利用悬索火箭橇设计的高速定向抛投系统*

游培寒，赵未平，祝逢春，缪 昕，胡 瑜

(1 北京航空工程研究中心，北京 100076；2 陆军工程大学，石家庄 210007)

0 引言

悬索火箭橇是一种约束弹道试验装置，利用两根平行布设的悬空索道作为滑轨，火箭橇悬置于两根悬索中间，发动机推动火箭橇在悬索约束方向高速运动。通过调整火箭橇的重量和火箭橇推射距离，可以将橇体加速到指定运动速度，在该运动速度下完成产品相关测试。国外方面，美国在2010年以前曾经利用悬索火箭橇将5 kg的产品加速到2.1Ma，后续再未见到国外更高速悬索火箭橇的相关报道；国内方面，在2016年我所设计一套悬索火箭橇系统将3 kg重的试验品加速到720 m/s；但是国内国外均未有利用悬索火箭橇实现定向抛投的文献报道。

文中介绍了一种新型悬索火箭橇定向抛投系统，将需要抛投的产品架设在橇体前端，当橇体在悬索约束下定向飞行并达到指定飞行速度时，利用悬索末端的分离装置使橇体和产品分离，从而达到定向高速抛投的目的。这种高速抛投系统与传统的加速抛投系统相比，优势在于：一是加速距离较长、产品的纵向过载较低，当橇体质量大于20 kg时，其纵向过载不超过60g，加速过程对产品影响较小；二是具有精确的定向飞行控制能力，适用于要求精确控制方向的试验品测试。当时橇体外径70 mm，在悬索末端橇体成功穿过宽度为90 mm的空隙未发生碰撞；三是系统架设方便，试验成本较低。

近期，利用悬索火箭橇实施了某型子弹药地面高度定向抛投试验，各项指标均满足设计要求，达到了较好的试验效果。

图1 悬索火箭橇高速定向抛投系统

1 悬索火箭橇抛投系统的组成和工作原理

悬索火箭橇抛投系统分为悬索装置、抛投橇体和分离装置三部分。悬索装置由起点支架、终点支架、绞盘电机、拉力传感器、控制计算机等组件组成，如图1所示。控制计算机实时接收安装在两根悬索上的拉力传感器发送来的拉力数值，据此调整两根索道拉力。起点支架与终点支架之间存在的高度差H由抛射产品需求确定。抛投橇体由试验体安装筒、拦阻臂、火箭弹发动机、后支架4个部分组成，如图2所示。拦阻臂和后支架两端有用于悬索穿过的套管，用于将橇体架设在两根悬索中间。如图3所示。分离装置的主体是固定在悬索和橇体之间的两块拦阻板，安装在悬索末端终点支架前2 m处，两块拦阻板置于悬索和橇体之间，轴线应与悬索保持平行，确保试验体能够穿过拦阻块之间的空隙。

图2 抛投橇体结构

图3 拦阻装置结构

试验时，两根悬索拉紧并保持拉力相对一致，橇体从起点发射后，沿悬索约束出的斜坡加速飞行，调整悬索的拉力可以有效控制橇体运动时的悬索下拉量[1]，使橇体到达终点时，拦阻臂撞击在分离装置的拦阻板的“腰部”，橇体在撞击过程中减速解体，而安装在橇体头部的试验品，在惯性作用下继续飞行，与橇体脱离，实现高速抛射。

2 橇体相关参数计算方法

2.1 橇体质量的公式推导

通过以上介绍可以看出，当发动机推力一定的情况下，要求橇体抛投速度达到试验所需速度，只能控制橇体质量。橇体质量与沿悬索方向的加速度a(t)之间有如下关系[2]：

(1)

式中：m0为初始橇体质量；k为由于燃料燃烧造成的橇体质量的减少速度；t为时间；P为火箭弹发动机的平均推力；Z(t)为t时刻橇体的空气阻力；f(T，t)是由橇体两端拉力的不平衡造成的纵向力；g为重力加速度；θ为悬索的仰角；n为悬索与橇体之间的摩擦系数。由于P>Z(t)+f(T，t)，为了简化计算，式(1)可以简化为：

(2)

抛射速度v为：

(3)

式中tr是火箭弹发动机的工作时间，将式(3)积分展开,则橇体的初始质量与抛投速度的关系如下：

(4)

采用火箭弹发动机平均推力为10 000 N，工作时间tr=0.65 s，k=4.6，θ=10°，n=0.1。试验体的抛投速度要求达到270～290 m/s，设v=280 m/s，则根据式(4)计算得到橇体的初始重量为24.6 kg，由于式(4)忽略了空气阻力等，所以在试验时取m0=24 kg。

2.2 加速距离的公式推导

根据式(3)推导出火箭橇体的瞬时速度v(t)为：

(5)

则加速距离为火箭弹发动机工作结束时火箭橇的位置：

(6)

将m0=24 kg代入式(6)，则得到加速距离s=89 m。由于火箭弹发动机尾焰点火时会对后面支架造成影响，所以悬索距离应大于加速距离。试验中将起点支架与终点支架的水平距离设为160 m。

3 悬索下拉幅度的仿真计算

橇体在柔性悬索上约束飞行，其运动轨迹会有所下拉，下拉幅度与悬索拉力有关。应控制橇体飞行对悬索的下拉，使橇体的拦阻臂正好撞击在拦阻板的中间位置，这样拦阻效果最好。为了计算橇体对悬索的下拉，采用Newton法[3]对悬索进行建模，按照文献[1,4]中的方法仿真计算了橇体下拉幅度，如图4、图5所示。设悬索两端拉力为2 200 kg。图中圆圈为火箭弹发动机点火后0 s、0.1 s、0.6 s、0.7 s和0.86 s时橇体头部所在位置，可见当橇体飞行接近终点时，橇体下拉幅度约为0.35 m，则设定分离装置距离终点支架约2 m，分离装置中拦阻板高度为0.7 m，其顶边与悬索初始高度平齐，则在火箭橇飞行至拦阻板时，橇体的拦阻臂正好撞击在拦阻板中间位置(0.35 m)，达到最佳的拦阻效果。

图4 火箭弹发动机点火后橇体头部位置

图5 火箭弹发动机点火后0.86 s悬索下拉幅度

4 试验结果

近期，利用悬索火箭橇实施了某型子弹药地面高度定向抛投试验，试验时子弹药重量约为13.5 kg，橇体总重量为24 kg，起点支架与终点支架之间水平距离为160 m，雷达测速结果表明抛投速度为270～280 m/s，如图6所示，与仿真计算结果一致。

图6 雷达测得火箭橇运动速度曲线

悬索下拉幅度约为0.3～0.4 m，与计算仿真结果一致，如图7所示。橇体分离和定向高速抛投如图8所示。

图7 橇体撞击分离装置瞬间照片

图8 子弹药与橇体分离画面

5 结论

文中介绍了一种利用悬索火箭橇设计的高速定向抛投系统，推导了橇体质量、加速距离等系统参数，仿真计算了悬索下拉幅度。该系统用于某新型子弹药地面抛投试验取得成功，试验数据和仿真结果一致。