一種新的飛行器運輸振動負荷確定方法淺探

佟向鵬 何緒龍

(1.海軍裝備部駐北京地區第一軍事代表室，北京 100076；2.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

1 引 言

在飛行器研制過程中，要通過公路、鐵路等方式運往試驗基地進行靶場飛行試驗，運輸之前設計部門在設計文件中會對運輸道路的等級、運輸狀態(行進速度、運輸時間長度、振動負荷范圍等)作出明確規定，然后先進行運輸試驗，有了明確的試驗結論之后，才能運輸飛行器本體。

2 飛行器實物運輸試驗面臨的問題

飛行器狀態鑒定完畢并列入部隊裝備計劃之后，要在研制與生產單位的總裝與測試廠房實施總裝與出廠測試，測試合格后通過公路、鐵路等方式運往基層部隊投入使用。在向基層部隊運輸過程中，增加了運輸持續時間和新的運輸狀態。

在飛行器研制階段初始技術文件中，存在振動強度測試時未考慮運輸時間加長的可能性；同時，也存在導彈在沿新路線運輸過程中，對途中產生振動負荷特點研究不充分的可能性。因此，已取得靶場飛行試驗成功的飛行器，在向基層部隊運輸時，是否還需要增加運輸振動沖擊試驗，成為迫切需要思考并加以解決的問題。該問題的出現，導致研制與生產單位和部隊面臨兩難的局面：一是增加附加試驗的情況下，需要再次開展大量試驗工作，并需要專用經費支撐；二是已經在靶場試驗成功的飛行器，在具備列裝、使用條件的情況下，增加附加試驗時可能發生損壞。

3 采用等比模型開展替代試驗的方法探討

針對上述問題，本文提出一種解決問題的方法，即比較分析法。以飛行器及等比模型運往試驗靶場過程的測量記錄為基礎，推斷出運往基層部隊時振動負荷條件。采用該方法，既能夠直觀反映出向試驗靶場運輸時負荷狀態的特點，又能通過采用新的測量設備和測量結果處理方法，與以往測量振動負荷狀態的記錄進行比較，驗證新方法合理性的同時，為證實大型飛行器是否滿足運往基層部隊時的振動負荷條件提供理論及試驗數據支撐。

實物試驗能夠直接測量出公路或鐵路運輸時振動狀態，為向基層部隊運輸面臨不同的運輸方式、不同的運輸路線，乃至不同型號產品時，適應性改進有關技術狀態提供依據。但因為試驗的特殊性，建議可以針對已經成功完成飛行試驗的飛行器開展前期的試驗摸索[1]，因其具備比較詳盡的試驗數據庫，且道路運輸特點比較明確，從而容易確定試驗狀態并利于試驗數據分析比對[2]。

試驗中，可以把已經定型的或正在研制的飛行器的等比模型裝進標準貯運箱，代替飛行器實物開展運輸試驗。運輸過程中，在貯運箱中既要測量架車或支架支撐截面輸入加速度a1、a2…的同時，也要測出等比模型彈的輸出加速度a1′、a2′…，如圖1所示。

圖1 試驗示意圖

在運輸試驗過程中，應完整記錄架車或支架支撐截面及等比模型上安放的傳感器輸出的振動沖擊數據，從而為原理分析和試驗狀態比對提供充分的數據支撐，示意圖見圖2。這些數據包含等比模型對振動的衰減特征、力的相互作用特征，以及振幅、頻率、分布、相位等關系，從而為實物運輸和理論分析中被試對象的輸入(在支承截面上)和輸出(等比模型上)振動沖擊進行比較分析，進而驗證動態計算模型的正確性提供數據支撐。

圖2 數據采集比對示意圖

4 確定運輸振動負荷的關注點

開展上述試驗的主要目的，主要是得到向基層部隊運輸時飛行器承受的振動沖擊數據，通過對這些數據進行數學仿真等理論分析，進而驗證飛行器的適應能力，為飛行器在實際發射陣位使用并做出可以進行飛行試驗決策提供理論及試驗支持。

上述目的決定了試驗中，應以正式的設計文件規定等比模型的組成、結構和布局，并按設計文件制造、安裝配重，從而真實反映飛行器上各類儀器(儀表、機構、裝置和電纜系統等)的真實狀態，模型的尺寸、質量、質心位置、固定節點和強度指標基本與實物保持一致，這些對于設計和生產單位來說都比較容易實現。傳感器在被試對象含等比模型及支架上的安裝位置，應充分考慮試驗狀態特點，以及按輸入——輸出系統完成振動數據監測的需求。此外，應該注意的是，實物運輸及試驗室振動試驗過程中，架車或支架支撐截面以及等比模型上傳感器安放位置保持一致，從而保證被測數據采集狀態的一致性，真實反映不同試驗狀態下振動沖擊的真實區別。

