折疊翼低溫展開地面加載試驗系統的設計

康昌璽，王雪松，水 龍，李 亮，雷小光

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

折疊翼具有縮小導彈徑向尺寸、減小導彈運輸和存儲體積、增加發射平臺的運載能力和提高武器裝備綜合作戰效能等特點，被廣泛應用于國內外多型號導彈中。折疊翼雖然具有上述優點，但帶來的問題是增加了折疊機構。如果導彈發射時折疊翼展開異常，則可能導致發射失敗。因此，在地面上進行折疊翼模擬加載展開試驗，對獲得和調整展開驅動機構參數、優化展開機構設計、驗證展開機構可靠性、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，國內外主要的模擬負載方式有兩種，機械式和電液式負載加載方法。機械式負載系統是通過設計機械模擬負載結構來輸出載荷，結構簡單，研發成本較低，但是不易實現連續性加載。電液式負載系統采用液壓馬達或電機作為系統的負載源輸出部件，優點是輸出載荷大且可以實現連續載荷輸出，但設計結構較為復雜、體積大、工作過程中有多余力的產生，影響負載系統加載的準確性[2]。某型號折疊翼在地面加載試驗中要求展開過程中持續施加負載，加載系統簡單可靠，研制成本低。根據要求提出了一種采用氣缸為負載源[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，克服了機械式和電液式系統加載的不足，可以準確模擬折疊翼展開過程中的氣動負載，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的要求

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

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

對折疊翼地面加載試驗系統的要求為能在折疊翼上施加一個模擬負載，該模擬負載能與折疊翼的氣動負載盡可能吻合，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及原理

折疊翼地面加載試驗系統主要由支撐架、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]后與加載系統連接，空壓機通過充氣管路先向氣缸工作腔內充入一定壓力的空氣。火工作動裝置驅動折疊翼旋轉展開時，通過鋼絲繩-滑輪傳動帶動氣缸內活塞壓縮氣缸工作腔內的空氣提供負載力，該負載力通過鋼絲繩-滑輪傳動直接施加至折疊翼面質心；隨著火工作動裝置驅動折疊翼旋轉展開，施加于折疊翼的負載力矩會不斷變化，從而實現加載。

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

3 系統參數設計

折疊翼地面加載試驗系統的設計思路：首先對折疊翼地面加載試驗系統進行受力分析，得到試驗系統各設計參數之間的關系；然后以要求的折疊翼氣動負載為輸入條件，采用仿真軟件對試驗系統各設計參數進行仿真計算，獲得最優的系統設計參數值；分析和確定最優設計參數值之后，通過仿真軟件計算得到同氣動負載擬合程度最高的模擬負載。

3.1 地面加載系統受力分析

根據折疊翼地面加載試驗系統的工作原理，對折疊翼地面加載試驗系統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施加的模擬負載與試驗系統中各機構參數之間的關系如式（1）：

式中：M為翼面質心處模擬負載力矩；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為翼面轉軸至定滑輪中心距離；b為翼面轉軸至翼面質心距離，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 氣缸的參數設計

通過對式（1）的初步仿真計算，要獲得同氣動負載吻合程度較高的模擬負載，需要氣缸負載力為恒值。因此加載系統需要設計一個恒定負載力的氣缸。為降低試驗成本，選用現有氣缸，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載力是持續增大的。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壓力p是基本不變的。可認為氣缸提供的負載力F在工作中是恒值。

3.3 地面加載系統機構參數確定

以氣動負載值為輸入條件，通過已知的參數，采用Matlab對加載機構的各參數進行仿真計算[5]，得到地面加載試驗系統各機構參數的最優值，如表1所列。

表1 地面加載試驗系統最優參數值Table 1 Optimal parameters of ground testing system

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

3.3.1 摩擦力影響分析

氣缸活塞產生的負載力與氣缸內壓力的關系如式（2）：

式中：F為氣缸負載力。根據式（2）可知氣缸提供的負載力F=2 500 N。

地面加載試驗系統的摩擦力主要為滑輪的滾動摩擦力和氣缸活塞運動時產生的滑動摩擦力?；喌臐L動摩擦系數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。地面加載系統的摩擦力總計為24.1 N，對比2 500 N的氣缸負載力，占比不到1%，可忽略不計。

3.3.2 附加質量影響分析

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

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

3.4 模擬負載仿真計算

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

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

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

4 折疊翼地面加載系統試驗

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

4.1 氣缸負載力測試

恒定的氣缸負載力是影響折疊翼地面加載準確性的重要指標，因此需對氣缸負載力進行測試，以驗證折疊翼地面加載試驗系統設計的正確性。

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

圖5 氣缸動態壓力曲線Fig.5 dynamic pressure in cylinder

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

4.2 試驗系統附加質量影響

試驗系統附加質量是影響折疊翼地面加載試驗中加載準確性的重要指標，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量狀態下各進行了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 折疊翼低溫環境模擬負載展開

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

4.4 折疊翼低溫環境風洞展開

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

將折疊翼風洞展開試驗和地面模擬負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模擬負載的準確性。展開試驗結果如表2所列。由試驗結果可知，風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。兩類試驗的結果均滿足折疊翼展開的技術指標，翼展平均展開時間僅相差4.4 ms，試驗結果相差很小，說明地面加載試驗系統對氣動負載的模擬是真實準確的。

表2 風洞展開試驗和地面模擬負載展開試驗結果Table2 Wind tunnel test and ground test results of the folding-wing

5 結論

根據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的參數，研制了折疊翼地面加載試驗系統，并進行了試驗驗證。折疊翼地面加載試驗系統可對某型號折疊翼低溫展開時施加模擬負載，負載模擬準確，模擬負載值和氣動負載值一致性高，滿足某型號折疊翼低溫環境下展開時地面加載的要求。試驗系統具有結構簡單，操作方便，可有效降低折疊翼地面試驗成本的特點。