火箭橇滑塊高速重載磨損行為的研究進展

摘 要：火箭橇試驗是高超聲速技術領域的技術基礎，已成為世界范圍內高端裝備博弈的熱點之一，開展火箭橇系統的運維與損傷控制研究尤為重要。作為火箭橇與火箭滑軌連接的紐帶，滑塊是火箭橇試驗在高速重載工況下可靠服役的關鍵。火箭橇滑塊在特定服役工況下的磨損，威脅著火箭橇試驗系統的可靠運行和長壽命服役安全，更是制約火箭橇發展和應用的主要技術瓶頸。因此，開展火箭橇滑塊高速重載磨損行為研究具有重要的理論價值和工程意義。本文首先介紹了國內外火箭橇試驗系統的發展沿革與現狀；進而，基于試驗、模擬仿真、試驗與模擬仿真結合，綜述了火箭橇滑塊高速重載磨損行為的研究進展。最后，著眼于模擬手段、高性能新型金屬材料設計與制備、表面防護涂層等展望了解決火箭橇滑塊磨損的可行途徑，旨在為極端工況下材料服役損傷行為與控制技術提供借鑒與參考。

關鍵詞：火箭橇； 滑塊； 高速重載； 磨損行為

中圖分類號：V219 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.04.001

基金項目： 航空科學基金（20200029029001）；山西省科技合作交流專項（202204041101021）；山西省中央引導地方科技發展資金項目（YDZJSX20231A018）；陜西省自然科學基金項目（2022JM-251）

高超聲速技術是未來大國間科技競逐的關鍵點，自20世紀90年代起，高超聲速技術進入蓬勃發展時期，世界各國在高超聲速技術發展上持續發力，至今一直處于高速發展階段。作為發展高超聲速技術的關鍵之一，火箭橇試驗安全性和長期穩定性的研究是不可或缺的重點環節[1-2]。

火箭橇滑軌系統作為一種可控性和可靠性強、高精度地面動態模擬試驗設備，以火箭發動機為推進系統，模擬試驗件在空中的高速運行狀態，主要用于研究航空航天等尖端武器裝備以及民用高新技術產品在超高速運行時可能遇到的一系列技術問題，以提高試驗件的可靠性，縮短研制周期，節約費用開支。火箭橇動態試驗可以模擬試驗件真實飛行的綜合試驗環境，通過模擬飛行過程獲得大量易測且準確的數據，并且試驗的重復性、可操作性、可控性、維修保養等均優于傳統的風洞試驗[3]。

火箭橇滑軌系統依據其使用的滑軌數量和形式可分為多種類型，其中以單軌和雙軌火箭橇為主，兩者又各有優勢和不足。雙軌火箭橇滑軌系統，顧名思義就是使用了兩條標準滑軌作為導向約束，其優勢在于承載能力更大、系統穩定性高，不足之處在于所占空間較大、易受空氣阻力影響，不適合超過Ma 3的試驗，而單軌火箭橇滑軌系統僅僅使用了一條滑軌，其優勢在于極大地削弱了氣動阻力的影響進而可實現更高速度的試驗，是完成超高速試驗的首選火箭橇滑軌系統，但其弊端是承載能力有限、系統運行過程中穩定性差。

火箭橇沿滑軌滑動是通過滑軌上的滑塊滑動來進行的，滑軌上的滑塊在設計上，不僅需要確保滑塊牢牢地扣住滑軌，使試驗設備在滑軌上處于高速運行的過程中不至于脫離，還需要保證滑塊與滑軌之間有一定程度的間隔，使滑塊成功在滑軌上滑行[4]。實際上，火箭橇動態試驗過程是典型的高速重載荷試驗，而其滑塊部件作為火箭橇與滑軌相接觸的重要連接紐帶，隨著火箭橇試驗速度的提高，滑塊在滑軌上運動時將承受復雜、苛刻的干摩擦以及較大的負載正壓和沖擊力作用。試驗過程中，正是由于不斷地振動、沖擊載荷的增加，以及在干摩擦作用下生成大量的摩擦熱會進一步引起熱應力[5]集中從而加劇了磨損，且在與高速重載荷共同作用下導致滑塊出現塑性變形，這將制約動態試驗過程的完成，因此對火箭橇滑動過程中的摩擦磨損行為進行研究，并對改進滑塊摩擦磨損性能、兼顧耐磨性和減摩性以及提高其抗動態沖擊性的研究顯得尤為必要。因此，滑塊材料的研究成為當前開展高速和超高速火箭橇試驗技術研究的關鍵方向之一。