如果同一個等比模型在試驗過程中受到長時間的“運輸”振動沖擊作用，留存的試驗記錄可以作為壽命試驗的重要參考。因此，在記錄振動沖擊負荷過程期間，應定期監測等比模型的狀態，盡早發現是否出現損壞、裂縫等情況。建議在每一個階段運輸試驗后，詳細察看等比模型并監測其狀態。在發現損傷時及時針對相關區域，利用有限元分析等手段，將過載過程體現到應力轉換過程，從而根據試驗結果分析出運輸過程對飛行器強度壽命的影響。

上文等比模型替代試驗僅表述了原理性的方法，實際試驗中要充分解決下面一系列基礎性問題，從而保證試驗數據的全面性和準確性：

(1)要采集的數據涉及架車或支架支撐面、貯運箱與運輸車輛鎖接位置、等比模型外壁及內部關鍵配重等多個位置振動沖擊的試驗數據[3]；

(2)確定在公路或鐵路運輸過程中，不同道路狀態下振動過程的特征(如譜密度、均方值、概率積分函數、三軸振動沖擊頻率分布情況等)；

(3)把理論分析得出的振動加速度，與等比模型實物運輸時得到的試驗振動數據比較分析，驗證有限元模型的正確性；

(4)根據道路運輸時對等比模型的測量結果，使用有限元法分析確定架車或支架支撐面的輸入振動沖擊與等比模型上輸出振動沖擊之間的關系；

(5)用等比模型實物運輸時測到的振動沖擊激勵飛行器理論模型，分析應力—應變狀態，優化提高設計強度。

要想讓試驗數據有效發揮作用，有條件情況下還應在試驗后及時做好以下工作：

(1)用測量的振動數據對被試對象的運動學負荷條件數學仿真結果進行概率—統計分析；

(2)做好飛行器實物道路運輸及仿真實驗數據與等比模型試驗數據的比較分析；

(3)等比模型試驗后與飛行器實際交付基層使用部隊實物運輸時的受損性比較分析；

(4)對道路運輸時采集的、理論分析的、實驗室條件下仿真試驗取得的振動沖擊數據進行比較分析，從而確定修正關系，并為后續修訂實驗室仿真分析模型提供支撐。

將上述問題解決后，可以充分利用試驗數據，制定飛行器道路運輸到試驗靶場、基層使用部隊時負荷比較分析的準則；確定靜態強度計算的標準，即試驗中縱向、垂向和側向的振動沖擊統計數據，以及進行振動沖擊試驗的標準狀態；通過試驗數據，對飛行器負荷條件與應力狀態進行數學仿真，優化完善飛行器結構設計，以保證產品交付基層使用部隊使用時具有足夠的抗沖擊能力。

5 結束語

上述試驗基本能仿真飛行器道路運輸的實際狀態，但在飛行器產品運輸時，進一步確定真實振動沖擊狀態，將為提高后續設計能力和仿真試驗效果起到極為重要的作用。基于此，建議關注重點如下：

(1)已定型的飛行器長時期內還將在靶場進行抽檢飛行試驗。因此向試驗靶場運輸飛行器時，如能詳細測量實際的負荷狀態，將對完善振動沖擊試驗方法起到有效的促進作用。通過長期監測，可對道路運輸狀態有詳盡的了解，發現公路或鐵路沿線的復雜路況，進而能夠給出沿這些路線高速運輸狀態的建議；

(2)根據向試驗靶場和基層部隊實物運輸試驗的結果，將得到極值沖擊數據，為飛行器設計結構承力件和相關搭載設備時提供參考。以往技術人員在設計飛行器時，只能通過參考一系列標準文件內明確的極值過載數據，如鐵路運輸時縱向過載為3g，安全系數取2等，而在充分做好實物運輸試驗并積累豐富的數據后，以此為支撐，可以有依據、科學量化地針對飛行器運輸目的地，確定并設計“運輸”過載能力；

(3)將準確確定從某一個基地發射的飛行器的振動試驗狀態(過載水平及作用時間)，并用以修正試驗室條件下振動運輸試驗的狀態與時間長度，提高運輸試驗水平和有效性。