一种新的飞行器运输振动负荷确定方法浅探

佟向鹏 何绪龙

(1.海军装备部驻北京地区第一军事代表室，北京 100076；2.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

1 引 言

在飞行器研制过程中，要通过公路、铁路等方式运往试验基地进行靶场飞行试验，运输之前设计部门在设计文件中会对运输道路的等级、运输状态(行进速度、运输时间长度、振动负荷范围等)作出明确规定，然后先进行运输试验，有了明确的试验结论之后，才能运输飞行器本体。

2 飞行器实物运输试验面临的问题

飞行器状态鉴定完毕并列入部队装备计划之后，要在研制与生产单位的总装与测试厂房实施总装与出厂测试，测试合格后通过公路、铁路等方式运往基层部队投入使用。在向基层部队运输过程中，增加了运输持续时间和新的运输状态。

在飞行器研制阶段初始技术文件中，存在振动强度测试时未考虑运输时间加长的可能性；同时，也存在导弹在沿新路线运输过程中，对途中产生振动负荷特点研究不充分的可能性。因此，已取得靶场飞行试验成功的飞行器，在向基层部队运输时，是否还需要增加运输振动冲击试验，成为迫切需要思考并加以解决的问题。该问题的出现，导致研制与生产单位和部队面临两难的局面：一是增加附加试验的情况下，需要再次开展大量试验工作，并需要专用经费支撑；二是已经在靶场试验成功的飞行器，在具备列装、使用条件的情况下，增加附加试验时可能发生损坏。

3 采用等比模型开展替代试验的方法探讨

针对上述问题，本文提出一种解决问题的方法，即比较分析法。以飞行器及等比模型运往试验靶场过程的测量记录为基础，推断出运往基层部队时振动负荷条件。采用该方法，既能够直观反映出向试验靶场运输时负荷状态的特点，又能通过采用新的测量设备和测量结果处理方法，与以往测量振动负荷状态的记录进行比较，验证新方法合理性的同时，为证实大型飞行器是否满足运往基层部队时的振动负荷条件提供理论及试验数据支撑。

实物试验能够直接测量出公路或铁路运输时振动状态，为向基层部队运输面临不同的运输方式、不同的运输路线，乃至不同型号产品时，适应性改进有关技术状态提供依据。但因为试验的特殊性，建议可以针对已经成功完成飞行试验的飞行器开展前期的试验摸索[1]，因其具备比较详尽的试验数据库，且道路运输特点比较明确，从而容易确定试验状态并利于试验数据分析比对[2]。

试验中，可以把已经定型的或正在研制的飞行器的等比模型装进标准贮运箱，代替飞行器实物开展运输试验。运输过程中，在贮运箱中既要测量架车或支架支撑截面输入加速度a1、a2…的同时，也要测出等比模型弹的输出加速度a1′、a2′…，如图1所示。

图1 试验示意图

在运输试验过程中，应完整记录架车或支架支撑截面及等比模型上安放的传感器输出的振动冲击数据，从而为原理分析和试验状态比对提供充分的数据支撑，示意图见图2。这些数据包含等比模型对振动的衰减特征、力的相互作用特征，以及振幅、频率、分布、相位等关系，从而为实物运输和理论分析中被试对象的输入(在支承截面上)和输出(等比模型上)振动冲击进行比较分析，进而验证动态计算模型的正确性提供数据支撑。

图2 数据采集比对示意图

4 确定运输振动负荷的关注点

开展上述试验的主要目的，主要是得到向基层部队运输时飞行器承受的振动冲击数据，通过对这些数据进行数学仿真等理论分析，进而验证飞行器的适应能力，为飞行器在实际发射阵位使用并做出可以进行飞行试验决策提供理论及试验支持。

上述目的决定了试验中，应以正式的设计文件规定等比模型的组成、结构和布局，并按设计文件制造、安装配重，从而真实反映飞行器上各类仪器(仪表、机构、装置和电缆系统等)的真实状态，模型的尺寸、质量、质心位置、固定节点和强度指标基本与实物保持一致，这些对于设计和生产单位来说都比较容易实现。传感器在被试对象含等比模型及支架上的安装位置，应充分考虑试验状态特点，以及按输入——输出系统完成振动数据监测的需求。此外，应该注意的是，实物运输及试验室振动试验过程中，架车或支架支撑截面以及等比模型上传感器安放位置保持一致，从而保证被测数据采集状态的一致性，真实反映不同试验状态下振动冲击的真实区别。

