阻力板在雙軌橇車速度調節中的應用

魏 征,劉鵬遠,肖 軍,張旭光,李勇林

(1.陸軍工程大學, 石家莊 050000； 2.中國華陰兵器試驗中心， 陜西 華陰 714200)

火箭橇試驗以橇車為載體、火箭發動機為動力，通過橇車在軌道上高速運動，模擬被試品空中飛行速度、加速度特性，同時利用橇載測試設備、外測設備獲取被試品性能參數的試驗方法。雙軌橇車是火箭橇試驗中一種常用的試驗方法，由于雙軌橇車可以實現橇車和被試品的安全回收，在導引頭、慣性導航設備等價格昂貴被試品的火箭橇試驗中得到廣泛應用。雙軌橇車剎車類型主要有阻力傘剎車、攔阻索剎車和水剎車等方式[1-2]。水剎車是利用剎車在水中運動時產生的水阻力實現橇車減速、制動，由于水剎車具有經濟、靈活、制動能力大等特點，因此廣泛應用于雙軌橇車回收試驗。

水剎車在雙軌橇車回收試驗中存在以下兩點不足：一是，雙軌橇車速度較高時，橇車入水速度高，產生的剎車水阻力較大，易導致剎車損壞或橇車變形。二是部分被試品不具備防水能力，火箭橇試驗無法使用水剎車回收。將阻力板技術應用于雙軌橇車回收，橇車速度較高時，可降低橇車入水速度，減小雙軌橇車入水時水阻力，提高橇車安全性；橇車速度較低時，可實現低速雙軌橇車的無水回收，拓展低速雙軌橇車的應用范圍。

1 阻力板設計方案

1.1 阻力板位置

根據雙軌橇車結構，綜合考慮安裝位置、阻力板張開后對稱性等因素，高速雙軌橇車可在橇車側向、前端和底部等3個位置安裝阻力板(圖1)。阻力板為6 mm鋼板，前端阻力板1 400 mm×100 mm，每塊側向阻力板尺寸為400 mm×250 mm，底部阻力板尺寸為600 mm×290 mm。

圖1 高速雙軌橇車阻力板設計示意圖

低速雙軌橇車僅安裝2塊側向阻力板，每塊側向阻力板尺寸為400 mm×250 mm(圖2)。

阻力板由爆炸螺栓固定，橇車加速時，阻力板處于閉合狀態，減速回收時，爆炸螺栓起爆，阻力板張開，如圖1、圖2所示。增加橇車滑行阻力，縮短剎車距離，同時降低橇車入水速度，再結合分段入水方法，減小橇車入水時水阻力，降低橇車后梁結構受力，提高高速雙軌橇車回收可靠性。低速雙軌橇車回收時，通過阻力板張開，增加回收阻力，實現低速雙軌橇車的無水回收。由于阻力板對稱布置，且總面積相對橇車迎風面積較小，因此對橇車模態和振動影響較小[3-4]。

圖2 低速雙軌橇車阻力板設計示意圖

1.2 阻力板受力

橇車滑行時，只受空氣阻力和摩擦阻力，運動方程如下[5-7]：

V2=V1-[ρCDAV1/2+Rf](t2-t1)/m

(1)

式中：V1為橇車在t1時刻速度；V2為橇車在t2時刻速度由于Δt=t2-t1極小(≤0.05 s)，此時可以忽略速度變化對空氣阻力的影響[8]；CD為橇車阻力系數；A為雙軌橇車迎風截面積(m2)；ρ為空氣密度(kg/m3)；V為橇車運動速度(m/s)；Rf為摩擦阻力(N)，Rf=ufmg，uf為滑動摩擦因數，一般取值0.05～0.2；m為雙軌橇車總質量(包含橇車、火箭發動機殼體、被試品和測試設備等)。

對于低速雙軌橇車，滑行段阻力板張開后，橇車總的阻力系數增加C阻力版，運動方程為

(2)

