康昌璽，王雪松，水 龍，李 亮，雷小光

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

折疊翼具有縮小導(dǎo)彈徑向尺寸、減小導(dǎo)彈運輸和存儲體積、增加發(fā)射平臺的運載能力和提高武器裝備綜合作戰(zhàn)效能等特點，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外多型號導(dǎo)彈中。折疊翼雖然具有上述優(yōu)點，但帶來的問題是增加了折疊機構(gòu)。如果導(dǎo)彈發(fā)射時折疊翼展開異常，則可能導(dǎo)致發(fā)射失敗。因此，在地面上進行折疊翼模擬加載展開試驗，對獲得和調(diào)整展開驅(qū)動機構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化展開機構(gòu)設(shè)計、驗證展開機構(gòu)可靠性、降低研制成本等都具有重要意義[1]。

折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)是折疊翼在地面進行模擬加載展開試驗的重要裝置。目前，國內(nèi)外主要的模擬負(fù)載方式有兩種，機械式和電液式負(fù)載加載方法。機械式負(fù)載系統(tǒng)是通過設(shè)計機械模擬負(fù)載結(jié)構(gòu)來輸出載荷，結(jié)構(gòu)簡單，研發(fā)成本較低，但是不易實現(xiàn)連續(xù)性加載。電液式負(fù)載系統(tǒng)采用液壓馬達或電機作為系統(tǒng)的負(fù)載源輸出部件，優(yōu)點是輸出載荷大且可以實現(xiàn)連續(xù)載荷輸出，但設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、體積大、工作過程中有多余力的產(chǎn)生，影響負(fù)載系統(tǒng)加載的準(zhǔn)確性[2]。某型號折疊翼在地面加載試驗中要求展開過程中持續(xù)施加負(fù)載，加載系統(tǒng)簡單可靠，研制成本低。根據(jù)要求提出了一種采用氣缸為負(fù)載源[3]、滑輪-鋼絲繩傳動的折疊翼地面加載方法，研制了折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)，克服了機械式和電液式系統(tǒng)加載的不足，可以準(zhǔn)確模擬折疊翼展開過程中的氣動負(fù)載，滿足某型號折疊翼地面加載試驗的要求。

1 折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)的要求

某型號折疊翼在展開過程中的氣動負(fù)載曲線如圖1所示。在此氣動負(fù)載條件下，要求折疊翼在-45℃環(huán)境下展開時間小于600 ms。

圖1 某型號折疊翼的氣動負(fù)載曲線Fig.1 Aerodynamic load curve of the folding-wing

對折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)的要求為能在折疊翼上施加一個模擬負(fù)載，該模擬負(fù)載能與折疊翼的氣動負(fù)載盡可能吻合，滿足折疊翼展開地面加載的要求。

2 折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)及原理

折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)主要由支撐架、底座、鋼絲繩、氣缸、充氣管路、氣瓶、壓力傳感器、高速攝影、測控系統(tǒng)和空壓機等組成，工作原理如圖2所示：折疊翼和鋼絲繩進行-45℃溫度試驗[4]后與加載系統(tǒng)連接，空壓機通過充氣管路先向氣缸工作腔內(nèi)充入一定壓力的空氣?；鸸ぷ鲃友b置驅(qū)動折疊翼旋轉(zhuǎn)展開時，通過鋼絲繩-滑輪傳動帶動氣缸內(nèi)活塞壓縮氣缸工作腔內(nèi)的空氣提供負(fù)載力，該負(fù)載力通過鋼絲繩-滑輪傳動直接施加至折疊翼面質(zhì)心；隨著火工作動裝置驅(qū)動折疊翼旋轉(zhuǎn)展開，施加于折疊翼的負(fù)載力矩會不斷變化，從而實現(xiàn)加載。

圖2 地面加載試驗系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of ground testing system

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)的設(shè)計思路：首先對折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)進行受力分析，得到試驗系統(tǒng)各設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系；然后以要求的折疊翼氣動負(fù)載為輸入條件，采用仿真軟件對試驗系統(tǒng)各設(shè)計參數(shù)進行仿真計算，獲得最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)值；分析和確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)值之后，通過仿真軟件計算得到同氣動負(fù)載擬合程度最高的模擬負(fù)載。

3.1 地面加載系統(tǒng)受力分析

根據(jù)折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)的工作原理，對折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)工作過程中的受力情況進行分析，受力分析如圖3所示。

圖3 折疊翼受力分析圖Fig.3 mechanical analysis diagram of the folding-wing

折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)施加的模擬負(fù)載與試驗系統(tǒng)中各機構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系如式（1）：

式中：M為翼面質(zhì)心處模擬負(fù)載力矩；p為氣缸充氣壓力值；D為氣缸活塞直徑；d為氣缸活塞桿直徑；a為翼面轉(zhuǎn)軸至定滑輪中心距離；b為翼面轉(zhuǎn)軸至翼面質(zhì)心距離，已知b=81 mm；θ為翼面初始折疊位置時a與b的夾角；α為翼面展開角度，已知α=0°～120°。

