一种适用于高超声速的双轨火箭橇气动外形结构

技术领域

本发明属于靶场测试技术领域，具体涉及一种适用于高超声速的双轨火箭橇气动外形结构。

背景技术

火箭橇是以火箭发动机为动力，沿专门建造的滑轨高速滑行的地面试验系统，主要模拟武器系统研制过程中有关速度、加速度条件，用于飞机、导弹、航宇飞行器整机或部件等功能考核。

地面试验根据不同的试验目的，可以在对真实环境条件进行模拟的同时实现较好的测量精度，但模拟参数范围受到试验设备的约束。例如，高超声速风洞试验受设备尺度限制，通常无法进行1：1样件试验，同时由于动压最高只能达到十万帕左右，无法模拟几十万帕甚至上百万帕动压的力学环境，因而高速环境下与控制相关的技术方案无法通过风洞设备进行考核；平衡炮由于其加速能力有限，达不到高超声速考核要求；轻气炮受限于其多极次口径加速的发射原理，能加载的战斗部(弹丸)尺寸和质量均相当受限。火箭橇试验能够模拟飞行状态的主要特点，成为目前先进武器地面试验设备中比较有效的一种特殊试验手段，尤其对于带有动态考核事件的超声速高雷诺数气动环境模拟优势更加突出。

随着高超声速武器系统成为当今世界航天航空大国积极发展的关键技术之一，模拟高超声速试验及测试环境，成为地面火箭橇试验技术持续发展的重要研究方向。由于高超声速火箭橇在运行过程中速度快、受地面效应影响大，同时受到恶劣的气动环境和靴轨冲击振动环境，大大降低了火箭橇的运动稳定性，而合理的气动环境，尤其是适当的气动压力环境，可以有效产生气动阻尼，抑制火箭橇的振动情况。因此，设计合理的气动压力环境，对于高超声速运动稳定性具有重要意义。

我国已成功开展了高超声速的单轨火箭橇试验，其气动设计有一定的经验，但是单轨火箭橇沿单根轨道高速滑行，极易发生滚转效应，振动力学环境也更恶劣。双轨火箭橇横跨两条轨道滑行，可负载的载荷较之单轨火箭橇大很多，可适应目前我国大力发展的大载荷战斗部的高超声速火箭橇试验，但是目前国内成功实施的双轨火箭橇最大速度为3.5Ma，未有5Ma双轨火箭橇的气动设计经验和相关资料。

在3.5Ma的中超声速双轨火箭橇的气动设计中，采用的适用于中超声速的负升低阻大斜面气动结构中在3.5Ma速度以下可以提供很好的气动力学环境，满足运动稳定性需求，而将之推至5Ma速度，则气动压力由二十吨以下增至五十吨以上，气动压力过大，滑靴难以承受，以至于恶化了靴轨力学环境，同时现有结构阻力系数过大，动力配置难以实现高超声速。因此需要发展一种适用于高超声速双轨火箭橇的气动外形结构，满足弹道设计和运动稳定的需求。目前对高超声速双轨火箭橇气动减阻同时提供合理下压力抑制振动环境目前未能采取有效措施，也未有相关气动结构的公开报道。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于高超声速的双轨火箭橇气动外形结构，包括大斜面楔形整流结构、整流帽、立柱、圆形卡环和滑靴；大斜面楔形整流结构的纵截面即YZ平面方向截面为梯形+1/4椭圆，俯视方向为梯形；下表面安装四枚滑靴，前后各两枚，用于火箭橇沿轨道滑行；整流帽安装在楔形整流结构的上表面，对未遮盖的发动机头部进行整流；大斜面楔形整流结构的中部设计立柱，立柱为前部尖劈外形，后部为长方体外形，尖劈外形和长方体外形与被试品融合安装；被试品采用圆形卡环卡在在立柱内部。本发明使楔形整流外形气动阻力大幅降低，在现有动力条件下可以实现双轨火箭橇5Ma的运行速度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

一种适用于高超声速的双轨火箭橇气动外形结构，包括大斜面楔形整流结构、整流帽、立柱、圆形卡环和滑靴；

定义火箭橇运行方向为Y轴负向；垂直于Y轴，且铅锤方向指向上方为Z轴正向；垂直于YZ平面，且指向火箭橇运行方向左侧的方向为X轴正向；

所述大斜面楔形整流结构的纵截面即YZ平面方向截面为梯形+1/4椭圆，俯视方向为梯形；

所述楔形整流结构下表面安装四枚滑靴，前后各两枚，用于火箭橇沿轨道滑行；

所述整流帽安装在楔形整流结构的上表面，对未遮盖的发动机头部进行整流；所述整流帽为圆锥结构的锥面与大斜面楔形整流结构的上表面融合相贯，相贯线向前最远延伸至前部两枚滑靴的横梁的前端面位置；整流帽后端面与发动机前端面贴合，以起到对发动机遮掩整流作用；

