一种减速系统的设计与试验研究

廖红强， 廖明建， 闫茂振， 陈强洪， 姜日红

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621999）

0 引言

某飞行器在飞行末段需要通过其减速系统实现减速目标，该减速系统最终通过减速伞实现减速。要发挥减速伞的减速功能，就必须将其从飞行器内释放，并利用高速气流的作用打开，而减速伞的成功释放则需要设计一套有效、可靠的控制系统来实现。考虑该应用对象的特殊性，人工降落伞、空投物资用减速伞等的工作原理均不适用，因此，需要基于该飞行器的具体要求进行开发设计。

针对上述需求，基于弹射引导伞牵引减速伞的基本原理，研制了一套控制减速伞从飞行器中释放的弹射控制系统，结合减速伞安装空间及减速系统在飞行器中的连接结构设计，研制了一种适用于该飞行器的减速系统。本文拟从设计要求分析、总体设计方案、关键技术分析及试验研究情况四个方面进行阐述。

1 设计要求

根据飞行器的要求与具体状态，对减速系统提出以下设计要求：1）在将减速伞从飞行器中释放出来之前，应保证减速伞能安装于飞行器中限定空间内，并且能可靠约束；2）要求能通过飞行器提供的电信号或者机械信号启动减速系统；3）减速系统启动后，要求能够通过机械传动方式控制减速伞的释放。

2 总体设计方案

2.1 总体结构与组成

减速系统主要由伞仓体、伞仓盖、弹射机构（固连于伞仓盖上）、卡爪、顶紧螺钉、扭簧、箍紧绳、切割器、挂伞轴及其支架等零部件组成，其总体结构与组成如图1所示。其中箍紧绳由钢丝绳和螺纹接头组成，其结构与组成如图2所示。伞仓体、伞仓盖、支架等形成减速伞安装空间，伞仓体与伞仓盖之间为止口连接。减速伞通过挂伞轴实现与减速系统连接。弹射机构为一个弹簧系统，用于实现伞仓盖在约束解除后向外弹射。卡爪用于在箍紧绳作用下对伞仓盖进行约束。扭簧用于实现卡爪在约束解除后复位。顶紧螺钉用于实现伞仓盖与伞仓体止口连接的轴向顶紧调节。箍紧绳两端带有螺纹接头，长度可在一定范围调节，用于实现对卡爪的约束。切割器用于切断箍紧绳，实现减速系统初始动作的控制。拉绳用于拉力启动切割器。

图1 减速系统总体结构与组成示意图

图2 箍紧绳结构与组成示意图

伞仓体为一端开敞的筒状结构，具有较好的强度、刚度及减速伞收纳能力；伞仓盖为带有浅止口的圆板结构，质量较小，有助于实现引导伞功能，结构简洁，加工与装配方便；卡爪为铰链加F形结构，铰链结构便于转动，F形爪头结构能够实现对伞仓盖卡位与对自身限位双重功能；挂伞轴与其支架为轴孔配合加螺纹连接结构，可实现对减速伞的牢固连接，且加工与装配方便。

2.2 系统动作过程

图3 减速系统动作时序图

减速系统的动作时序如图3所示。当飞行器运动到预定时刻，向减速系统输出拉力信号作用于切割器上，启动切割器；切割器动作，切断箍紧绳；箍紧绳断开，解除对卡爪的约束；卡爪失去约束后在扭簧回复力作用下复位，解除对伞仓盖的约束；伞仓盖失去约束后在弹射机构作用下向外弹出；伞仓盖弹出伞仓体后，安装于伞仓盖上的引导伞在气流作用下打开，产生较大气动力，将减速伞从伞仓中拉出；最终减速伞在气流作用下打开，产生气动阻力，实现整个飞行器的减速。

3 关键技术分析

3.1 切割器选型与可靠性设计

在图3所示动作时序中，切割器能否可靠动作是后续动作的必要前提，对减速系统能否实现预定功能起着决定作用。对此，一方面要求所选切割器本身具有高可靠性；另一方面针对切断箍紧绳动作，采取2个切割器并联的工作模式，提高可靠性设计，如图1所示，保证只要任何1个切割器动作均能完成切断箍紧绳动作，实现要求的功能。

