利用懸索火箭橇設計的高速定向拋投系統*

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，石家莊 210007)

0 引言

懸索火箭橇是一種約束彈道試驗裝置，利用兩根平行布設的懸空索道作為滑軌，火箭橇懸置于兩根懸索中間，發動機推動火箭橇在懸索約束方向高速運動。通過調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動速度，在該運動速度下完成產品相關測試。國外方面，美國在2010年以前曾經利用懸索火箭橇將5 kg的產品加速到2.1Ma，后續再未見到國外更高速懸索火箭橇的相關報道；國內方面，在2016年我所設計一套懸索火箭橇系統將3 kg重的試驗品加速到720 m/s；但是國內國外均未有利用懸索火箭橇實現定向拋投的文獻報道。

文中介紹了一種新型懸索火箭橇定向拋投系統，將需要拋投的產品架設在橇體前端，當橇體在懸索約束下定向飛行并達到指定飛行速度時，利用懸索末端的分離裝置使橇體和產品分離，從而達到定向高速拋投的目的。這種高速拋投系統與傳統的加速拋投系統相比，優勢在于：一是加速距離較長、產品的縱向過載較低，當橇體質量大于20 kg時，其縱向過載不超過60g，加速過程對產品影響較小；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品測試。當時橇體外徑70 mm，在懸索末端橇體成功穿過寬度為90 mm的空隙未發生碰撞；三是系統架設方便，試驗成本較低。

近期，利用懸索火箭橇實施了某型子彈藥地面高度定向拋投試驗，各項指標均滿足設計要求，達到了較好的試驗效果。

圖1 懸索火箭橇高速定向拋投系統

1 懸索火箭橇拋投系統的組成和工作原理

懸索火箭橇拋投系統分為懸索裝置、拋投橇體和分離裝置三部分。懸索裝置由起點支架、終點支架、絞盤電機、拉力傳感器、控制計算機等組件組成，如圖1所示。控制計算機實時接收安裝在兩根懸索上的拉力傳感器發送來的拉力數值，據此調整兩根索道拉力。起點支架與終點支架之間存在的高度差H由拋射產品需求確定。拋投橇體由試驗體安裝筒、攔阻臂、火箭彈發動機、后支架4個部分組成，如圖2所示。攔阻臂和后支架兩端有用于懸索穿過的套管，用于將橇體架設在兩根懸索中間。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支架前2 m處，兩塊攔阻板置于懸索和橇體之間，軸線應與懸索保持平行，確保試驗體能夠穿過攔阻塊之間的空隙。

圖2 拋投橇體結構

圖3 攔阻裝置結構

試驗時，兩根懸索拉緊并保持拉力相對一致，橇體從起點發射后，沿懸索約束出的斜坡加速飛行，調整懸索的拉力可以有效控制橇體運動時的懸索下拉量[1]，使橇體到達終點時，攔阻臂撞擊在分離裝置的攔阻板的“腰部”，橇體在撞擊過程中減速解體，而安裝在橇體頭部的試驗品，在慣性作用下繼續飛行，與橇體脫離，實現高速拋射。

2 橇體相關參數計算方法

2.1 橇體質量的公式推導

通過以上介紹可以看出，當發動機推力一定的情況下，要求橇體拋投速度達到試驗所需速度，只能控制橇體質量。橇體質量與沿懸索方向的加速度a(t)之間有如下關系[2]：

(1)

式中：m0為初始橇體質量；k為由于燃料燃燒造成的橇體質量的減少速度；t為時間；P為火箭彈發動機的平均推力；Z(t)為t時刻橇體的空氣阻力；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。由于P>Z(t)+f(T，t)，為了簡化計算，式(1)可以簡化為：

(2)

拋射速度v為：

(3)

式中tr是火箭彈發動機的工作時間，將式(3)積分展開,則橇體的初始質量與拋投速度的關系如下：

(4)

采用火箭彈發動機平均推力為10 000 N，工作時間tr=0.65 s，k=4.6，θ=10°，n=0.1。試驗體的拋投速度要求達到270～290 m/s，設v=280 m/s，則根據式(4)計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，所以在試驗時取m0=24 kg。

2.2 加速距離的公式推導

根據式(3)推導出火箭橇體的瞬時速度v(t)為：

(5)

則加速距離為火箭彈發動機工作結束時火箭橇的位置：

(6)

將m0=24 kg代入式(6)，則得到加速距離s=89 m。由于火箭彈發動機尾焰點火時會對后面支架造成影響，所以懸索距離應大于加速距離。試驗中將起點支架與終點支架的水平距離設為160 m。

3 懸索下拉幅度的仿真計算

橇體在柔性懸索上約束飛行，其運動軌跡會有所下拉，下拉幅度與懸索拉力有關。應控制橇體飛行對懸索的下拉，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。為了計算橇體對懸索的下拉，采用Newton法[3]對懸索進行建模，按照文獻[1,4]中的方法仿真計算了橇體下拉幅度，如圖4、圖5所示。設懸索兩端拉力為2 200 kg。圖中圓圈為火箭彈發動機點火后0 s、0.1 s、0.6 s、0.7 s和0.86 s時橇體頭部所在位置，可見當橇體飛行接近終點時，橇體下拉幅度約為0.35 m，則設定分離裝置距離終點支架約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，橇體的攔阻臂正好撞擊在攔阻板中間位置(0.35 m)，達到最佳的攔阻效果。

圖4 火箭彈發動機點火后橇體頭部位置

圖5 火箭彈發動機點火后0.86 s懸索下拉幅度

4 試驗結果

近期，利用懸索火箭橇實施了某型子彈藥地面高度定向拋投試驗，試驗時子彈藥重量約為13.5 kg，橇體總重量為24 kg，起點支架與終點支架之間水平距離為160 m，雷達測速結果表明拋投速度為270～280 m/s，如圖6所示，與仿真計算結果一致。

圖6 雷達測得火箭橇運動速度曲線

懸索下拉幅度約為0.3～0.4 m，與計算仿真結果一致，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面

5 結論

文中介紹了一種利用懸索火箭橇設計的高速定向拋投系統，推導了橇體質量、加速距離等系統參數，仿真計算了懸索下拉幅度。該系統用于某新型子彈藥地面拋投試驗取得成功，試驗數據和仿真結果一致。