常 娟，吳志亮，徐 華

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201108）

新一代運(yùn)載火箭近距平瞄指標(biāo)范圍分析

常 娟，吳志亮，徐 華

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海，201108）

為在機(jī)動(dòng)快速的測(cè)試發(fā)射模式下實(shí)現(xiàn)近距離水平瞄準(zhǔn)，將產(chǎn)品運(yùn)輸狀態(tài)與工作狀態(tài)分開(kāi)設(shè)計(jì)，由二次旋轉(zhuǎn)支架實(shí)現(xiàn)不同位置轉(zhuǎn)換，解決設(shè)計(jì)空間緊張、光路阻斷等問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算無(wú)塔架簡(jiǎn)易發(fā)射狀態(tài)下相互獨(dú)立的箭架在各種因素影響下的變形范圍，得到近距平瞄設(shè)備需適應(yīng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)范圍指標(biāo)；通過(guò)指標(biāo)分配，由不同單機(jī)設(shè)備解決動(dòng)態(tài)、靜態(tài)偏差對(duì)瞄準(zhǔn)的影響。產(chǎn)品集成后，經(jīng)過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)備工作正常，光路穩(wěn)定通暢，指標(biāo)滿足實(shí)際任務(wù)要求。結(jié)果表明采用分析方法所得結(jié)果與實(shí)際情況符合較好，對(duì)于類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

運(yùn)載火箭；近距離水平瞄準(zhǔn)；指標(biāo)

0 引 言

新一代運(yùn)載火箭依托機(jī)動(dòng)快速設(shè)計(jì)理念，首次將瞄準(zhǔn)地面設(shè)備集成于起豎系統(tǒng)，隨車運(yùn)輸，起豎展開(kāi)，縮短發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間。

由于瞄準(zhǔn)設(shè)備打破傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離傾斜瞄準(zhǔn)[1]而采用近距離水平瞄準(zhǔn)[2]的設(shè)計(jì)方法，水平光路的距離較成熟火箭大大減小，瞄準(zhǔn)上儀器相對(duì)箭上棱鏡存在幾十毫米的初始偏差，會(huì)產(chǎn)生較大角度變化，導(dǎo)致上儀器無(wú)法瞄準(zhǔn)。起豎后，箭架無(wú)連接關(guān)系，對(duì)于無(wú)塔架簡(jiǎn)易發(fā)射的火箭，箭體軸線偏斜、加注變形、日照變形、風(fēng)擺漂移等眾多因素看似相互獨(dú)立卻又互相耦合的影響箭上目標(biāo)棱鏡和起豎架上瞄準(zhǔn)設(shè)備間相對(duì)關(guān)系。加之瞄準(zhǔn)上儀器集成于起豎系統(tǒng)，懸掛于高空，空間緊張，設(shè)備體積、質(zhì)量等均受限，瞄準(zhǔn)范圍可調(diào)量有限。上述因素增加了瞄準(zhǔn)范圍指標(biāo)提出的難度，同時(shí)，若所提范圍過(guò)大，將增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度；若范圍過(guò)小，很可能無(wú)法解決累積偏差的影響，導(dǎo)致無(wú)法瞄準(zhǔn)。因此，合理選擇瞄準(zhǔn)設(shè)備理論工作位置，準(zhǔn)確計(jì)算瞄準(zhǔn)指標(biāo)范圍，解決動(dòng)態(tài)、靜態(tài)偏差對(duì)瞄準(zhǔn)的影響，是實(shí)現(xiàn)近距離水平瞄準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱近距平瞄）的關(guān)鍵。

1 瞄準(zhǔn)方案

某型運(yùn)載火箭首次采用“近距平瞄＋垂直傳遞”技術(shù)，其方位對(duì)準(zhǔn)方案如圖1所示。

方位對(duì)準(zhǔn)設(shè)備中的上儀器設(shè)置在與箭體棱鏡等高的水平面內(nèi)，固定安裝在起豎架上，測(cè)量箭上棱鏡的方位偏轉(zhuǎn)角，并向下儀器垂直傳遞上儀器基準(zhǔn)方位信息；下儀器架設(shè)在地面，獲取北向基準(zhǔn)信息，同時(shí)接收上儀器傳遞的基準(zhǔn)信息；由控制儀接收信息、處理數(shù)據(jù)，向前置主控微機(jī)傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，完成整個(gè)方位的測(cè)量過(guò)程。

