人工增雨防雹火箭發(fā)射裝置地面減振基座的設(shè)計(jì)*

□晏軍

新疆人工影響天氣辦公室 烏魯木齊 830002

1 研究背景

人工增雨防雹火箭發(fā)射裝置主要用于人工增雨和防雹催化作業(yè)，所使用的火箭雖然沒(méi)有軍工火箭那樣高的精確度和威力，但是火箭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻近似于軍工產(chǎn)品。

當(dāng)前，人工影響天氣行業(yè)的火箭發(fā)射裝置主要有車(chē)載式和固定式兩種型式。車(chē)載式火箭發(fā)射裝置以汽車(chē)車(chē)廂為作業(yè)平臺(tái)，當(dāng)火箭發(fā)射時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊力會(huì)被車(chē)輛輪胎和減振鋼板系統(tǒng)等部件吸收和釋放，因此，對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)基本不構(gòu)成硬性損害。固定式火箭發(fā)射裝置直接安裝在固定于硬性水泥地面的基座上，在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，固定基座所承受的振動(dòng)和沖擊力只能通過(guò)剛性釋放，從而嚴(yán)重危及到作業(yè)的安全性，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射裝置過(guò)早損壞。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有固定基座的設(shè)計(jì)缺陷，筆者利用減振阻尼原理設(shè)計(jì)了一種具有吸能減振功能的新型地面減振基座。應(yīng)用這一基座，可以有效降低和緩解火箭發(fā)射時(shí)對(duì)發(fā)射裝置所產(chǎn)生的振動(dòng)與沖擊能量，從而大大提高設(shè)備的使用壽命，降低因振動(dòng)所引發(fā)的故障率［1-8］。

2 火箭發(fā)射時(shí)動(dòng)能

火箭發(fā)射時(shí)在軌道中滑行時(shí)間t、出軌時(shí)速度vt和加速度a的公式為：

式中：s為軌道長(zhǎng)度；v0為火箭初速度；m為火箭質(zhì)量；F為火箭推力。

由于火箭在導(dǎo)軌上出膛滑行的速度極快，因此可以忽略推進(jìn)劑的消耗因素，將s=1.74 m、v0=0、m=8.3 kg、vt=40 m/s 代入式（1）～式（3），計(jì)算得 a=460 m/s2，t=0.087 s，F(xiàn)=3 818 N。

當(dāng)火箭架軌道過(guò)長(zhǎng)時(shí)，火箭在發(fā)射過(guò)程中會(huì)對(duì)架體產(chǎn)生振動(dòng)與沖擊力，導(dǎo)致架體不穩(wěn)且上下晃動(dòng)。當(dāng)軌道長(zhǎng)度小于彈體長(zhǎng)度時(shí)，不利于火箭出膛時(shí)所需的定向滑行穩(wěn)定性。只有當(dāng)導(dǎo)軌總長(zhǎng)度大于火箭長(zhǎng)度（1 450 m）300 mm左右時(shí)，才能保證火箭出膛時(shí)所需的定向滑行穩(wěn)定性。

3 發(fā)射裝置受力分析

火箭發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力，是導(dǎo)致火箭發(fā)射裝置受到振動(dòng)和沖擊的主要原因，火箭有大、中、小三種類型，不同類型的火箭，發(fā)射所引起的振動(dòng)與沖擊力也各不相同。中火箭和小火箭無(wú)論是在體積、質(zhì)量，還是在火藥推進(jìn)等方面都遠(yuǎn)不如大火箭，筆者選取98型火箭作為研究對(duì)象［9］。

根據(jù)作用力與反作用力原理可知，火箭發(fā)射時(shí)的推進(jìn)力是對(duì)發(fā)射裝置產(chǎn)生后坐力的主要原因。由于火箭的軌道很短，出膛滑行速度又極快，因此摩擦力基本可以忽略不計(jì)。

根據(jù)前文有F=3 818 N，發(fā)射裝置受豎直向上的力FV=Fsin70°=6 477 N，受水平方向的力FH=Fcos70°=3 610 N， 如圖 1所示。

▲圖1 火箭發(fā)射裝置受力分析

火箭發(fā)射裝置受到豎直方向的后坐力遠(yuǎn)大于水平方向受到的后坐力，由于所受到的振動(dòng)和沖擊只能通過(guò)固定基座來(lái)進(jìn)行剛性釋放，久而久之會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)射裝置的穩(wěn)定性和使用壽命，因此有必要對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行吸能減振方面的研究和改進(jìn)。

