，可供借鑒的研究成果和工程經驗不足，因此，系統對地荷載的準確研究，對于確定地基施工指標、處理方案的選擇有重要的指導意義。

本文通過解析法[2]研究起豎過程的載荷，分解出對地載荷極值，為發射場坪選取、建設提供依據。

1 起豎過程受力分析

1.1 產品狀態

運載火箭整體起豎狀態如圖1所示。由圖1可知，火箭整體起豎時起豎架與翻轉對接裝置緊固，箭體等固定于起豎架上，通過2根起豎油缸的伸出、翻轉對接裝置繞旋轉耳軸轉動，使箭體整體起豎落臺。其中，起豎油缸下支座、翻轉對接裝置均固定于陣地。

圖1 起豎產品狀態

1.2 起豎機構受力分析

圖2為對起豎機構進行受力分析[3~8]。在起豎架繞旋轉耳軸轉動角的過程中，作用在起豎機構上的力矩主要包括：箭體和起豎架的重力矩、作用在箭體表面的風載力矩和起豎油缸伸出時的推力力矩。在起豎過程中往往需要考慮順風、無風、逆風3種情況。由于液壓油缸伸出時摩擦力較小，起豎過程平穩速度較慢，慣性力也較小，因此這2種力都不考慮。坐標設置為以旋轉耳軸為圓心，沿箭體縱向向前為正向，豎直向上為正向。油缸載荷受壓為正，受拉為負。

圖2 起豎機構受力示意

a）起豎過程起豎油缸受力計算。

當起豎至角度時，起豎上支點位置:

（2）

起豎油缸力力臂為

起豎油缸力為

（5）

b）起豎油缸支點載荷。

（8）

c）旋轉耳軸支點載荷。

（10）

聯立式（7）~式（10），可求出起豎過程中油缸下支座、旋轉耳軸所受的力，即為傳遞給地基的力。

2 起豎過程對地荷載計算

依據輸入參數，考慮順風、無風、逆風起豎3種情況（風向與起豎平面平行），計算結果如圖3所示，起豎過程理論計算最大值見表1。

圖3 起豎油缸載荷

表1 起豎過程載荷理論計算最大值 單位：kN

若風向與起豎平面垂直，即受到側向風載作用時，分析起豎角為0°和90°兩種極限工況：

a）起豎角為90°時，用豎立風載引起的尾端彎矩830 kN·m進行計算（等效均勻風場為32 m/s），油缸耳軸和旋轉支座耳軸共同承擔橫向風載彎矩，則相對無風受力計算最大增加壓力111 kN。起豎角為90°時，油缸支座受拉力，旋轉耳軸支座受壓力，考慮橫向風載后，旋轉耳軸地基最大壓力為623+111=734 kN，小于表1中最大計算值812 kN。

b）起豎角為0°時，22.5 m/s2的均勻風場，產生的風載為37.7 kN，引起彎矩為92.5 kN·m，油缸耳軸和旋轉支座耳軸共同承擔橫向風載彎矩，則相對無風受力計算最大增加壓力為25 kN。起豎角為0°時，油缸支座受壓力，旋轉耳軸支座受拉力，考慮橫向風載后，油缸支座地基最大壓力為1001+25=1026 kN，小于表1中最大計算值1048 kN。

由上述分析可知，極限工況下，起豎系統在風向與起豎平面平行時受到的載荷大于風向與起豎平面垂直時的載荷，因此僅考慮平行風即可。

綜上，通過油缸及旋轉耳軸受力分析，得到的地基載荷極值如表2所示。

表2 起豎過程最大地基荷載 單位：kN

3 發射場地基處理方案

通過分析，地基交錯承受壓力、拉力，并隨風向的變化、承受剪力的方向變化，且載荷較大。為高效安全地處理地基，采用強夯法對地基進行施工處理，依據初始確定的參數指標，在施工現場進行試夯，然后對夯前和夯后的相關數據進行對比分析，檢驗強夯的效果，并且根據分析的結果調整地基承載能力特征值不低于250 kPa，消除全部濕陷性。采用樁基法對其加固處理，成樁材料為3∶7灰土，成孔直徑500 mm，成樁直徑700 mm，采用等邊三角形梅花布樁，孔底標高-28 m，樁尖進入粉土層不小于1 m，有效控制地基的沉降，增強地基的承載力。

4 起豎過程實際載荷測試結果分析

根據分析結果，完成起豎系統地基的建造，將預設地面設施與地基進行焊接后，對起豎過程進行現場測試。由于地基載荷無法直接測量，通過對起豎油缸腔內壓力測量，計算出油缸受力，將油缸實際受力情況與理論計算情況對比，即可判斷地基處的載荷情況。

起豎油缸采用雙級油缸的形式，一級油缸有桿腔（B腔）的面積為0.028 m2，無桿腔（A腔）的面積為0.113 m2；二級油缸有桿腔（B腔）的面積為0.024 m2，無桿腔（A腔）的面積為0.049 m2。以活塞桿為受力對象，可得：

產品的起豎情況如圖4所示。試驗過程中，選用壓力傳感器獲取油缸壓力值，如圖5所示。通過式（11）將壓力轉化為油缸推力后的實際載荷如圖6所示，與圖3逆風起豎載荷符合較好。

該地基完工后的3年內，在任務執行前后均對地基外觀進行檢查，對焊縫進行著色檢查，狀態良好，無沉降、變形等。

圖4 產品起豎現場

圖5 起豎過程油缸實測壓力值

圖6 起豎過程油缸實際載荷

5 結 論

本文通過解析法對運載火箭整體起豎過程各工況的力學性能進行分析，建立力學模型，得到理論數據，并通過數據采集裝置得到實際起豎過程中油缸各腔的壓力數據。通過對比分析，實測數據與理論數據非常接近，變化趨勢一致，從而驗證計算模型的正確性；通過持續的測試，驗證了在該技術指標指導下，地基處理方案的正確性，從而驗證了將地基承載趨勢和極值作為地基設計及處理方案選擇的依據的可行性。

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Study on the Load to Ground on the New Generation Launch VehicleErection Process

Chang Juan1, Xu Hua1,Xu Yao-zhong2, Qing Zi-you1

(1. Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai, 201108 ; 2. Aerospace Equipments Manufacturer Shanghai, Shanghai, 200245)

To safeguard the security of the new generation launch vehicle speedy emission, the load to ground in the orthogonal experiment coverage was studied. The mechanics model was formulated by the analytical method, and the load to ground in erecting process was calculated while the influence of wind load was considered, hydraulic cylinders’ pressure parameter was yielded through using pressure data acquisition system, and the data acquisition result is analyzed with real measuring data. The analyzed result showed that amplitude and variation trend of the force were in well match with theoretical calculation results, and the computation result was rational, which offerring references to selecting and building of launching site.

Launch vehicle; Erection; Load analysis

1004-7182(2016)03-0036-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160309

V554+.2

A

2015-11-12；

2015-12-30

常 娟（1983-），女，工程師，主要研究方向為運載火箭總體地面設計