所述大斜面楔形整流结构的中部设计立柱，立柱为前部尖劈外形，后部为长方体外形，尖劈外形和长方体外形与被试品融合安装；被试品采用圆形卡环卡在在立柱内部。

优选地，所述大斜面楔形整流结构的纵截面的梯形结构为直角梯形，直角边形成气动外形结构的底面，直角梯形的上边长度由前滑靴支撑横梁高度决定，直角梯形的下边用于遮盖发动机，直角梯形的腰线形成气动外形结构的楔形大斜面；

直角梯形的上边长度取值与前面两枚滑靴的横梁的高度相同，为70mm；

直角梯形的下边长度为从前面两枚滑靴上顶面至发动机圆心的垂直距离；

直角梯形的直角边长度取值为1.2m～1.6m之间。

优选地，所述大斜面楔形整流结构的纵截面1/4椭圆的短边为竖向边，长度与前面两枚滑靴的横梁的高度相同，为70mm；椭圆长边长度为240mm；

椭圆结构上表面由后至前为斜面，倾斜角度与楔形整流气动外形的楔形面一致，也就是该斜面与楔形面共面。

优选地，所述整流帽后端面与发动机前端面及安装卡环在楔形面以上部分所形成的面重合，以达到完全遮掩发动机，为推力橇部分发动机整流减阻的目的。

优选地，所述楔形整流结构前部宽度与前面两枚滑靴外侧面距离等宽，为1745mm；楔形面的侧面和最外侧发动机整流帽以该前后宽度为准纵向切出整流结构的侧面。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的高超声速双轨火箭橇气动外形遮盖发动机一半同时采用发动机整流帽减阻的形式较之以往的对发动机全遮盖的常规楔形整流外形气动阻力大幅降低，在现有动力条件下可以实现双轨火箭橇5Ma的运行速度。

(2)本发明的高超声速双轨火箭橇气动外形，可以在一定范围调节火箭橇气动外形的纵向长度，进而调节楔形面的角度来调节气动压力在合理范围内，避免了传统的3.5Ma以内的楔形结构面在5Ma速度下气动压力过大，造成整橇的振动量级过大的难题。

(3)本发明在楔形整流的前部设计1/4椭圆的前横梁整流方式，既合理调节了结构前部气动压力，又避免传统三角形截面设计为纯下压力面时滑靴位置气动压力过大的问题，同时，削弱了采用单纯尖劈结构时火箭橇底部的激波强度，避免了高强度激波高频击打轨道扣件带来的振动诱导。

附图说明

图1是本发明高超声速的双轨火箭橇气动外形总体结构示意图。

图2是本发明高超声速的双轨火箭橇楔形整流结构的纵截面梯形示意图。

图3是本发明高超声速的双轨火箭橇气动外形俯视图，向上为航向。

图4是本发明高超声速的双轨火箭橇被试品安装立柱的横截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的目的是针对现有适用于中超声速的双轨火箭橇大斜面气动结构难以适用于高超声速条件下的压力环境，以及气动阻力大，现有发动机推力能力难以实现高超声速条件，而开发的一种阻力系数更低，气动压力量级适宜的气动结构，使其在进一步减阻的同时，可以提供适度的气动下压力，以气动阻尼抑制第一对滑靴位置的振动力学环境。

下面对本发明进行详细说明：

如图1到图4，本发明是为了高超声速双轨火箭橇在进行5Ma速度火箭橇试验时，保证火箭橇橇体前部结构能够提供适合动力学中稳定性和抑制振动环境需求的气动下压力，同时保证气动阻力满足现有发动机推力要求而开发的一种适用于高超声速双轨火箭橇气动外形结构。

此处定义火箭橇运行方向为Y轴负向，垂直于Y轴，且铅锤方向指向上方为Z轴正向，垂直于YZ平面，且指向火箭橇运行方向左侧的方向为X轴正向。

该结构的主体是一种纵截面(YZ平面方向截面)为梯形+1/4椭圆的大斜面楔形整流结构，该楔形整流从俯视方向看(以Z轴正向看向Z轴负向)为一个梯形。在楔形整流结构上表面设计发动机的整流帽，对未遮盖的发动机头部进行整流，整流帽为圆锥结构的锥面与楔形整流结构的上表面融合相贯，相贯线向前最远延伸至前部第一对滑靴横梁的前端面位置，此时整流帽结构气动阻力最低，气动下压力最低，整流帽后端面与发动机前端面完全贴合，以起到对发动机遮掩整流作用。楔形整流的中部根据被试品外形设计安装立柱，安装立柱为前部尖劈外形，后部为长方体外形，尖劈外形和长方体外形与被试品融合安装。被试品采用圆形卡环安装在立柱内部。楔形整流结构下表面安装四枚滑靴，用于火箭橇沿轨道滑行。