3.2 氣缸的參數(shù)設(shè)計

通過對式（1）的初步仿真計算，要獲得同氣動負(fù)載吻合程度較高的模擬負(fù)載，需要氣缸負(fù)載力為恒值。因此加載系統(tǒng)需要設(shè)計一個恒定負(fù)載力的氣缸。為降低試驗成本，選用現(xiàn)有氣缸，其活塞直徑D=40 mm，活塞桿直徑d=20 mm；翼面展開過程中氣缸的活塞行程L=2bsin60°=140.3 mm，則氣缸工作時活塞壓縮的體積V=π/4（D2-d2）L=0.13 L，已知氣缸工作腔體積V1=0.27 L，可知該氣缸在工作過程中負(fù)載力是持續(xù)增大的。針對此問題，對選用的氣缸進行改造，具體方法為在氣缸上外接一個氣瓶進行擴容。氣瓶體積V2=40 L，則氣缸壓縮腔的總體積為V3=V1+V2=40.27 L。氣缸在工作時的體積變化率為V′=（V/V3）×100%=0.32%。由于該體積變化率極小，可認(rèn)為氣缸在工作中體積無變化。此外氣缸工作時間很短，氣缸壓縮氣體產(chǎn)生的熱量來不及與四周交換，可視氣體為理想氣體，其壓縮過程為絕熱過程，即氣缸在工作中腔內(nèi)壓力p是基本不變的?？烧J(rèn)為氣缸提供的負(fù)載力F在工作中是恒值。

3.3 地面加載系統(tǒng)機構(gòu)參數(shù)確定

以氣動負(fù)載值為輸入條件，通過已知的參數(shù)，采用Matlab對加載機構(gòu)的各參數(shù)進行仿真計算[5]，得到地面加載試驗系統(tǒng)各機構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值，如表1所列。

表1 地面加載試驗系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)值Table 1 Optimal parameters of ground testing system

為使地面加載試驗系統(tǒng)對折疊翼施加的模擬負(fù)載能與折疊翼要求的氣動負(fù)載盡可能吻合，在確定機構(gòu)最優(yōu)的參數(shù)值后，需對地面加載試驗系統(tǒng)的摩擦力和附加質(zhì)量的影響進行分析，評判摩擦力和附加質(zhì)量對加載的影響。

3.3.1 摩擦力影響分析

氣缸活塞產(chǎn)生的負(fù)載力與氣缸內(nèi)壓力的關(guān)系如式（2）：

式中：F為氣缸負(fù)載力。根據(jù)式（2）可知氣缸提供的負(fù)載力F=2 500 N。

地面加載試驗系統(tǒng)的摩擦力主要為滑輪的滾動摩擦力和氣缸活塞運動時產(chǎn)生的滑動摩擦力?；喌臐L動摩擦系數(shù)η為0.001[6]，滑輪的滾動摩擦力f=Fη=2 500×0.001=2.5 N。氣缸活塞和缸體的滑動摩擦力實測值為21.6 N。地面加載系統(tǒng)的摩擦力總計為24.1 N，對比2 500 N的氣缸負(fù)載力，占比不到1%，可忽略不計。

3.3.2 附加質(zhì)量影響分析

折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)在加載過程中額外引入了鋼絲繩、氣缸活塞、連接件等附加質(zhì)量，會對模擬加載的準(zhǔn)確性造成一定的影響。下面分析地面加載試驗系統(tǒng)附加質(zhì)量的影響。

實測得到地面加載試驗系統(tǒng)附加質(zhì)量m=1.053 kg，則附加質(zhì)量形成的額外轉(zhuǎn)動慣量J=mb2=0.006 9 kg·m2，折疊翼自身轉(zhuǎn)動慣量為0.176 kg·m2。對比可知，附加質(zhì)量形成的額外轉(zhuǎn)動慣量占比為3.9%，滿足某型號折疊翼地面加載時附加質(zhì)量形成的額外轉(zhuǎn)動慣量占比小于10%的要求。因此，附加質(zhì)量對地面加載試驗系統(tǒng)的加載影響很小。

3.4 模擬負(fù)載仿真計算

以表1參數(shù)值為輸入條件，采用Matlab[5]計算得到折疊翼的模擬負(fù)載值，將氣動負(fù)載和模擬負(fù)載進行對比，如圖4所示。

圖4 氣動負(fù)載和模擬負(fù)載對比曲線Fig.4 Ccomparison between aerodynamic load and simulation load

由圖4可知，地面加載試驗系統(tǒng)施加的模擬負(fù)載與折疊翼氣動負(fù)載的變化趨勢一致：最大偏差點為折疊翼展開角度15°時，要求的氣動負(fù)載為133 N·m，地面加載試驗系統(tǒng)的模擬負(fù)載為138 N·m，偏差為3.8%。地面加載試驗系統(tǒng)施加的模擬負(fù)載與要求的氣動負(fù)載擬合度高，滿足折疊翼地面加載試驗的要求。

4 折疊翼地面加載系統(tǒng)試驗

通過設(shè)計分析及仿真計算得到折疊翼地面加載系統(tǒng)的各參數(shù)以及模擬負(fù)載之后，研制了折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)，并進行了相關(guān)試驗，以驗證折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)對負(fù)載模擬的準(zhǔn)確性，驗證其是否滿足某型號折疊翼地面加載的要求。