1 試驗研究

調研發現，國內外大多數研究學者以對火箭橇試驗后的滑塊試樣進行摩擦磨損分析為主，然而，火箭橇試驗具有相當高昂的經濟成本和時間成本，這對于收集表征摩擦磨損現象所需的數據是不利的，且火箭橇試驗所獲得的滑塊樣本量少、運行環境等客觀不確定性因素較多，因此試驗研究通常很難揭示高速滑行時滑塊摩擦磨損的演變歷程。圖1為火箭橇滑軌及滑塊受力示意圖。

2018年，俄羅斯科學家Gerasimov等[7]開展了火箭橇軌道設施高速滑動過程中材料力學性能變化、塑性變形以及表面燒損情況的研究，研究發現滑塊高速滑動所產生的摩擦熱有21%用于加熱燒損滑塊，其余熱量則由于熱傳導或輻射而損失，這導致了滑塊工作表面的力學性能降低以及發生劇烈塑性變形。

資料顯示，1992年楊興邦最早提到火箭橇滑動摩擦會導致滑塊磨損，表示滑塊材料選擇及其與滑軌之間的間隙是十分重要的。然而，直到2010年關于滑塊磨損問題依舊沒有取得實質性進展，王云[8]指出火箭橇滑塊和滑軌作為重要的基礎配套設施，解決火箭橇突破熱障后出現的滑塊磨損問題仍然是未來發展需要。

為了解決這一問題，諸多學者進行了相關科學研究。楊忠誠等[9]于2013年針對火箭橇滑塊的選材，采用NM500耐磨鋼、0Cr18Ni9Ti不銹鋼分別與QU-100軌道材料進行了摩擦磨損試驗，試驗發現室溫時兩種鋼的磨損機制均存在磨粒磨損，而在400℃及以上高溫時均存在氧化磨損，但耐磨鋼在高溫時的耐磨性能比常溫下優異，不銹鋼則出現了表面的嚴重氧化，因此，在相同溫度下，NM500耐磨鋼相較于0Cr18Ni9Ti不銹鋼具有更好的耐磨性能。2017年Liu Jun等[10]采用了銷盤試驗分別對0Cr18Ni9Ti和T250兩種材料在不同工況下的耐磨性進行了測試，并建立了在試驗中評價滑塊磨損的等效轉換方法，結果表明T250具有更好的耐磨性，這為不同速度和載荷范圍內火箭橇滑塊材料的選擇提供了參考。

滑塊選材問題終究是由于滑塊磨損機制不同而產生磨耗差異，因此厘清滑塊磨損機制也是必要的。2016年薛進進等[11]以當前使用的高速火箭橇滑塊材料30CrMnSiNi2A為研究對象，進行了中速條件（30～60m/s）下的摩擦磨損試驗，發現隨著溫度的升高，滑塊材料性能嚴重惡化，高溫耐磨性較差，但摩擦因數趨于穩定。2019年汪笑鶴等[12]分析了火箭橇動態試驗后銅合金滑塊的表面形貌，分析發現滑塊表面明顯的溫度梯度變化致使組織結構變化，導致出現以磨粒磨損和黏著磨損為主的磨損機制，此外產生的劃痕沿著滑動方向呈現彼此平行分布，且在部分區域出現不規則的撕裂狀表面，大多數劃痕側面存在材料堆積，即明顯的塑性變形。2020年王瑋華等[6]分析了0Cr18Ni9Ti滑塊歷經938m/s、850kg高速重載后的摩擦磨損失效機理，發現滑塊在重載荷和摩擦熱綜合作用下是以磨粒磨損和疲勞磨損為主要、黏著磨損和氧化磨損為次要的失效機理，且由于摩擦熱引起的加工硬化導致硬度在1.6mm厚度范圍內由表向里呈梯度降低變化。