4 減振基座的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)思路

由于多彈型火箭發(fā)射架在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面都已達(dá)到了合理狀態(tài)，因此不宜再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)。在不改動(dòng)發(fā)射裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的前提下，通過(guò)采用阻尼減振技術(shù)，使發(fā)射裝置受到的振動(dòng)和瞬間沖擊力盡可能地被吸收和消耗在基座阻尼層，進(jìn)而使發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而有效消除和降 低火箭發(fā)射時(shí)所帶來(lái)的振動(dòng)和沖擊危害，避免發(fā)射裝置因動(dòng)應(yīng)力的剛性釋放而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞和零部件磨損［9-11］。

4.2 減振彈簧

減振彈簧具有噪聲低、隔振和穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于緩沖減振設(shè)備和作業(yè)工具中。發(fā)射裝置同樣采用減振彈簧技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于火箭在發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力在發(fā)射裝置上可以分解為豎直和水平兩個(gè)方向的力，因此采取上下兩組壓縮彈簧的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行吸能和減振。上部壓簧主要起吸收和消除向下后坐力的作用，下部壓簧主要吸收在反作用力下產(chǎn)生的向上拉力。通過(guò)減振彈簧設(shè)計(jì)，可以有效消除和減小火箭發(fā)射時(shí)所帶來(lái)的沖擊力。

假設(shè)當(dāng)前作業(yè)火箭發(fā)射角度為70°，當(dāng)上下兩組壓簧壓縮量為5 mm時(shí)，根據(jù)胡克定律，有：

式中：Ft為彈簧彈力；k為彈簧的剛度系數(shù)；x為彈簧的伸縮量。

可得上部壓簧產(chǎn)生的壓力Fta=7 595 N，下部壓簧產(chǎn)生的壓力Ftb=8 820 N，均大于FV。減振彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 減振彈簧結(jié)構(gòu)

由此可見(jiàn)，上下兩組壓簧的彈力完全可以吸收火箭發(fā)射時(shí)發(fā)射裝置產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊力?？紤]到發(fā)射裝置本身質(zhì)量已達(dá)150 kg，且發(fā)射裝置可以360°全方位旋轉(zhuǎn)作業(yè)，因此在選材時(shí)選取彈簧節(jié)距≥5 mm的減振彈簧作為阻尼器，分別安裝在正方形基座的4個(gè)邊角處，起到對(duì)發(fā)射裝置作業(yè)時(shí)平衡穩(wěn)定和緩沖減振的作用。

4.3 減振基座框架

減振基座的上框架部分選用3 mm厚扁鋼材料焊接而成，4條邊分別留有M12的螺栓連接孔，用于將發(fā)射裝置和減振基座連接為一體。在方形框架上部的4個(gè)下表面位置焊接4根連接螺桿的壓簧限位座，如圖3所示。

4.4 減振基座的安裝

預(yù)先將框架底部的4個(gè)底腳螺栓固定預(yù)埋在平整的混凝土地面之中，再分別將壓簧限位座安裝于基座中部框架上表面與下表面的四根壓簧位置處。上部的4根連接螺桿分別由上至下穿過(guò)上部壓簧、中部框架孔和下部壓簧，并用M16螺母進(jìn)行緊固，如圖4所示。

為了避免壓簧自由行程過(guò)大而產(chǎn)生晃動(dòng)，限位座的外徑僅比壓簧的內(nèi)徑大1 mm。連接螺桿上的螺母可用于調(diào)整各壓簧之間的自由行程，使減振基座的受力點(diǎn)均勻地分布在中部框架的4個(gè)邊角處。通過(guò)上下兩組8根不同作用方向的減振彈簧，有效地緩沖和吸收火箭發(fā)射時(shí)給發(fā)射裝置造成的振動(dòng)與沖擊。為了避免火箭發(fā)射時(shí)噴射氣流所造成的影響，要求地面發(fā)射基座離地高度不應(yīng)低于0.45 m，發(fā)射場(chǎng)地面應(yīng)干凈平整，不能有沙石等顆粒物?；鸺l(fā)射地面減振基座如圖5所示。

▲圖3 減振基座框架結(jié)構(gòu)

▲圖4 減振基座安裝示意圖

▲圖5 火箭發(fā)射裝置地面減振基座

5 結(jié)束語(yǔ)

利用減振阻尼原理設(shè)計(jì)了新型人工增雨防雹火箭發(fā)射裝置地面減振基座，能夠有效降低和消除火箭發(fā)射時(shí)對(duì)發(fā)射裝置造成的振動(dòng)與沖擊力，達(dá)到了預(yù)期的目的和設(shè)計(jì)效果，提高了火箭發(fā)射裝置的使用壽命，在人工增雨防雹行業(yè)中具有很高的實(shí)用價(jià)值。這一地面減振基座已經(jīng)獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)CN201420523791.1。

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