圖1 方位對(duì)準(zhǔn)方案示意

上儀器本體尺寸不大于550 mm×600 mm× 590 mm，質(zhì)量約為130 kg；下儀器本體尺寸不大于400 mm×400 mm×800 mm。

2 瞄準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)工作位置

上儀器需要瞄準(zhǔn)的箭上棱鏡位于20 m高空，棱鏡平面未正對(duì)起豎架平面，偏轉(zhuǎn)45°，因此，考慮將上儀器集成于起豎架上端的前端防護(hù)機(jī)構(gòu)，并側(cè)轉(zhuǎn)45°安裝，使光孔正對(duì)棱鏡平面；同時(shí)為適應(yīng)隨車運(yùn)輸，需要將設(shè)計(jì)空間控制在1300 mm×880 mm×600 mm。但是，該位置下方為箭地氣液管路接口位置，垂直光路被遮擋，無(wú)法實(shí)現(xiàn)垂直信息傳遞。

綜合考慮設(shè)備運(yùn)輸要求、安裝空間、剛強(qiáng)度、光路通暢性及穩(wěn)定性，將運(yùn)輸狀態(tài)與工作狀態(tài)分開(kāi)設(shè)計(jì)，瞄準(zhǔn)上儀器采用二次旋轉(zhuǎn)支架實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸位置和工作位置的狀態(tài)切換，其安裝示意如圖2所示。

圖2 瞄準(zhǔn)上儀器安裝示意

該方法解決了垂直光路遮擋與運(yùn)輸空間有限的矛盾；采用側(cè)掛式嵌套盒型支架的形式，增強(qiáng)設(shè)備剛強(qiáng)度，從而解決位置轉(zhuǎn)換后懸臂狀態(tài)引起的工作位置不穩(wěn)定問(wèn)題。因此，上儀器設(shè)計(jì)工作位置，即垂直光路選擇在起豎架與翻轉(zhuǎn)對(duì)接裝置間Φ534 mm的范圍內(nèi)，如圖3所示。

圖3 瞄準(zhǔn)設(shè)備設(shè)計(jì)工作位置

3 瞄準(zhǔn)范圍

箭體、起豎架、瞄準(zhǔn)支架等存在各種加工裝配偏差，使得瞄準(zhǔn)中心偏移；加注沉降、低溫收縮、高溫日曬等引起的箭體變形，增加了上儀器與箭上棱鏡位置關(guān)系偏離設(shè)計(jì)值的隨機(jī)性；極限情況下，水平光路阻斷，上、下儀器間垂直光路遮擋，導(dǎo)致無(wú)法瞄準(zhǔn)；同時(shí)由于風(fēng)荷，使得相互獨(dú)立的箭體和起豎架隨機(jī)擺動(dòng)，增加了瞄準(zhǔn)難度。因此，準(zhǔn)確計(jì)算瞄準(zhǔn)范圍指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)近距平瞄的關(guān)鍵。

3.1 靜態(tài)偏差范圍

本文從兩個(gè)方面分析瞄準(zhǔn)上儀器相對(duì)箭上棱鏡的靜態(tài)偏差：

a）軸向上下錯(cuò)動(dòng)；

b）橫向左右錯(cuò)動(dòng)。

軸向錯(cuò)動(dòng)主要由箭體低溫收縮下沉、箭體加注下沉、起豎架和箭體的熱脹冷縮效應(yīng)、起豎架和箭體初始加工裝配偏差、發(fā)射臺(tái)調(diào)平等引起；左右錯(cuò)動(dòng)主要由箭體軸線偏斜、起豎精度、發(fā)射臺(tái)調(diào)平等角度變化引起。