在苛刻服役條件下，為避免滑塊出現嚴重磨損，既要提高滑塊耐磨性又要解決滑塊減摩問題，在滑塊表面制備減摩耐磨涂層成為重要的手段之一[13]。2018年雷逸舟[14]研究了火箭橇滑塊表面制備含Ni包MoS2粉末的Cr3C2-25NiCr復合涂層在高溫下的減摩耐磨性，研究發現復合涂層呈現出出色的減摩性能并有效降低了摩擦因數。

2020年，蘇靜雨等[15]為了實現減輕在高速干摩擦條件下火箭橇滑塊由于顆粒磨損以及摩擦熱而引起的磨損和燒蝕，使用超聲速火焰噴涂技術在滑塊材料VascoMax 300鋼表面制備了NiCr-Cr3C2耐磨涂層，并加入不同質量分數的Ni包覆MoS2粉末進行涂層性能優化，試驗結果發現當粉末加入量在16%～24%時涂層綜合效果最好，且制備的涂層不僅起到了減摩耐磨的作用，也緩解了滑塊表面的溫升，進而有效抑制了熱損傷的發生。

2021年，呂濤[16]以火箭橇滑塊基體材料0Cr18Ni9Ti不銹鋼和QAl9-4鋁青銅為研究對象，利用等離子噴涂技術在基體材料表面制備了良好機械結合的鎳-石墨涂層，分析并比較了兩種滑塊材料及其有涂層時的干摩擦磨損性能和潤滑情況下的磨損性能，試驗發現室溫低速低載荷或高載荷下涂層的體積磨損量均低于兩種滑塊基體材料，涂層表現出優異的減摩耐磨性，而在潤滑條件下，由于潤滑油膜提供了減摩效果并降低了材料磨損，滑塊材料體積磨損量均低于干摩擦時的磨損量。減摩耐磨涂層無疑是解決火箭橇滑塊磨損問題的手段，但與基體結合強度不高的涂層往往會發生涂層剝落，產生的硬質涂層顆粒反而會加劇滑塊表面的磨損。

2 模擬仿真研究

伴隨著計算機科學的高速發展，基于計算機模擬分析的方法逐漸被應用于火箭橇滑塊的摩擦學問題研究。

2009年，Burton等[17]首先對滑塊、滑塊襯墊和軌道頂部的原始樣品和使用樣品的表面高度輪廓進行了詳細測量，來保留幾乎所有重要的表面特征（包括粗糙度特征），隨后使用ABAQUS軟件建立了滑塊與滑軌相互作用問題的二維有限元模型，進而研究了摩擦因數對模型特征和物理變量（載荷）的依賴關系，研究結果發現粗糙度越高，摩擦因數也會越大，而隨著壓力的增加，滑塊磨損形式將發生變化，摩擦因數對壓力的依賴性也變得更為復雜。2011年，Huber[18]基于歐拉-拉格朗日方法對速度區間在200～ 1500m/s的霍洛曼滑軌摩擦副進行了磨損模擬，獲得的磨損體積僅為實際值的49.31%～80.87%，盡管模擬結果與實際結果相差較大，但考慮到實際值受諸多外界因素的影響，而模擬值是基于理想情況、不考慮外界因素所得的，因此模擬結果依然具有一定的可信度。

預測磨損的發生及其變化是必要的，但在實際情況下，高速摩擦往往伴隨大量摩擦熱的產生，升高的溫度會進一步促進機械磨損，因此為了了解火箭橇滑塊滑動進程中所產生的熱環境，2015年，Palazotto等[19]通過建立的三維有限元分析模型系統地研究了滑塊和軌道的熱力學損傷行為，考慮了20m/s、200m/s以及1500m/s三種滑動速度條件，模擬結果發現滑塊和滑軌表面的損壞過程和模式非常依賴于滑動速度和滑塊溫度，在20m/s時滑塊的磨損損壞情況逐漸嚴重，此時滑塊表面會產生犁狀連續劃痕，而當速度在200m/s及以上時，滑塊表面開始顯示出刨削型的損傷模式，同時在軌道的凹槽中出現了切碎的材料去除。

