火箭撬雨蚀试验设施

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方案报告

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目 录

一、项目背景................................................................错误！未定义书签。

二、火箭撬雨蚀试验设施技术指标探讨与确认 ..................................7 2.1.现有国内标准........................................................7 2.2.天然降雨特性........................................................7 2.3.人工模拟降雨装置主要技术指标........................................8 2.4.高速火箭撬雨蚀试验设施具体技术参数确定...............................9 三、高速火箭撬雨蚀试验设施方案..............................................10 3.1.火箭撬雨蚀试验设施性能要求............................................10 3.2.火箭撬雨蚀试验设施系统组成............................................10 1)总供水系统............................................................11 2)管道及喷淋支撑装置....................................................12 3)可移动调节装置........................................................13四、人工模拟降雨系统.........................................................14 4.1人工模拟降雨装置参数的实现........................................14

4.2人工模拟降雨系统组成.............................................16 1）机架...........................................................16 2）喷头摆动机械传动系统...........................................17

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4）喷射装置.......................................................18 5) 控制系统......................................................19 6) 人工模拟降雨装置工作原理......................................19 7)人工模拟降雨装置喷头及供水管路的布局和设计.....................20 8)系统设备清单...................................................24 五、火箭撬雨蚀试验设施技术指标的检测........................................25 5.1、新型闭环反馈逼近控制算法...........................................25 5.2、现场传感器/执行器设置..............................................28 六、小结....................................................................29

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一、项目背景

随着现代化军事和武器的发展，越来越多的现代化武器要求具有高速和

全天候的作战能力。特别是雷达导弹要求高速和全天候作战能力更强,这样,当导弹穿过雨区飞行时,雨滴的冲击对位于导弹头部的天线罩造成的破坏(即“雨蚀”）将是一个不可忽视的问题,随着现代导弹飞行速度的提高,这个问题将更为突出。当飞机或导弹高速飞行通过雨区时 ,其天线罩表面受雨滴的撞击与侵蚀会产生损坏 ,这种现象称为天线罩的雨蚀。

在飞机或导弹的飞行过程中,雨蚀对天线罩性能有两个重要的影响:一是雨蚀会引起天线罩壁厚局部变薄、表面粗糙,导致天线罩电气性能下降;二是雨蚀还会引起天线罩局部裂纹和沟槽,造成整体结构损失甚至破裂。

早期的导弹天线罩都采用氧化铝陶瓷,因这种材料硬度较大,耐雨蚀性能极好。但随着导弹速度和雷达频率的提高,雨蚀对天线罩的破坏作用越来越明显,天线罩表面的温度也明显升高，常使用的氧化铝陶瓷和微晶玻璃等天线罩材料在温度升高到500℃以上时,由于材料的介电特性随温度的变化明显的增加和不能承受剧烈地热冲击。从而使氧化铝陶瓷和微晶玻璃等天线罩材料在导弹速度大于3马赫的情况下,往往不能满足导弹总体性能的要求。现代导弹天线罩更多地采用了讨热冲击性能和介电特性更为优越的泥铸溶石英肉瓷材料。适用于飞行速度大于3~5马赫情况下使用的独特的天线罩的材料。在国外,SCFS材料已在美制爱国者(SaM一D)导弹和意大利的A:pl’d。但这种材料的缺点是不够致密、抗雨蚀性能差。

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在导弹飞行速度大于3马赫时,雨蚀对天线罩的影响是严重的。所以,开展对天线罩抗雨蚀技术的研究也是天线罩设计内容的一个重要方面。天线罩雨蚀试验是一项十分复杂的技术,目前主要采用的方法有以下几种: a)雨蚀防护模拟试验装置。它包括隔离间、旋转臂机构和模拟雨滴的喷淋机构，喷淋机构由水箱、流量仪表、流量阀和喷淋管通过管路连接而成，喷淋管安装在隔离间的天花板上，旋转臂机构安装在隔离间中喷淋管的下方，喷淋机构的结构包括安装在防护罩中的伺服电机和旋转臂，伺服电机与旋转臂之间通过弹性连轴器和传动轴相连，试验件安装在旋转臂上。通过伺服电机带动旋转臂高速旋转，安装在臂上的试验件以较高的相对速度穿越雨滴模拟区，雨量的大小通过流量阀控制，通过控制伺服电机的转数，实现试验件穿越雨滴模拟区相对速度的调节。b)旋转臂液滴冲蚀试验装置,通常有一个人造雨的环境,其中有一个高速旋转的横臂,其端部装有一个可调多角度的工装盘，旋转臂线速度约为900m·s-1。最大的旋转臂雨蚀装置是在美国Holloman空军基地，其试验速度可达5马赫（1700m·s-1）。这类试验设备的体积非常庞，速度实现非常困难； b)火箭橇试验:把全尺寸天线罩装在火箭橇上,点燃火箭，使火箭橇沿导轨高速通过一段人工降雨区来试验天线罩的受雨破坏情况。这种方法的优点是试验不受试件尺寸的限制.缺点是试验场地较大,技术实现较为困难。