本发明的实现还在于：所述纵截面的梯形结构为水平放倒的直角梯形，直角边形成本发明气动外形的底面，直角梯形的上边长度由前滑靴支撑横梁高度决定，下边用以遮盖发动机，梯形的腰线形成本发明气动外形的楔形大斜面。

本发明的实现还在于：直角梯形的上边长度L1取值为常用前滑靴横梁的高度70mm，即L1＝70mm。

本发明的实现还在于：直角梯形的下边长度L2用以遮盖发动机，为了最大限度减阻，同时能够遮盖发动机及发动机安装卡环等结构，起到为发动机整流的作用，本发明中L2高度需要遮盖发动机的一半，长度为从滑靴上顶面至发动机圆心的垂直距离。

本发明的实现还在于：所述截面的梯形直角边长度h取值为1.2m～1.6m之间。高超声速的被试品质量一般在600kg以下，产品橇选用两对滑靴，根据火箭橇动力学稳定性经验，两对滑靴航向安全距离为1.2m～1.6m，具体取值根据被试品安装位置的长度a以及需要的气动压力决定。首先需要保证直角边长度h大于被试品安装位置的长度a，即h＞a，以确保被试品可以有足够的空间安装在产品橇上。之后，根据动力学稳定性需要的气动压力，开展气动仿真后，以满足需要的气动压力来确定长度h。

本发明的实现还在于：所述1/4椭圆整流结构是为了给前横梁整流而开展的结构设计，传统的双轨火箭橇前横梁整流采用尖劈结构，在高超声速阶段，沿尖劈下表面形成的激波强度过强，为了避免高强度激波高频击打轨道扣件，对火箭橇产生诱导振动，因而在下表面采用椭圆形整流结构，以减弱打在扣件上的激波强度。

本发明的实现还在于：椭圆整流结构短边为竖向边，长度为横梁高度也就是70mm，长边长度通过气动与动力学耦合分析确定5Ma速度下最优值为240mm。

本发明的实现还在于：椭圆整流结构上表面由后至前为斜面，倾斜角度与楔形整流气动外形的楔形面一致，也就是该斜面与楔形面共面。

本发明的实现还在于：所述发动机整流帽后端面与发动机前端面及安装卡环在楔形面以上部分所形成的面重合，以达到完全遮掩发动机，为推力橇部分发动机整流减阻的目的。

本发明的实现还在于：以发动机及安装卡环面外圆形成的面为底面，以纵截面直角梯形高h与椭圆长边长度240mm之和为圆锥高，形成圆锥体，该圆锥向下倾斜，以其锥面与楔形整流面的大斜面向切，形成发动机整理帽。相切后的相贯线长度最远至前滑靴横梁前端面，此时发动机整流气动压力和阻力均最小，最近使斜面倾斜角度不超过45度，否则在5Ma速度下阻力过大。

本发明的实现还在于：楔形整流结构前部宽度W1与第一对滑靴外侧面距离等宽，即W1＝1745mm，后部宽度W2根据发动机安装情况，以遮掩主发动机安装卡环为准。楔形面的侧面和最外侧发动机整流帽以该前后宽度为准纵向切出整流结构的侧面。

本发明的实现还在于：楔形整流的中部根据被试品外形设计安装立柱，安装立柱为前部尖劈外形，后部为长方体外形，尖劈外形和长方体外形根据被试品外形与被试品融合设计安装，后部与发动机之间以斜面过度。

本发明的实现还在于：楔形整流结构下表面安装四枚滑靴，选用在用的标准滑靴，用于火箭橇沿轨道滑行。四枚滑靴横向跨距与两轨一致为1530mm，纵向第一对滑靴安装在前横梁滑靴安装位置，第二对滑靴安装在第二横梁的滑靴安装位置。