2016年，Alban等[20]采用二維ABAQUS有限元模型模擬火箭橇滑塊材料內的熱傳導，并將對流空氣動力學效應應用于所建立的二維有限元模型中，獲得了較為完整的滑塊材料溫度分布，模擬結果發現，由于摩擦熱的影響使得滑塊底部（即與滑軌相接觸的面）溫度隨時間的增加而明顯增加，而在越靠近滑塊頂部位置的溫度反而受對流空氣的影響逐漸降低。

近年來高熵合金材料的優異性能被發掘，尤其以難熔高熵合金為例，其在高溫高壓等苛刻條件下具有高溫抗氧化性、耐磨性以及優異的綜合力學性能[21-22]，這為火箭橇滑塊的選材問題提供了更好的解決方案。2018年，丁欣愷等[23]針對火箭橇滑塊材料需滿足能夠承受高溫高壓等極端條件問題，采用第一性原理計算方法研究了NbMoTaWVx（0≤x≤1.5）（x為V在該合金中的含量）高熵合金在平穩態條件下的相結構和彈性力學性質，計算發現V組元的增加會導致合金相的穩定性降低、理論強度下降，但內在塑性有所提高，且彈性各向異性幾乎不會發生改變。

李雪潔等[24]的研究為新一代高超聲速火箭橇滑塊材料的研發提供了一定的參考，他們在2022年同樣基于第一性原理探究了Ti、Zr、Hf以及Sn等替代元素（Ti/Zr/Hf/Sn/W） NbMoTaV高熵合金塑韌性的影響，計算結果表明，替代元素會降低合金成鍵穩定性和共價性，進而引起母合金材料彈性性能降低，且（Ti/Zr/Hf/Sn）NbMoTaV合金材料的強度均低于WNbMoTaV合金。高熵合金的優異使用性能毋庸置疑，但相應加工工藝的可行性和高昂價格限制了其更廣泛的應用。

2020年，馮瑞雪等[25]使用某有限元模擬軟件建立了由火箭橇滑塊與滑軌組成的高速干摩擦滑動摩擦副的熱-結構耦合場模型，探討了滑塊磨損過程中含Ni包覆MoS2/ Cr3C2-25NiCr涂層對溫度變化的影響，模擬結果發現有涂層相比于無涂層時，滑塊最高溫度下降了27.4%。

在計算機模擬分析方面。2011年，肖虹等[26]采用流體場分析了火箭橇動態試驗過程中的氣壓分布，模擬結果發現，隨著速度的增大，火箭橇貼近滑軌的空間范圍內高壓區域逐漸擴大。雖未直接研究滑塊的磨損，但對于解釋實際情況下滑塊磨損要比理想情況下更嚴重提供了依據，這是由于高壓區域產生的高壓力對滑塊磨損造成了直接影響，高壓力有時甚至會高于火箭橇自身所承載的重量，使得滑塊承受更高的縱向載荷，嚴重惡化滑塊的磨耗[27]。

而在2014年王伯陽等[28]使用某有限元模擬軟件建立了火箭橇動態試驗過程中滑塊與滑軌間滑動摩擦熱，即結構耦合場三維分析模型（見圖2），并考慮了摩擦因數以及材料熱物性參數的變化，模擬分析了滑塊在運動時的溫度場和應力場變化，結果表明，材料熱物性參數以及摩擦因數變化對模擬結果有很大影響，在距接觸表面6mm處應力集中且產生大量摩擦熱，以致于滑塊在該區域更容易受到破壞。

摩擦因數變化與速度變化息息相關，2017年房明等[29]對某型號火箭橇進行了動力學分析、建模和流體場模擬，得到了火箭橇動態試驗過程中摩擦因數關于速度的計算公式，計算值與試驗值之間的最大誤差僅為2.87%。摩擦因數計算公式為本文后續開展溝槽型織構的模擬奠定了基礎。2022年周學文等[30]建立了滑塊滑軌非線性接觸力學模型，并考慮了軌道的不平順性和滑塊的磨損問題，結合Newmar k-β方法和Newton-Raphson局部迭代方法，求解了非線性方程，并獲得了火箭橇在軌動力特性數值解。計算結果發現，火箭橇滑塊磨損主要發生在高速運行階段，此階段的磨損量占到了整個磨損階段的84%。對于高速重載下滑塊磨損特性的演變過程，嚴凱等[31]基于Archard磨損模型和彈塑性變形理論，利用有限元開展了0Cr18Ni9Ti- U71Mn火箭橇摩擦副在高速重載下磨損行為的數值模擬。結果表明，在高速重載條件下，通過控制載荷可以有效減少火箭橇滑塊的磨損，延長滑塊的服役壽命。同時，他們對溝槽型織構化火箭橇滑塊磨損行為進行了有限元模擬[32]，結果為表面織構對火箭橇滑塊的積極作用提供了理論支撐。

