人工增雨防雹火箭发射架缓冲底座的设计*

□ 杨炳华 □ 王星钧

新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室 乌鲁木齐 830002

人工增雨防雹火箭发射架分为车载流动式和地面固定式两种，火箭从点火启动到发射出轨，瞬间产生的膛压、滑动摩擦、推进剂向后喷火等作用力会对发射架整体造成冲击。车载流动式火箭发射架所受到的冲击力可以通过车体钢板和轮胎得到有效释放，而地面固定式火箭发射架因为被固定在地面上，发射时产生的冲击力无法缓冲，随着火箭发射数量的增加，振动与冲击会使火箭发射架活动关节等主要部件受损，严重影响作业安全和发射架的使用寿命。

目前，国内使用地面固定式火箭发射架进行作业时，火箭的仰角一般较高，对火箭发射架的冲击力主要转换成垂直向下的压力，通过地面刚性释放，故没有配置减缓火箭发射冲击力的装置。笔者设计研究的火箭发射架缓冲底座，较好地解决了这个问题。

1 火箭发射架受力分析

火箭发射架受到的振动与冲击，来源于火箭弹发动机的推力。以发射WR-98型增雨防雹火箭弹为例，分析其发射出轨时火箭发射架受力情况。

1.1 火箭发射时产生的推力

火箭在轨道中滑行时间：

式中：s为导轨长度；v0为初速度；a为火箭出轨时的加速度。

火箭出轨时的加速度：

式中：F为推力；m为火箭弹质量。

离轨速度：

式中：t为火箭出轨时滑行时间。

已知：s=1.74 m，v0=0，vt=40 m/s，m=8.3 kg，代入式（1）、式（2）、式（3）得：

t=0.087 s，a=460 m/s2，F98≈3 818 N。

1.2 60°发射时火箭发射架所受的力

通常实施增雨防雹作业时，要求火箭发射架仰角必须大于45°，一般60°左右发射仰角最常用。火箭发射架在60°发射火箭弹点火瞬间所受的力如图1所示。

▲图1 60°力的分解图

根据图1计算：

火箭发射架所受垂直向上的力：FS=FHsin60°≈3 306 N

火箭发射架所受水平方向的力：FP=FHcos60°≈1 909 N

可以看出，火箭弹在高仰角发射时，火箭发射架所受向上的力大于水平力，这就是人们时常看到火箭发射出轨时，火箭发射架定向器头部上昂、尾部下沉的现象。

2 缓冲底座设计

缓冲底座主要由上、下部压缩弹簧，上部框架和基架组成。火箭装载在定向器内，由于定向器俯仰支点位置和发射仰角的不同，火箭从点火到发射出轨，随着时间的变化，作用在发射架上的力也随着发生变化。就某一个支点而言，既要承受向上的力，也要承受向下的力，但水平方向的力一定会在这个支点的平面内，只是力的方向改变而已，所以要用两种作用的弹簧减缓火箭发射对火箭发射架的冲击力。

2.1 上、下部压缩弹簧

采用上部压缩弹簧减缓向下的力，下部压缩弹簧减缓向上的力。在高仰角发射时，向下的力远大于水平的力；水平方向的力，依靠弹簧的矫正力缓解。

依据火箭发射架的受力分析，经计算和试验，设计的上部弹簧和下部弹簧如图2所示。

如火箭在60°仰角发射时，上、下部弹簧压缩4 mm，由胡克定律可知弹簧弹力为：

式中：k为弹性系数；x为压缩量，mm。

上部弹簧产生的力：Fks=155×9.8×4=6 076 N ＞3306 N（FH垂直向下的力）。

下部弹簧产生的力：Fkx=180×9.8×4=7 056 N ＞3306 N（FH垂直向上的力）。

上、下部弹簧产生的力完全可以承接火箭发射时由火箭发射架传递到缓冲底座上的力，火箭发射架的自重是150 kg左右，相当于弹簧压缩了1 mm。设计中选用弹簧的弹性系数较大，行程≥6 mm，考虑了火箭发射架的静压力，同时也考虑到火箭发射方位角是360°，在发射过程中火箭发射架的4个角各弹簧受力不均匀的因素。

2.2 上部框架

上部框架用扁钢焊接，呈正方形，4个角的连接孔用于安装火箭发射架。在上部框架的下表面，针对4个M12螺纹孔为中心，焊接与4根连接螺杆连体的4块上部弹簧顶部限位座，如图3所示。

2.3 基架

基架由下部框架（角钢）、中部框架（扁钢）、支撑腿（角钢）、上部弹簧底部限位座和下部弹簧顶部限位座焊接而成，如图4所示。

为了避免火箭发射架尾部受到反冲气流的影响，基架距地面高度至少＞500 mm，底部框架有4个孔，用于将基架固定在预埋混凝土中的4个底脚螺栓上。

2.4 组装

在基架中部框架上表面的4个上部弹簧底部限位座上套装上部弹簧，基架中部框架下表面的4个下部弹簧顶部限位座上套装下部弹簧；上部框架的4根连接螺杆依次穿过上部弹簧、中部框架孔、下部弹簧，用特制的M16螺母旋紧，构成了如图5所示的火箭发射架缓冲底座。

▲图2 上、下部弹簧结构设计图

▲图3 上部框架结构设计图

▲图4 基架结构设计图

▲图5 缓冲底座结构设计图

图5中，用4个M12螺栓将火箭发射架安装在上部框架上，上部弹簧安装在上部框架与中部框架之间的限位座中，下部弹簧安装在中部框架之下的限位座中。各限位座的外径比弹簧内径大1 mm，挤进限位座内，使弹簧挤进的部分不晃动。4个连接螺杆上的螺母，可调整各弹簧的松紧至合适的程度。

▲图6 地面固定式火箭发射架安装示意图

用4个M12螺栓将地面固定式火箭发射架与缓冲底座的上部框架连接，再用4个M12螺母将缓冲底座的下部框架固定在地面预埋的螺栓上，如图6所示。缓冲底座的主要受力点都在中部框架的各角上，当火箭点火瞬间至发射出轨的过程中，上部压缩弹簧始终减缓向下的冲击力，下部压缩弹簧始终减缓向上的冲击力，水平方向的力依靠8个弹簧的矫正力释放。

3 结束语

本设计采用上、下部压缩弹簧的方法，实现了地面增雨防雹火箭发射架缓冲底座的设计。经试验和应用证明，基本消除了火箭发射时的冲击力对火箭发射架部件造成的损坏，达到了设计目的，具有较高的实用价值，本设计已获国家实用新型专利。

[1]杨炳华，魏旭辉，王星钧，新疆人工增雨防雹作业装备使用与维护[M].北京：气象出版社，2014.

[2]陈光学，王铮.人工影响天气作业方法及设备[M].北京：中国宇航出版社，2002.

[3]章澄昌，许焕斌，段英.人工影响天气岗位培训教材[M].北京：气象出版社，2003.

[4]QX/T99-2008，增雨防雹火箭作业系统安全操作规范[S].

[5]杨炳华，魏旭辉，喻箭，等.人工增雨防雹火箭发射架地面缓冲底座[P].中国专利：CN204128438U，2015-01-28.