4.1 氣缸負(fù)載力測試

恒定的氣缸負(fù)載力是影響折疊翼地面加載準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)，因此需對氣缸負(fù)載力進行測試，以驗證折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

氣缸工作腔內(nèi)充入壓力為2.65 MPa的空氣，根據(jù)折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)的工作原理，開展了折疊翼地面加載試驗，試驗過程中，對氣缸工作腔內(nèi)的壓力進行了實時測量，如圖5所示。

圖5 氣缸動態(tài)壓力曲線Fig.5 dynamic pressure in cylinder

由圖5可知，折疊翼展開的過程中，氣缸工作腔內(nèi)的動態(tài)壓力基本保持在2.65 MPa，壓力較為穩(wěn)定。說明折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)中設(shè)計的擴容式氣缸能提供較為恒定的負(fù)載力，滿足某型號折疊翼地面加載的要求。

4.2 試驗系統(tǒng)附加質(zhì)量影響

試驗系統(tǒng)附加質(zhì)量是影響折疊翼地面加載試驗中加載準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)，因此需要進行測試。對某型號折疊翼分別在空載和引入附加質(zhì)量狀態(tài)下各進行了1次展開試驗。空載時折疊翼展開時間為241 ms，引入附加質(zhì)量時折疊翼展開時間為245 ms。試驗曲線如圖6所示。由圖6可知，空載和引入附加質(zhì)量時折疊翼展開時間相差僅4 ms，偏差較??；折疊翼在兩次試驗中展開時間曲線趨勢一致，說明研制的折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)對折疊翼展開試驗時進行模擬加載是可行的，引入的附加質(zhì)量對某型號折疊翼展開影響很小，可忽略不計。

圖6 展開時間對比曲線Fig.6 comparison of unfolding process

4.3 折疊翼低溫環(huán)境模擬負(fù)載展開

在折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)上，進行了折疊翼低溫環(huán)境下模擬負(fù)載展開試驗，通過對試驗結(jié)果的評判，驗證研制的折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)設(shè)計的可行性。首先將折疊翼和鋼絲繩放在-45℃低溫環(huán)境進行試驗[4]，隨后采用表1中的各參數(shù)設(shè)定加載系統(tǒng)開展8次折疊翼模擬負(fù)載展開試驗，由高速攝影采集獲得展開時間參數(shù)，測控系統(tǒng)獲得氣缸在工作中的動態(tài)壓力參數(shù)。地面模擬負(fù)載展開試驗中折疊翼展開時間為420～445 ms，滿足小于600 ms的技術(shù)指標(biāo)，氣缸壓力保持在2.65 MPa。說明加載試驗系統(tǒng)設(shè)計是可行的。

4.4 折疊翼低溫環(huán)境風(fēng)洞展開

為驗證折疊翼地面加載系統(tǒng)對氣動負(fù)載模擬的準(zhǔn)確性，進行了折疊翼低溫環(huán)境下的風(fēng)洞展開試驗。試驗中，施加在折疊翼上的載荷即為氣動負(fù)載。先將折疊翼放在-45℃低溫環(huán)境下進行試驗[4]，隨后將氣動負(fù)載施加至折疊翼進行測試。風(fēng)洞展開試驗共進行6次，由高速攝影獲得折疊翼展開時間參數(shù)。風(fēng)洞展開試驗中折疊翼展開時間418～436 ms，滿足小于600 ms的技術(shù)指標(biāo)要求。

將折疊翼風(fēng)洞展開試驗和地面模擬負(fù)載展開試驗的展開時間進行對比，可評判折疊翼地面加載系統(tǒng)模擬負(fù)載的準(zhǔn)確性。展開試驗結(jié)果如表2所列。由試驗結(jié)果可知，風(fēng)洞展開試驗的展開時間為418～436 ms，展開時間平均值為427.3 ms；地面模擬負(fù)載展開試驗的展開時間范圍為420～445 ms，展開時間平均值為431.7 ms。兩類試驗的結(jié)果均滿足折疊翼展開的技術(shù)指標(biāo)，翼展平均展開時間僅相差4.4 ms，試驗結(jié)果相差很小，說明地面加載試驗系統(tǒng)對氣動負(fù)載的模擬是真實準(zhǔn)確的。

表2 風(fēng)洞展開試驗和地面模擬負(fù)載展開試驗結(jié)果Table2 Wind tunnel test and ground test results of the folding-wing

5 結(jié)論

根據(jù)某型號折疊翼地面加載的要求，通過理論分析和仿真計算確定了折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)的參數(shù)，研制了折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)，并進行了試驗驗證。折疊翼地面加載試驗系統(tǒng)可對某型號折疊翼低溫展開時施加模擬負(fù)載，負(fù)載模擬準(zhǔn)確，模擬負(fù)載值和氣動負(fù)載值一致性高，滿足某型號折疊翼低溫環(huán)境下展開時地面加載的要求。試驗系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可有效降低折疊翼地面試驗成本的特點。