3 試驗與模擬仿真結合

總體而言，國內外學者對火箭橇滑塊磨損問題的研究手段主要為實測試驗分析和計算機模擬分析，因此接下來也將根據這兩種分析手段闡述滑塊磨損研究進展。美國作為火箭橇數量最多的國家，自1969年起就對火箭橇滑塊磨損問題開展了廣泛研究，且國外大多數學者并非純粹地使用模擬軟件進行仿真，為了考量模擬結果與實際情況的相符度，需要對實際情況加以分析探討[33]。

2008年Cameron等[34]以壓力和速度的乘積將低速磨損試驗與高速應用相聯系，并使用了由桑迪亞國家實驗室開發的用于分析超高速沖擊動力學問題的仿真軟件來評估高速磨損，并考慮了速度、溫度、軌道涂層以及粗糙度的影響，結果發現在平滑鋼軌情況下環氧樹脂涂層的存在會顯著降低接觸界面溫度，另外從動態數據中解析地確定了火箭橇滑塊的磨損，通過分析模型確定的磨損量產生了符合實際的結果。

同年Chmiel[35]利用某有限元軟件對霍洛曼滑軌摩擦副在低速時的磨損進行了預測，采用了兩種方法來確定磨損量，即分別為基于傳統的Archard磨損方程的宏觀增量方法以及基于失效準則的微觀材料性能方法，結果均發現仿真磨損結果與試驗數據相符，并且較小的時間步長和精細的網格提高了計算的準確度，其中增量法得到了準確的結果，但存在許多數值問題，而微觀材料性能法是一種可行的解決辦法。

1987年，Barker等[36]對特定工況條件下的滑塊鑿削進行了計算，與試驗觀察結果一致，并結合實際試驗分析了鑿削磨損的形成機理。2009年，Cinnamon等[37]修正了二維模擬程序計算模型，對鑿削磨損的形成過程進行了模擬，通過材料本構試驗和熱力學性能測試的研究發現，軌道的不平整度在鑿削磨損的過程中有著重要影響，模擬結果與實際試驗相對應。2019年，饒翼[38]基于火箭橇運行階段的理論分析，通過試驗和模擬仿真相互結合的方法，系統研究了火箭橇軌道系統耦合的動力響應規律，探索了滑軌與滑塊耦合作用關鍵影響因素敏感性，并獲得了各因素的影響程度排序。影響火箭橇前滑塊動力響應因素的顯著性依次為火箭橇的運行速度、滑塊剛度、滑軌剛度；對火箭橇后滑塊動力響應影響較為顯著的因素依次為火箭橇的運行速度、滑軌剛度和滑塊剛度。

基于有限元法，2023年楊經緯等[39]建立了火箭橇滑塊的三維鑿削磨損模型，在熱力耦合場下對鑿削過程進行了模擬。結果表明，在初始航向速度和溫度條件下，當豎向速度超過1.75m/s時，將發生鑿削磨損；在初始航向速度和豎向速度條件下，溫度超過400℃時，鑿削磨損發生。在初始航向速度條件下，鑿削磨損率隨著豎向速度和溫度的提高而增大；而當航向速度由1200m/s提升到1800m/s時，臨界豎向速度由1.65m/s增大至3.00m/s，臨界溫度由400℃提高到800℃，臨界夾角由0.079°上升至0.096°。結果顯示，通過降低滑靴豎向速度和溫度，可以有效避免鑿削磨損的發生。