圖4為起豎架、箭體及發(fā)射臺(tái)相對(duì)位置示意。由于工作狀態(tài)下，瞄準(zhǔn)上儀器軸線安裝位置與起豎架上平面有45°夾角，因此在完成上儀器與箭體相對(duì)位移量計(jì)算后，還需在45°方向投影，即可得到瞄準(zhǔn)設(shè)備相對(duì)瞄準(zhǔn)窗口的左右錯(cuò)動(dòng)量。

圖4 起豎架、箭體及發(fā)射臺(tái)相對(duì)位置示意

a）計(jì)算狀態(tài)及基本假設(shè)。

設(shè)計(jì)計(jì)算的狀態(tài)為設(shè)備的工作狀態(tài)，即：起豎架抱臂打開(kāi)，后支點(diǎn)拆除；箭體直立于發(fā)射臺(tái)上；箭體與起豎架無(wú)直接聯(lián)系，僅通過(guò)大地理論水平面聯(lián)系。

假設(shè)箭體為剛體，忽略扭轉(zhuǎn)變形；不存在地基沉降；由于起豎架橫斷面較長(zhǎng)，認(rèn)為橫向剛度大，不考慮橫向彎曲變形；水平儀安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)的水平橫梁上，假設(shè)非常接近尾端。

b）計(jì)算方法。

根據(jù)精度理論[3～6]，由于引起箭架相對(duì)位置偏差的因素具有獨(dú)立性和偶然性，因此采用方和根進(jìn)行誤差合成，即

式中 k為修正系數(shù)，取k = 1.3～1.5；iαΔ為各項(xiàng)因素引起的誤差；n為影響因素個(gè)數(shù)。

c）箭體靜態(tài)偏差分析。

箭體加注前靜載荷引起軸向變形-10 mm；箭體加注后靜載荷引起軸向變形增加-30 mm；極限環(huán)境溫度引起箭體軸向變形±33 mm；低溫推進(jìn)劑引起瞄準(zhǔn)窗口軸向變形-32 mm；箭體加工裝配累積的軸向偏差為±24 mm；發(fā)射臺(tái)加工引起的軸向偏差為±1.5 mm；發(fā)射臺(tái)滿載軸向變形量為-3.98 mm。因此，箭體軸向最大負(fù)偏差取均方根值為-61 mm，取修正系數(shù)1.5后為-91.5 mm。

發(fā)射臺(tái)調(diào)平精度為±3′；水平儀測(cè)量精度為±1′；水平儀安裝基準(zhǔn)面與箭體理論軸線偏差±3′；箭體實(shí)際加工軸線與一級(jí)設(shè)計(jì)軸線偏差±12′；對(duì)接時(shí)箭體設(shè)計(jì)軸線相對(duì)發(fā)射臺(tái)體中心線偏差20 mm，傳遞到瞄準(zhǔn)位置處（距離地面22 711 mm）對(duì)應(yīng)角度偏差為±3′。因此，箭體角度偏差取均方根后為±13′，即瞄準(zhǔn)位置處左右擺動(dòng)靜態(tài)偏差為±87 mm，取修正系數(shù)1.5后為±130.5 mm。

d）起豎架靜態(tài)偏差分析。

由于編碼器初始安裝偏差為±3′、編碼器測(cè)量精度為±0.33′、起豎控制精度為±10′、瞄準(zhǔn)設(shè)備安裝平面與翻轉(zhuǎn)對(duì)接塊上平面平行度為0.8 mm，可認(rèn)為角度偏差為±12.591′，則起豎架由角度偏差引起的軸向偏差為±0.15 mm；翻轉(zhuǎn)對(duì)接裝置旋轉(zhuǎn)耳軸處間隙引起軸向偏差為-0.1 mm；定位鎖緊與箭體的配合間隙為-0.02 mm；起豎架加工誤差為±5 mm；按照溫差Δt = 20 ℃考慮，高低溫引起結(jié)構(gòu)偏差為±5.45 m；在設(shè)備集中載荷的作用下瞄準(zhǔn)上儀器安裝固定支臂軸向位移為2 mm。因此，起豎架軸向偏差取均方根值為±5 mm，取修正系數(shù)1.5后為±7.5 mm。