對于高速雙軌橇車，橇車入水時，水剎車入水后產生的水阻力[9-10]：

(3)

式中：F水阻力為水剎車水阻力(N)；A為水剎車入水面積(m2)；ρ水為水的密度(kg/m3)；Rv為出、入水流速度比；θ為水流翻轉角度；V2為橇車入水速度(m/s)。

2 阻力板回收應用

2.1 高速橇車阻力板減速分析

現有雙軌橇車質量650 kg，橇車阻力系數0.55，最高速度330 m/s，此時阻力板全部打開，運行方向阻力板投影總面積：

S=2×400×250+1 400×100+

600×(290-100)=454 000 mm2

阻力板為平板，阻力估算時阻力系數取值1.0。根據式(1)和式(2)得到橇車無阻力板和阻力板張開時減速效果如圖2(b)所示。從減速距離與橇車速度關系可以看出，無阻力板時，滑行200 m橇車速度下降至283 m/s，阻力板張開時，滑行200 m橇車速度下降至253 m/s，速度降幅增加30 m/s，入水剎車阻力由55 kN減低止78 kN(圖3)。

圖3 高速橇車阻力板減速效果

2.2 低速橇車阻力板回收分析

現有雙軌橇車質量450 kg，橇車阻力系數0.45，最高速度135 m/s(橇車位置距離軌道起點150 m)，橇車滑行至 600 m位置時，橇車速度降低至95 m/s，此時阻力板全部打開，運行方向阻力板投影總面積：

S=2×400×250=200 000 mm2

根據式(2)得到低速橇車阻力板張開時回收距離與橇車速度如圖4所示。從回收距離與橇車速度關系可以看出，有阻力板時，橇車滑行至1 300 m位置時，速度≤30 m/s；無阻力板時，橇車滑行至1 450 m位置時，速度≤30 m/s。

3 動態試驗驗證

3.1 低速橇車阻力板驗證

橇車質量550 kg，安裝2塊側向阻力板(圖2)，每塊側向阻力板尺寸為400 mm×250 mm，使用2發某型火箭發動機，發動機點火后加速到最大速度139 m/s；5.7 s后，橇車滑行至距離軌道起點600 m位置，速度下降至94 m/s；此時通過車外觸發裝置控制爆炸螺栓工作，阻力板張開(圖2)，橇車減速至900 m位置，橇車速度下降至61 m/s(圖5)。實際動態試驗雷達測試速度曲線與設計速度曲線對比如圖6所示。橇車外測最高速度135 m/s，橇車滑行至600 m位置時速度降低至92 m/s，橇車減速至900 m位置，橇車速度下降至62 m/s。阻力板張開后設計速度曲線與外測曲線吻合，驗證了阻力板減速效果。

圖4 低速橇車阻力板回收距離曲線

圖5 低速雙軌橇車減速距離與橇車速度曲線

圖6 低速雙軌橇車阻力板動態驗證試驗速度曲線

3.2 高速橇車阻力板驗證

低速橇車使用4發某型火箭發動機后，橇車最高速度285 m/s，4.4 s時橇車速度275 m/s，阻力板張開。實際動態試驗雷達測試速度曲線與設計速度曲線如圖7所示。阻力板張開后設計速度曲線與外測曲線誤差較小，驗證了高速橇車阻力板減速效果。

圖7 高速雙軌橇車阻力板動態驗證試驗速度曲線

4 結論

高速雙軌橇車回收時使用阻力板，入水速度可降低30 m/s，減速效果增加11%，入水阻力降低23%(相同入水高度)；與無阻力板時相比，降低相同入水速度時，所需滑行距離縮短38.7%。

低速雙軌橇車回收時，通過阻力板張開，增加回收阻力，可實現低速雙軌橇車回收；低速雙軌橇車阻力板減速效果在動態試驗中得到驗證。