4 結論與展望

火箭橇是在專用軌道上利用火箭發動機作動力推動火箭滑車高速前進以獲取試驗測試數據的動態試驗裝備。火箭橇滑塊在高速重載服役條件下的磨損嚴重威脅著火箭橇的可靠運行和服役安全，更是制約火箭橇發展和應用的技術瓶頸之一。當前滑塊在高速重載的情況下存在嚴重的氧化磨損、疲勞磨損、磨粒磨損、黏著磨損。對此，在滑塊的材料選擇以及表面防護方面，國內外學者通過試驗取得了有效的成果，同時通過模擬仿真手段對復雜條件下滑塊的磨損形式進行了預測及分析，并對表面涂層及滑塊材料選擇進行了有效評估。本文分別從試驗和模擬仿真的角度陳述了相關研究進展，鑒于高速重載極端工況的復雜性，火箭橇滑塊的磨損問題仍然有待進一步探究。

（1）開展三體磨損的微觀模擬。高速重載干摩擦工況下，火箭橇滑塊接觸面因劇烈摩擦引起顯著的性狀變化，以致于形成疏松的顆粒狀膜或致密的片狀膜（即第三體）。第三體的行為及其狀態嚴重地影響材料的摩擦磨損。然而，當前的試驗手段難以捕捉到第三體的動態演化規律及其對接觸界面磨損的影響，且有限元法偏向于從宏觀角度展示接觸界面的變形以及熱分布等信息，精確地模擬第三體的動力學行為尚且存在困難。因此開展第三體的模擬，特別是通過基于離散元法的軟件、基于分子動力學的軟件或可實現可移動元胞自動機法的軟件，有望實現第三體的動力學行為的有效模擬，進而從微觀角度分析火箭橇滑塊的磨損問題。

（2）高熵合金一體化滑塊或制備冶金結合多層涂層。高熵合金的價格昂貴無可非議，然而其優異的性能更是毋庸置疑，采用低成本3D打印、避免高昂價格元素的摻入，結合計算模擬、高通量計算以及第一性原理計算等方法已經實現了高熵合金的多方位研究，因此高熵合金一體化滑塊是發展趨勢。

（3）此外，也可采用全新的接觸界面設計策略在滑塊接觸面上制備冶金結合多層涂層。相較于單層涂層，多層涂層已經被證實可以顯著地提高機械部件的耐磨性及其長期服役性，且冶金結合多層涂層體系在設計方面具有極高的靈活性，隨著深入探究多層涂層的設計及其制備過程中諸多工藝參數對其摩擦學性能的影響，有望獲得具有優越性能的多層涂層體系。

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Research Progress on Wear Behavior of Rocket Sled Slider under High Speed and Heavy Load Conditions

Li Xiaokai1， Yan Kai1， Wu Lin1， Lin Naiming1， Wang Zhenxia1， Wang Weihua2， Zeng Qunfeng3， Wu Yucheng4 1. Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China

2. AVIC Aerospace Life-Support Industries， Co.，Ltd.， Xiangyang 441003， China

3. Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China

4. Hefei University of Technology， Hefei 230009， China

Abstract： The rocket skid test is technical foundation of hyper-sonic technology. Up to now it has been considered as one of the research and development hotspots in the field of high-end equipment around the world. It is particularly important to conduct the study on operation and maintenance， and damage control of the rocket skid system. As link between the rocket sled and the rocket rails， the rocket sled sliders are also the key factor for highly reliable service of rocket sled test under high speed and heavy load. The wear damage of rocket sled slider under certain service conditions not only would threaten the reliable operation and long service life safety of rocket sled system， but also has been considered as the technical bottleneck that restricting the development and application of rocket sled system. Hence， there are important theoretical value and engineering significance to investigate the wear behavior of rocket sled slider under high speed and heavy load conditions. In this review， development history and present situation of rocket sled system at home and abroad was firstly introduced. Research progress on wear behavior of rocket sled slider under high speed and heavy load conditions has been presented on basis of experimentation， simulation and combination of experimentation with simulation. Three feasible strategies of simulation methods， design and preparation of new metallic materials with high performance， surface protective coating have been prospected. This paper is expected to create a database that could offer reference for service damage behavior and control techniques of materials under extreme conditions.

Key Words： rocket sled； slider； high speed and heavy load； wear behavior