阻力板在双轨橇车速度调节中的应用

魏 征,刘鹏远,肖 军,张旭光,李勇林

(1.陆军工程大学, 石家庄 050000； 2.中国华阴兵器试验中心， 陕西 华阴 714200)

火箭橇试验以橇车为载体、火箭发动机为动力，通过橇车在轨道上高速运动，模拟被试品空中飞行速度、加速度特性，同时利用橇载测试设备、外测设备获取被试品性能参数的试验方法。双轨橇车是火箭橇试验中一种常用的试验方法，由于双轨橇车可以实现橇车和被试品的安全回收，在导引头、惯性导航设备等价格昂贵被试品的火箭橇试验中得到广泛应用。双轨橇车刹车类型主要有阻力伞刹车、拦阻索刹车和水刹车等方式[1-2]。水刹车是利用刹车在水中运动时产生的水阻力实现橇车减速、制动，由于水刹车具有经济、灵活、制动能力大等特点，因此广泛应用于双轨橇车回收试验。

水刹车在双轨橇车回收试验中存在以下两点不足：一是，双轨橇车速度较高时，橇车入水速度高，产生的刹车水阻力较大，易导致刹车损坏或橇车变形。二是部分被试品不具备防水能力，火箭橇试验无法使用水刹车回收。将阻力板技术应用于双轨橇车回收，橇车速度较高时，可降低橇车入水速度，减小双轨橇车入水时水阻力，提高橇车安全性；橇车速度较低时，可实现低速双轨橇车的无水回收，拓展低速双轨橇车的应用范围。

1 阻力板设计方案

1.1 阻力板位置

根据双轨橇车结构，综合考虑安装位置、阻力板张开后对称性等因素，高速双轨橇车可在橇车侧向、前端和底部等3个位置安装阻力板(图1)。阻力板为6 mm钢板，前端阻力板1 400 mm×100 mm，每块侧向阻力板尺寸为400 mm×250 mm，底部阻力板尺寸为600 mm×290 mm。

图1 高速双轨橇车阻力板设计示意图

低速双轨橇车仅安装2块侧向阻力板，每块侧向阻力板尺寸为400 mm×250 mm(图2)。

阻力板由爆炸螺栓固定，橇车加速时，阻力板处于闭合状态，减速回收时，爆炸螺栓起爆，阻力板张开，如图1、图2所示。增加橇车滑行阻力，缩短刹车距离，同时降低橇车入水速度，再结合分段入水方法，减小橇车入水时水阻力，降低橇车后梁结构受力，提高高速双轨橇车回收可靠性。低速双轨橇车回收时，通过阻力板张开，增加回收阻力，实现低速双轨橇车的无水回收。由于阻力板对称布置，且总面积相对橇车迎风面积较小，因此对橇车模态和振动影响较小[3-4]。

图2 低速双轨橇车阻力板设计示意图

1.2 阻力板受力

橇车滑行时，只受空气阻力和摩擦阻力，运动方程如下[5-7]：

V2=V1-[ρCDAV1/2+Rf](t2-t1)/m

(1)

式中：V1为橇车在t1时刻速度；V2为橇车在t2时刻速度由于Δt=t2-t1极小(≤0.05 s)，此时可以忽略速度变化对空气阻力的影响[8]；CD为橇车阻力系数；A为双轨橇车迎风截面积(m2)；ρ为空气密度(kg/m3)；V为橇车运动速度(m/s)；Rf为摩擦阻力(N)，Rf=ufmg，uf为滑动摩擦因数，一般取值0.05～0.2；m为双轨橇车总质量(包含橇车、火箭发动机壳体、被试品和测试设备等)。

对于低速双轨橇车，滑行段阻力板张开后，橇车总的阻力系数增加C阻力版，运动方程为

(2)

对于高速双轨橇车，橇车入水时，水刹车入水后产生的水阻力[9-10]：

(3)

式中：F水阻力为水刹车水阻力(N)；A为水刹车入水面积(m2)；ρ水为水的密度(kg/m3)；Rv为出、入水流速度比；θ为水流翻转角度；V2为橇车入水速度(m/s)。

2 阻力板回收应用

2.1 高速橇车阻力板减速分析

现有双轨橇车质量650 kg，橇车阻力系数0.55，最高速度330 m/s，此时阻力板全部打开，运行方向阻力板投影总面积：

S=2×400×250+1 400×100+

600×(290-100)=454 000 mm2

阻力板为平板，阻力估算时阻力系数取值1.0。根据式(1)和式(2)得到橇车无阻力板和阻力板张开时减速效果如图2(b)所示。从减速距离与橇车速度关系可以看出，无阻力板时，滑行200 m橇车速度下降至283 m/s，阻力板张开时，滑行200 m橇车速度下降至253 m/s，速度降幅增加30 m/s，入水刹车阻力由55 kN减低止78 kN(图3)。

图3 高速橇车阻力板减速效果

2.2 低速橇车阻力板回收分析

现有双轨橇车质量450 kg，橇车阻力系数0.45，最高速度135 m/s(橇车位置距离轨道起点150 m)，橇车滑行至 600 m位置时，橇车速度降低至95 m/s，此时阻力板全部打开，运行方向阻力板投影总面积：

S=2×400×250=200 000 mm2

根据式(2)得到低速橇车阻力板张开时回收距离与橇车速度如图4所示。从回收距离与橇车速度关系可以看出，有阻力板时，橇车滑行至1 300 m位置时，速度≤30 m/s；无阻力板时，橇车滑行至1 450 m位置时，速度≤30 m/s。

3 动态试验验证

3.1 低速橇车阻力板验证

橇车质量550 kg，安装2块侧向阻力板(图2)，每块侧向阻力板尺寸为400 mm×250 mm，使用2发某型火箭发动机，发动机点火后加速到最大速度139 m/s；5.7 s后，橇车滑行至距离轨道起点600 m位置，速度下降至94 m/s；此时通过车外触发装置控制爆炸螺栓工作，阻力板张开(图2)，橇车减速至900 m位置，橇车速度下降至61 m/s(图5)。实际动态试验雷达测试速度曲线与设计速度曲线对比如图6所示。橇车外测最高速度135 m/s，橇车滑行至600 m位置时速度降低至92 m/s，橇车减速至900 m位置，橇车速度下降至62 m/s。阻力板张开后设计速度曲线与外测曲线吻合，验证了阻力板减速效果。

图4 低速橇车阻力板回收距离曲线

图5 低速双轨橇车减速距离与橇车速度曲线

图6 低速双轨橇车阻力板动态验证试验速度曲线

3.2 高速橇车阻力板验证

低速橇车使用4发某型火箭发动机后，橇车最高速度285 m/s，4.4 s时橇车速度275 m/s，阻力板张开。实际动态试验雷达测试速度曲线与设计速度曲线如图7所示。阻力板张开后设计速度曲线与外测曲线误差较小，验证了高速橇车阻力板减速效果。

图7 高速双轨橇车阻力板动态验证试验速度曲线

4 结论

高速双轨橇车回收时使用阻力板，入水速度可降低30 m/s，减速效果增加11%，入水阻力降低23%(相同入水高度)；与无阻力板时相比，降低相同入水速度时，所需滑行距离缩短38.7%。

低速双轨橇车回收时，通过阻力板张开，增加回收阻力，可实现低速双轨橇车回收；低速双轨橇车阻力板减速效果在动态试验中得到验证。