火箭试验滑轨是当代一种高精度、高速度的大型地面动态模拟试验设施。我国大型的火箭撬试验滑轨，长度已经达到9000Km，火箭橇最大速度可达音速和超音速（7马赫）；能够承担航空航天乘员救生试验、空气动力试验、降落伞试验、碰撞（包括穿甲、引信）试验、发动机推进系统试验、爆炸冲击试验、惯性制导试验、雨蚀与沙蚀试验、进入自由飞状态的发射试验、弹头软回

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收试验以及其它高科技工业领域的科学技术试验。

火箭滑车试验是用火箭推进的滑车，对飞行器部件、设备进行高加（减）速度、高速气流作用和一些特殊环境的综合性试验,又称火箭橇试验。与飞行试验相比,这种试验能比较精确地重复模拟所给定的速度、加速度及其变化率，易于观察试验情况和收集测量数据，可以回收试件。但这种试验有效时间短，空气密度不能控制，无法获得实际高度上的飞行数据。由轨道产生的振动和地面效应降低了模拟飞行环境的真实性，因而只能作为风洞等地面试验和飞行试验的补充手段。

试验设施：主要有轨道、滑车和测试设备三个部分：

①轨道：类似于直线铁路的路轨，有单轨、双轨和三轨几种，但多采用双轨。轨道通常用经过预制加工的重型钢轨焊接而成，需要有很高的平直度，使用期间还须定期校正，弯曲或表面粗糙的轨道会使滑车产生不应有的过载和振动。采用水刹车方式的滑轨，轨道之间还有水槽，按一定距离以隔板隔开。现代世界上最长的滑轨长达16公里。

②火箭滑车：一般由车体、滑块、动力系统和制动系统组成。滑车的前后滑块包住轨道的钢轨凸缘，用以支撑滑车和在滑轨上滑行。动力系统可用固体火箭或液体火箭，也可用固液混合推

进剂火箭，也可以制成单独的推进车。制动系统有水刹车、沙刹车、反推火箭、

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阻力伞、拦阻索等几种方式。

③测试设备：有速度测量系统、光学照相设备、遥测设备和数据处理系统、时间统一系统。

④辅助设施：主要有维修工厂、发动机装配间、检测校验设备和火箭滑车点火间等。

试验方法 ：滑车运行一般分为加速、等速运行、减速滑行和制动 4个阶段。各个阶段的状态由滑车的重量、气动特性、推进火箭和制动装置的性能来决定。滑车具有不同的运行性能，借以达到试验所要求的各种速度、加速度和加速度变化率。

滑车的制动多采用水刹车方式，即利用动量转换原理将滑车动能转变为水的动能来实现制动。当进入制动段时，装在火箭滑车上的戽斗冲破轨道间水槽的隔板，水进入戽斗，经过转向管道，向前进方向高速喷出产生制动力。制动快慢靠调节各个隔板间的水位高低来控制。

试验内容：飞行器的部件和设备所进行的火箭滑车试验包括：

①救生设备试验：包括弹射座椅、分离座舱、牵引救生装置和飞机座舱盖抛盖系统的试验。

②降落伞试验：新材料和新式样的降落伞可在滑车上试验和测量充气特征、开伞冲击系数、阻力系数、稳定性等基本性能数据。

③导弹弹头和制导系统的试验：验证动态性能，确定战斗部和引信的控制

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线路和控制程序，也可做穿甲性能试验。

④颤振试验：对导弹翼面、飞机尾翼进行全尺寸实物的颤振试验，能确定试件的颤振临界速度。

⑤非金属天线罩试验：火箭滑车试验场一般都有模拟降雨的设备，降雨量可以调节。雷达的非金属天线罩的雨蚀试验一般在超音速下进行。

⑥冲压发动机试验：在高速火箭滑车上进行超音速气流下的点火和工作性能试验，能保证试验工作的安全性。

火箭滑车试验有时也用来测试火箭喷流引起的气流分离现象和进行高雷诺数的气动试验。（见彩图）

结合我国最长的火箭橇试验滑轨（ALS：9Km），建立一个人工模拟降雨系统（约0.5Km、甚至更长），借以火箭滑车承载试验件高速（3-5马赫）穿越人工雨区进行测试试验，就可模拟雨滴对飞行物及其天线罩浸蚀破坏。 早在上世纪70年代，美国霍洛曼空军基地就在15.6km的火箭撬滑轨上建立人工模拟降雨装置，对其导弹进行整体雨蚀试验，见下图。我国至今为止，对雨蚀的研究仅局限室内小型雨蚀试验与研究。结合ALS-9km火箭撬滑轨建