翻轉(zhuǎn)對(duì)接塊與起豎架對(duì)接時(shí)的精度誤差，折算到瞄準(zhǔn)儀器安裝處為±8 mm；固定支臂安裝平面與理論中軸面的平行度為±4 mm；起豎油缸同步性誤差折算的橫向偏差為±2 mm。因此，起豎架橫向靜態(tài)偏差取均方根值為±9 mm。

由于角度偏差引起的起豎架相對(duì)距離偏差為±83 mm；安裝定位引起的相對(duì)距離偏差為±3 mm；因此，起豎架側(cè)向靜態(tài)偏差取均方根值為±83 mm。

橫向偏差和側(cè)向偏差在瞄準(zhǔn)方向（即瞄準(zhǔn)光路的垂直面）引起的瞄準(zhǔn)棱鏡與上儀器間左右靜態(tài)偏差為±（9×cos45°+83× cos45°）≈±65 mm。取修正系數(shù)1.5后為±97.5 mm。

綜上，架上瞄準(zhǔn)設(shè)備與箭體棱鏡間軸向相對(duì)位置變化范圍為-91.5～+7.5 mm，橫向左右相對(duì)位置變化范圍為-227.5～+227.5 mm。

3.2 動(dòng)態(tài)偏差范圍

箭體起豎后按照豎立風(fēng)載計(jì)算，未加注狀態(tài)下，箭體晃動(dòng)角度為0.24°，箭架相對(duì)動(dòng)態(tài)位移為

±69.8 mm；加注狀態(tài)下，箭體晃動(dòng)角度為0.1°，箭架相對(duì)動(dòng)態(tài)位移為±48 mm。因此，取動(dòng)態(tài)變化范圍為±70 mm。

4 瞄準(zhǔn)范圍指標(biāo)分配

由第3節(jié)的分析得到，在各種不同影響因素下箭架相對(duì)位置的變化范圍。由于靜態(tài)偏差在每一發(fā)產(chǎn)品加工裝配好后不會(huì)發(fā)生變化，且各發(fā)之間狀態(tài)差別不大，可認(rèn)為是初始偏差，可以通過(guò)一定的手段提前補(bǔ)償。因此，將該部分偏差指標(biāo)分配給上儀器支架，在支架上安裝導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)上下、左右移動(dòng)，消除初始靜態(tài)偏差。動(dòng)態(tài)偏差與風(fēng)場(chǎng)大小、方向都有關(guān)系，具有隨機(jī)性，考慮到經(jīng)濟(jì)性和便捷性，由瞄準(zhǔn)設(shè)備靠光斑覆蓋范圍適應(yīng)。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

系統(tǒng)集成后，組織地面測(cè)試，垂直通路設(shè)計(jì)中心測(cè)試示意如圖5所示。設(shè)計(jì)工作中心橫向偏差為90 mm，與起豎架左右靜態(tài)偏差設(shè)計(jì)值為97.5 mm十分接近；垂直通路光路范圍通暢性測(cè)試如圖6所示。圖6中區(qū)域1～3分別表示起豎角度為90°、(90°±10′)上儀器在橫向-227.5～+227.5 mm的范圍內(nèi)移動(dòng)垂直光路無(wú)遮擋，與此同時(shí)，水平光路暢通，無(wú)遮擋。

Analysis of Index for Short-distance Horizontal Collimation in Chinese New Generation Launch Vehicle

Chang Juan, Wu Zhi-liang, Xu Hua
(Shanghai Astronautical Systems Engineering, Shanghai, 201108)

The deformation range of the independent launch tower is calculated in this paper. The index for short-distance horizontal collimation is analyzed. This article adopts the analysis method coincide well with the actual, for similar equipment design, it has the reference value.

Launch vehicle; Short-distance horizontal collimation; Index

V55

A

1004-7182(2016)04-0048-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160412

2016-02-15；

2016-07-07

常 娟（1983-），女，工程師，研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體地面設(shè)計(jì)