3.2 扭簧合理机械复位设计

扭簧是使卡爪复位以解除对伞仓盖约束的关键零件。卡爪在箍紧绳切断后，主要承受扭簧产生的回复力和弹射机构推动伞仓盖作用在卡爪上的推力。所受推力将产生卡爪与伞仓盖接触面间的摩擦力，阻碍卡爪的复位运动。如果扭簧提供的回复力不足，将导致无法有效复位或者卡爪的复位运动与伞仓盖的向外弹射运动随动。因此扭簧的设计首先要考虑能提供足够回复力，使卡爪能按要求复位而不发生随动现象。对此要求卡爪复位运动时间小于伞仓盖上弹射机构响应时间20～200ms，其验证计算如下：

图4 卡爪运动分析示意图

卡爪运动分析如图4所示。由图4可知，如果卡爪在扭簧预压力作用下，在很短时间变加速转动角度对应的轴向距离始终大于伞仓盖在弹射机构作用下在相同时间变加速近似直线运动的距离，直至卡爪脱离伞仓盖外圆边界，或者卡爪在扭簧预压力作用下复位所用时间小于弹射机构响应时间，那么卡爪可有效成功解除对伞仓盖的约束，使弹射机构有效发挥作用。

从机械设计手册［1］查得卡爪与伞仓盖之间摩擦因数，结合弹射装置的预压力、机械控制系统几何尺寸等数据，计算得扭簧需提供最小初始扭矩约为：T0=0.809 N·m，已知卡爪转动惯量JZ=1.618×10-5kg·m2，由此计算得出卡爪转动的初始角加速度 αZ0＝T0/JZ=5.0×104rad/s2。

卡爪以初始角加速度αZ0从静止开始变加速转动18°所需时间按匀加速估算如下0.314rad，因此得出：t≈3.6 ms。

该值小于伞仓盖上弹射机构的响应时间20～200 ms，因此，所设计扭簧提供的回复力矩只要大于T0即可实现伞仓盖的成功弹射。

另一方面，基于卡爪连接结构及伞仓体强度等考虑，扭簧提供的回复力不宜过大，否则可能造成卡爪复位后回弹，对伞仓盖再次产生约束造成弹射失败，或者可能造成卡爪连接结构或伞仓体的冲击破坏。

综合以上各种约束，按照弹簧手册［2］进行设计计算，得到的扭簧参数见表1。

表1 扭簧基本参数表

4 试验研究

根据真实工况设计了两类地面试验对工作过程进行模拟验证，以研究该设计方案的可行性及可靠性。一类为人工手动剪断箍紧绳的原理可行性考察试验，另一类为模拟真实状态切割器切断箍紧绳的方案验证及可靠性研究试验。两类试验共进行了6轮，均获得了圆满成功，伞仓盖全部成功地以一定速度弹出伞仓体。其中一轮第二类试验的高速摄影情况如图5所示。

除以上两类近似模拟的试验外，还开展了模拟空中飞行真实气动环境的火箭撬试验对该设计方案进行进一步考核验证，试验获得圆满成功，伞仓盖成功在预定时刻弹出，减速伞成功打开。

试验研究结果表明，切割器、扭簧、箍紧绳、卡爪等主要功能零部件均能实现预定功能，均能按预定时序可靠动作，所设计扭簧能在弹射机构响应前完成卡爪复位动作，不会造成卡爪与伞仓体上的连接结构冲击破坏等不良后果。

图5 方案验证试验高速摄影情况

5 结论

1）针对某飞行器的减速要求及其无法采用现有人工降落伞等开伞方案的实际情况，设计研究了一套减速系统。

2）通过设计计算进行了关键零部件切割器的设计与选型，分析与计算了扭簧的设计约束，计算得出了扭簧的规格及基本参数。

3）对设计方案的可行性与可靠性进行了试验验证，结果表明方案满足设计要求，能够成功实现释放减速伞进行减速的功能。

［参考文献］

［1］徐灏.机械设计手册：第1卷［M］.北京：机械工业出版社，1991：7-18.

［2］张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册［M］.北京：机械工业出版社，2006：259-270.