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设室外雨蚀试验设施是必要的，意义重大，且投资较低。

二、火箭撬雨蚀试验设施技术指标探讨与确认 2.1、现有国内标准

到目前为止，我国有关室外高速雨蚀试验设施设计建设的相关规范和技术指标要求均是空白。通过查阅有关资料，我国于2009年5月25日颁布过《军用装备实验室环境试验方法--第8部分：淋雨试验》（GJB150.8A-2009）。

本标准试验的目的在于确定下列与淋雨、水喷淋和滴水有关的环境影响： 1）防止水渗入装备的保护罩、壳体和密封垫圈的有效性； 2）装备暴露于水中时以及暴露之后满足其性能要求的能力； 3）由于淋雨造成装备的任何物理损坏； 4）任何除水装置的有效性；

5）检验装备包装的有效性； 本标准对试验条件也做了如下规定：

雨强 雨滴直径 风速 18m/s 暴露面 全方位 水压 276kPa 预热 温度 试验时间 试验状况 1.7mm/min 0.5-4.5mm 差值10度 根据寿命而定 但是，对于室外雨蚀试验来说，一方面，其规定的技术条件偏少，无法对人工模拟降雨装置进行全面详细的设计。另一方面，有些规定的技术条件在室外无法满足，比如风速、试验件的加热等。

2.2、天然降雨特性

室外雨蚀试验目的主要是模拟高速飞行器（试验件）在天然降雨环境下的各项性能的有效性。为此，我们应该从天然降雨的4个特性：

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1）降雨强度； 2）降雨分布均匀性； 3）雨滴直径大小和分布； 4）雨滴降落速度；

进行定性和定量分析，确定雨蚀试验设施的最佳试验技术条件和指标。

根据国内外专家几十年来对天然降雨的研究，特别是美国学者罗斯等人对天然降雨雨滴形成过程的研究指出：

天然降雨雨滴形成特性

雨滴雨滴 降落直径 终速度 高度 0-6mm 2-2.9mm/s 7-9m 天然降雨过程 小雨 15-45mm/h 中雨 大雨 暴雨 120-180mm/h 45-80mm/h 80-120mm/h 雨强分类 2.3、人工模拟降雨装置主要技术指标

如何在人工模拟降雨装置中实现天然降雨雨滴的形成过程是雨滴发生器设计的关键。如何合理地确定雨蚀试验技术条件（雨强、雨滴直径、降雨分布均匀度、雨滴终速度或动能）是设计人工模拟降雨装置和雨滴发生器的依据。

1）我国使用的人工模拟降雨装置的主要技术性能

研制单位 中科院 水文室 山西省 水保所 铁科院西南研究所 山西省 水保所 辽宁省 水保所 中科院

降雨面积（m2） 3×8 5×7 170 2.5×2.5 10-40 2×5 降雨形式 喷嘴水平 往复运动 静止喷嘴 侧喷 网状喷嘴 喷嘴静止下喷 喷嘴静止下喷 喷头 落差 （m） 4 10 5 4.6 11 2.4 8

雨强范围（mm/h） 12-204 24-264 20-200 25-38 20-380 70-144 雨强控制 调节 总流量 调节 喷头数量 调节 总流量 改变水压 改变不同直径喷头 改变压力使用时间 1976年 1987年 70年代末 1988年 1998年 2000年 水保所 北京 师范大学 3×2.2 往复运动 喷嘴静止下喷 2.4 湖北霍洛曼航空设备工程有限公司

和流速 调节流量20-120 2000年 和压力 2）国外人工模拟降雨装置的主要技术性能

研制单位 降雨面积（m2） 降雨形式 针头滴水加震动 针头滴水加震动 针头 压力盒 不同直径喷嘴下喷 落差 （m） 0.6 2 10 16 雨强范围（mm/h） 20-200 5-50 20-180 20-240 雨强控制 调节 总流量 调节 总流量 调节 压力 改变水压 使用时间 1988年 1984年 70年代末 1988年 日本原子0.48×0.48 研究所 日本大起1×1 株式会 英国伊利12×12 洛斯大学 日本国立3700 科技中心 2.4、高速火箭撬雨蚀试验设施具体技术参数确定

根据以上介绍，结合现有ALS-9km火箭撬滑轨的具体情况，拟提出以下具体技术参数，便于前期方案论证设计。

高速火箭撬雨蚀试验设施技术参数 序号 1 技术指标名称 布局 具体参数 2×450m 技术要求与规定 沿滑轨承轨梁两侧布置，从500---950m 采用钢筋混凝土支墩做基础支撑，其支墩顶高不高于承轨梁水槽底标高，其它钢结构在非雨蚀试验状态下不得干扰其它试验的正常进行。 水平摆动下喷 喷嘴出水口至试验件表面高度 小雨0-45mm/h 中雨45-80mm/h 大雨80-120mm/h 备注 现有轨道起点 2 支撑方式 3 降雨形式及高度 2.4m 4 5 6 7

雨强 雨滴直径 喷淋范围 雨滴终速度 0-120mm/h.m2 0-6.5mm 2.2×450m2 2.0-2.9mm/s 9

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