如果同一个等比模型在试验过程中受到长时间的“运输”振动冲击作用，留存的试验记录可以作为寿命试验的重要参考。因此，在记录振动冲击负荷过程期间，应定期监测等比模型的状态，尽早发现是否出现损坏、裂缝等情况。建议在每一个阶段运输试验后，详细察看等比模型并监测其状态。在发现损伤时及时针对相关区域，利用有限元分析等手段，将过载过程体现到应力转换过程，从而根据试验结果分析出运输过程对飞行器强度寿命的影响。

上文等比模型替代试验仅表述了原理性的方法，实际试验中要充分解决下面一系列基础性问题，从而保证试验数据的全面性和准确性：

(1)要采集的数据涉及架车或支架支撑面、贮运箱与运输车辆锁接位置、等比模型外壁及内部关键配重等多个位置振动冲击的试验数据[3]；

(2)确定在公路或铁路运输过程中，不同道路状态下振动过程的特征(如谱密度、均方值、概率积分函数、三轴振动冲击频率分布情况等)；

(3)把理论分析得出的振动加速度，与等比模型实物运输时得到的试验振动数据比较分析，验证有限元模型的正确性；

(4)根据道路运输时对等比模型的测量结果，使用有限元法分析确定架车或支架支撑面的输入振动冲击与等比模型上输出振动冲击之间的关系；

(5)用等比模型实物运输时测到的振动冲击激励飞行器理论模型，分析应力—应变状态，优化提高设计强度。

要想让试验数据有效发挥作用，有条件情况下还应在试验后及时做好以下工作：

(1)用测量的振动数据对被试对象的运动学负荷条件数学仿真结果进行概率—统计分析；

(2)做好飞行器实物道路运输及仿真实验数据与等比模型试验数据的比较分析；

(3)等比模型试验后与飞行器实际交付基层使用部队实物运输时的受损性比较分析；

(4)对道路运输时采集的、理论分析的、实验室条件下仿真试验取得的振动冲击数据进行比较分析，从而确定修正关系，并为后续修订实验室仿真分析模型提供支撑。

将上述问题解决后，可以充分利用试验数据，制定飞行器道路运输到试验靶场、基层使用部队时负荷比较分析的准则；确定静态强度计算的标准，即试验中纵向、垂向和侧向的振动冲击统计数据，以及进行振动冲击试验的标准状态；通过试验数据，对飞行器负荷条件与应力状态进行数学仿真，优化完善飞行器结构设计，以保证产品交付基层使用部队使用时具有足够的抗冲击能力。

5 结束语

上述试验基本能仿真飞行器道路运输的实际状态，但在飞行器产品运输时，进一步确定真实振动冲击状态，将为提高后续设计能力和仿真试验效果起到极为重要的作用。基于此，建议关注重点如下：

(1)已定型的飞行器长时期内还将在靶场进行抽检飞行试验。因此向试验靶场运输飞行器时，如能详细测量实际的负荷状态，将对完善振动冲击试验方法起到有效的促进作用。通过长期监测，可对道路运输状态有详尽的了解，发现公路或铁路沿线的复杂路况，进而能够给出沿这些路线高速运输状态的建议；

(2)根据向试验靶场和基层部队实物运输试验的结果，将得到极值冲击数据，为飞行器设计结构承力件和相关搭载设备时提供参考。以往技术人员在设计飞行器时，只能通过参考一系列标准文件内明确的极值过载数据，如铁路运输时纵向过载为3g，安全系数取2等，而在充分做好实物运输试验并积累丰富的数据后，以此为支撑，可以有依据、科学量化地针对飞行器运输目的地，确定并设计“运输”过载能力；

(3)将准确确定从某一个基地发射的飞行器的振动试验状态(过载水平及作用时间)，并用以修正试验室条件下振动运输试验的状态与时间长度，提高运输试验水平和有效性。