人工增雨防雹火箭发射装置地面减振基座的设计*

□晏军

新疆人工影响天气办公室 乌鲁木齐 830002

1 研究背景

人工增雨防雹火箭发射装置主要用于人工增雨和防雹催化作业，所使用的火箭虽然没有军工火箭那样高的精确度和威力，但是火箭的内部结构却近似于军工产品。

当前，人工影响天气行业的火箭发射装置主要有车载式和固定式两种型式。车载式火箭发射装置以汽车车厢为作业平台，当火箭发射时，所产生的冲击力会被车辆轮胎和减振钢板系统等部件吸收和释放，因此，对车体结构基本不构成硬性损害。固定式火箭发射装置直接安装在固定于硬性水泥地面的基座上，在整个作业过程中，固定基座所承受的振动和冲击力只能通过刚性释放，从而严重危及到作业的安全性，会导致发射装置过早损坏。为了弥补现有固定基座的设计缺陷，笔者利用减振阻尼原理设计了一种具有吸能减振功能的新型地面减振基座。应用这一基座，可以有效降低和缓解火箭发射时对发射装置所产生的振动与冲击能量，从而大大提高设备的使用寿命，降低因振动所引发的故障率［1-8］。

2 火箭发射时动能

火箭发射时在轨道中滑行时间t、出轨时速度vt和加速度a的公式为：

式中：s为轨道长度；v0为火箭初速度；m为火箭质量；F为火箭推力。

由于火箭在导轨上出膛滑行的速度极快，因此可以忽略推进剂的消耗因素，将s=1.74 m、v0=0、m=8.3 kg、vt=40 m/s 代入式（1）～式（3），计算得 a=460 m/s2，t=0.087 s，F=3 818 N。

当火箭架轨道过长时，火箭在发射过程中会对架体产生振动与冲击力，导致架体不稳且上下晃动。当轨道长度小于弹体长度时，不利于火箭出膛时所需的定向滑行稳定性。只有当导轨总长度大于火箭长度（1 450 m）300 mm左右时，才能保证火箭出膛时所需的定向滑行稳定性。

3 发射装置受力分析

火箭发射时产生的后坐力，是导致火箭发射装置受到振动和冲击的主要原因，火箭有大、中、小三种类型，不同类型的火箭，发射所引起的振动与冲击力也各不相同。中火箭和小火箭无论是在体积、质量，还是在火药推进等方面都远不如大火箭，笔者选取98型火箭作为研究对象［9］。

根据作用力与反作用力原理可知，火箭发射时的推进力是对发射装置产生后坐力的主要原因。由于火箭的轨道很短，出膛滑行速度又极快，因此摩擦力基本可以忽略不计。

根据前文有F=3 818 N，发射装置受竖直向上的力FV=Fsin70°=6 477 N，受水平方向的力FH=Fcos70°=3 610 N， 如图 1所示。

▲图1 火箭发射装置受力分析

火箭发射装置受到竖直方向的后坐力远大于水平方向受到的后坐力，由于所受到的振动和冲击只能通过固定基座来进行刚性释放，久而久之会严重影响发射装置的稳定性和使用寿命，因此有必要对发射装置进行吸能减振方面的研究和改进。

4 减振基座的设计

4.1 设计思路

由于多弹型火箭发射架在结构强度和稳定性方面都已达到了合理状态，因此不宜再对结构进行改动。在不改动发射装置整机结构和强度的前提下，通过采用阻尼减振技术，使发射装置受到的振动和瞬间冲击力尽可能地被吸收和消耗在基座阻尼层，进而使发射装置结构迅速恢复到稳定状态，从而有效消除和降 低火箭发射时所带来的振动和冲击危害，避免发射装置因动应力的刚性释放而产生结构性破坏和零部件磨损［9-11］。

4.2 减振弹簧

减振弹簧具有噪声低、隔振和稳定性好、使用寿命长等优点，已广泛应用于缓冲减振设备和作业工具中。发射装置同样采用减振弹簧技术进行设计。由于火箭在发射时产生的后坐力在发射装置上可以分解为竖直和水平两个方向的力，因此采取上下两组压缩弹簧的优化组合设计，对发射装置进行吸能和减振。上部压簧主要起吸收和消除向下后坐力的作用，下部压簧主要吸收在反作用力下产生的向上拉力。通过减振弹簧设计，可以有效消除和减小火箭发射时所带来的冲击力。

假设当前作业火箭发射角度为70°，当上下两组压簧压缩量为5 mm时，根据胡克定律，有：

式中：Ft为弹簧弹力；k为弹簧的刚度系数；x为弹簧的伸缩量。

可得上部压簧产生的压力Fta=7 595 N，下部压簧产生的压力Ftb=8 820 N，均大于FV。减振弹簧结构如图2所示。

▲图2 减振弹簧结构

由此可见，上下两组压簧的弹力完全可以吸收火箭发射时发射装置产生的振动和冲击力。考虑到发射装置本身质量已达150 kg，且发射装置可以360°全方位旋转作业，因此在选材时选取弹簧节距≥5 mm的减振弹簧作为阻尼器，分别安装在正方形基座的4个边角处，起到对发射装置作业时平衡稳定和缓冲减振的作用。

4.3 减振基座框架

减振基座的上框架部分选用3 mm厚扁钢材料焊接而成，4条边分别留有M12的螺栓连接孔，用于将发射装置和减振基座连接为一体。在方形框架上部的4个下表面位置焊接4根连接螺杆的压簧限位座，如图3所示。

4.4 减振基座的安装

预先将框架底部的4个底脚螺栓固定预埋在平整的混凝土地面之中，再分别将压簧限位座安装于基座中部框架上表面与下表面的四根压簧位置处。上部的4根连接螺杆分别由上至下穿过上部压簧、中部框架孔和下部压簧，并用M16螺母进行紧固，如图4所示。

为了避免压簧自由行程过大而产生晃动，限位座的外径仅比压簧的内径大1 mm。连接螺杆上的螺母可用于调整各压簧之间的自由行程，使减振基座的受力点均匀地分布在中部框架的4个边角处。通过上下两组8根不同作用方向的减振弹簧，有效地缓冲和吸收火箭发射时给发射装置造成的振动与冲击。为了避免火箭发射时喷射气流所造成的影响，要求地面发射基座离地高度不应低于0.45 m，发射场地面应干净平整，不能有沙石等颗粒物。火箭发射地面减振基座如图5所示。

▲图3 减振基座框架结构

▲图4 减振基座安装示意图

▲图5 火箭发射装置地面减振基座

5 结束语

利用减振阻尼原理设计了新型人工增雨防雹火箭发射装置地面减振基座，能够有效降低和消除火箭发射时对发射装置造成的振动与冲击力，达到了预期的目的和设计效果，提高了火箭发射装置的使用寿命，在人工增雨防雹行业中具有很高的实用价值。这一地面减振基座已经获得国家实用新型专利，专利号CN201420523791.1。

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