具体实施例：

某型导弹武器系统需要开展5Ma速度下的火箭橇试验，被试品质量550kg，主体长度1450mm(不含整流及附属配件)，安装位置半径160mm。

分析该被试品质量和尺寸，结合评估单轨火箭橇的承载能力，难以开展5Ma速度条件的火箭橇试验，必须开展双轨火箭橇气动设计，实现该被试品的5Ma速度条件下的功能考核。

根据以上被试品委托输入条件，开展双轨火箭橇气动外形设计，高超声速双轨火箭橇气动外形的楔形结构主体为梯形+1/4椭圆的大斜面楔形整流结构，该楔形整流的纵截面为水平放倒的直角梯形，直角边形成本例气动外形的底面，直角梯形的上边长度L1由前横梁的标准件高度决定，L1＝70mm。直角梯形的下边长度L2用以遮盖发动机，为了最大限度减阻同时可以为推力橇上的迎风发动机和卡环整流，L2取值为发动机一半，本例中从滑靴上顶面至发动机圆心垂直距离为234mm，因此L2＝234mm。直角梯形的直角边长度h取值为1.2m～1.6m之间，该范围是由靴轨配副及运动稳定性确定的，具体数值需要根据被试品长度及气动下压力来确定，首先需要保证直角边长度h大于被试品安装位置的长度a，即h＞a，本例中，a＝1450mm，以确保被试品可以有足够的空间安装在产品橇上。之后，根据动力学稳定性需要的气动压力，开展气动仿真后，以满足需要的气动压力来确定长度h，本例中h暂时根据经验取值为1570mm，后续建立模型后，开展动力学和气动仿真分析进行复核，以确保提供的气动下压力在满足动力学稳定性需求的范围内。

楔形整流结构前部为前滑靴横梁，需要设计整流结构为横梁前端面整流，横梁的前整流结构处在高超声速流动的前迎风面位置，其受到的气动力十分大，结构有轻微的变化就会带来气动力方向的数吨甚至数十吨的变化，因此必须加以精细设计。传统的速度3.5Ma的双轨火箭橇，一般采用错牙式结构，在靠近滑靴位置和存在轨道压板扣件的位置选择下三角结构，使气流压在上面，避免形成的激波击打轨道扣件压板，在远离轨道扣件的位置选择上三角结构，使气流压在下面，形成升力，缓解前滑靴的气动压力过大，导致滑靴振动环境恶劣。而在5Ma速度下，错牙结构形成的气动下压力依然过大，难以缓解，选择等腰三角截面的楔形结构又导致下部激波高频击打轨道扣件，诱发振动。因此，本例设计了1/4椭圆的前整流结构，使激波压在头部，减弱下部激波击打轨道扣件的同时，还可以使上下面均为压力面，减弱前滑靴位置的气动下压力，使其下压力在合理范围内。本例中椭圆整流结构短边为竖向边，短边长度为横梁高度也就是70mm，长边长度通过气动与动力学耦合分析确定5Ma速度下最优值为240mm。椭圆整流结构上表面由后至前为斜面，倾斜角度与楔形整流气动外形的楔形面一致，也就是该斜面与楔形面共面。

楔形整流结构遮盖后部推力发动机的下半部分，上半部分采用发动机整流帽的形式进行整流，避免了传统双轨火箭橇采用楔形结构完全遮盖发动机的结构形式在高超声速条件下气动压力过大的问题。发动机整流帽后端面与发动机前端面及安装卡环在楔形面以上部分所形成的面重合，以发动机安装卡环面外圆形成的面为底面，以纵截面直角梯形高h与椭圆长边长度240mm之和为圆锥高，形成圆锥体，该圆锥向下倾斜，以其锥面与楔形整流面的大斜面相切，形成发动机整理帽。本例中需要对双轨火箭橇的气动下压力最大限度降低下压力，因此相切后的相贯线长度至前滑靴横梁前端面，此时发动机整流气动压力和阻力均最小。而中间发动机的整流帽需要与被试品安装立柱融合设计，整流帽与楔形面相贯前端点取在立柱前三角尖劈与后部长方体拼接处。

楔形整流结构前部宽度W1与第一对滑靴外侧面距离等宽，即W1＝1745mm，后部宽度W2根据发动机安装情况，以遮掩主发动机安装卡环为准，本例中达到5Ma速度需要6根发动机，加上安装卡环的宽度，W2取值2067mm。楔形面的侧面和最外侧发动机整流帽以该前后宽度为准纵向切出整流气动结构的侧面。

楔形整流的中部根据被试品外形设计安装立柱，安装立柱为前部尖劈外形，后部为长方体外形，尖劈外形和长方体外形根据被试品外形与被试品融合设计，本例中前缘尖劈角度设计为40°，尖劈纵向长度286mm，改尺寸设计满足了被试品的安装强度之后，为了减阻第二段尖劈斜面角度减少至20°，纵向长度495mm。再向后以该尖劈立柱的宽度为长方体的宽做长方体延伸至发动机前端面，高度根据被试品的特殊委托的安装高度需求，本例中长方体高度为230mm，后部与发动机之间以斜面过度。

楔形整流结构下表面安装四枚滑靴，选用在用的标准滑靴，用于火箭橇沿轨道滑行。四枚滑靴横向跨距与两轨一致为1530mm，纵向第一对滑靴安装在前横梁滑靴安装位置，第二对滑靴安装在第二横梁的滑靴安装位置。

对设计完成的双轨火箭橇气动外形开展动力学稳定性计算，满足5Ma速度运动稳定的气动下压力需求为34.6吨～39吨,开展气动特性仿真,本例5Ma速度气动压力为37.4t,满足气动下压力的需求，完成双轨火箭橇气动外形设计。