新一代运载火箭整体起竖系统对地载荷研究

常 娟，徐 华，徐耀钟，卿子友



新一代运载火箭整体起竖系统对地载荷研究

常 娟1，徐 华1，徐耀钟2，卿子友1

（1. 上海宇航系统工程研究所，上海，201108；2. 上海航天设备制造总厂，上海，200245）

为保障新一代运载火箭快速发射的安全性，需对湿陷性黄土场区内预设起竖系统固定设施对地载荷进行研究。采用解析法建立力学模型，推导出起竖系统在不同风载作用下起竖全过程中的对地载荷。通过压力监测装置采集到起竖过程油缸内腔压力，用以计算油缸实际受力曲线，该曲线与理论数据非常接近，变化趋势一致，从而验证计算模型的正确性，可作为发射场坪选取、建设的依据。

运载火箭；整体起竖；载荷分析

0 引 言

新一代运载火箭采用整体起竖的方式落于发射台，起竖系统的关键部件起竖油缸和翻转对接装置预先固定于发射场，支座与地基预埋钢板通过焊接方式固定，起竖全过程中的拉力、压力和剪切力通过焊缝传递给地基。地基及焊缝能否承受起竖过程各种载荷，成为影响系统成败及安全的关键问题。

发射场区为湿陷性黄土地区，黄土本身存在水敏性、大孔性等多种工程病害，易出现由不均匀沉降、裂缝、负摩擦力作用引起的变形和破坏等多方面的问题，湿陷性黄土在遇水浸湿后，出现结构迅速破坏，发生突然的下沉变形，强度也随之大幅下降，具有极大的危害性[1]。而以快速、反复起竖回倒为基本任务的起竖系统，随着起竖过程质心的变化，以及每次起竖承担的载荷类型不同，引起地基动力响应的不断改变，经过长时间的累积，会出现疲劳、变形等现象，造成重大的安全隐患。由于黄土的工程性质和起竖系统的工况非常复杂，将起竖系统固定设施预置于场地，可供借鉴的研究成果和工程经验不足，因此，系统对地荷载的准确研究，对于确定地基施工指标、处理方案的选择有重要的指导意义。

本文通过解析法[2]研究起竖过程的载荷，分解出对地载荷极值，为发射场坪选取、建设提供依据。

1 起竖过程受力分析

1.1 产品状态

运载火箭整体起竖状态如图1所示。由图1可知，火箭整体起竖时起竖架与翻转对接装置紧固，箭体等固定于起竖架上，通过2根起竖油缸的伸出、翻转对接装置绕旋转耳轴转动，使箭体整体起竖落台。其中，起竖油缸下支座、翻转对接装置均固定于阵地。

图1 起竖产品状态

1.2 起竖机构受力分析

图2为对起竖机构进行受力分析[3~8]。在起竖架绕旋转耳轴转动角的过程中，作用在起竖机构上的力矩主要包括：箭体和起竖架的重力矩、作用在箭体表面的风载力矩和起竖油缸伸出时的推力力矩。在起竖过程中往往需要考虑顺风、无风、逆风3种情况。由于液压油缸伸出时摩擦力较小，起竖过程平稳速度较慢，惯性力也较小，因此这2种力都不考虑。坐标设置为以旋转耳轴为圆心，沿箭体纵向向前为正向，竖直向上为正向。油缸载荷受压为正，受拉为负。

图2 起竖机构受力示意

a）起竖过程起竖油缸受力计算。

当起竖至角度时，起竖上支点位置:

（2）

起竖油缸力力臂为

起竖油缸力为

（5）

b）起竖油缸支点载荷。

（8）

c）旋转耳轴支点载荷。

（10）

联立式（7）~式（10），可求出起竖过程中油缸下支座、旋转耳轴所受的力，即为传递给地基的力。

2 起竖过程对地荷载计算

依据输入参数，考虑顺风、无风、逆风起竖3种情况（风向与起竖平面平行），计算结果如图3所示，起竖过程理论计算最大值见表1。

图3 起竖油缸载荷

表1 起竖过程载荷理论计算最大值 单位：kN

若风向与起竖平面垂直，即受到侧向风载作用时，分析起竖角为0°和90°两种极限工况：

a）起竖角为90°时，用竖立风载引起的尾端弯矩830 kN·m进行计算（等效均匀风场为32 m/s），油缸耳轴和旋转支座耳轴共同承担横向风载弯矩，则相对无风受力计算最大增加压力111 kN。起竖角为90°时，油缸支座受拉力，旋转耳轴支座受压力，考虑横向风载后，旋转耳轴地基最大压力为623+111=734 kN，小于表1中最大计算值812 kN。

b）起竖角为0°时，22.5 m/s2的均匀风场，产生的风载为37.7 kN，引起弯矩为92.5 kN·m，油缸耳轴和旋转支座耳轴共同承担横向风载弯矩，则相对无风受力计算最大增加压力为25 kN。起竖角为0°时，油缸支座受压力，旋转耳轴支座受拉力，考虑横向风载后，油缸支座地基最大压力为1001+25=1026 kN，小于表1中最大计算值1048 kN。

由上述分析可知，极限工况下，起竖系统在风向与起竖平面平行时受到的载荷大于风向与起竖平面垂直时的载荷，因此仅考虑平行风即可。

综上，通过油缸及旋转耳轴受力分析，得到的地基载荷极值如表2所示。

表2 起竖过程最大地基荷载 单位：kN

3 发射场地基处理方案

通过分析，地基交错承受压力、拉力，并随风向的变化、承受剪力的方向变化，且载荷较大。为高效安全地处理地基，采用强夯法对地基进行施工处理，依据初始确定的参数指标，在施工现场进行试夯，然后对夯前和夯后的相关数据进行对比分析，检验强夯的效果，并且根据分析的结果调整地基承载能力特征值不低于250 kPa，消除全部湿陷性。采用桩基法对其加固处理，成桩材料为3∶7灰土，成孔直径500 mm，成桩直径700 mm，采用等边三角形梅花布桩，孔底标高-28 m，桩尖进入粉土层不小于1 m，有效控制地基的沉降，增强地基的承载力。

4 起竖过程实际载荷测试结果分析

根据分析结果，完成起竖系统地基的建造，将预设地面设施与地基进行焊接后，对起竖过程进行现场测试。由于地基载荷无法直接测量，通过对起竖油缸腔内压力测量，计算出油缸受力，将油缸实际受力情况与理论计算情况对比，即可判断地基处的载荷情况。

起竖油缸采用双级油缸的形式，一级油缸有杆腔（B腔）的面积为0.028 m2，无杆腔（A腔）的面积为0.113 m2；二级油缸有杆腔（B腔）的面积为0.024 m2，无杆腔（A腔）的面积为0.049 m2。以活塞杆为受力对象，可得：

产品的起竖情况如图4所示。试验过程中，选用压力传感器获取油缸压力值，如图5所示。通过式（11）将压力转化为油缸推力后的实际载荷如图6所示，与图3逆风起竖载荷符合较好。

该地基完工后的3年内，在任务执行前后均对地基外观进行检查，对焊缝进行着色检查，状态良好，无沉降、变形等。

图4 产品起竖现场

图5 起竖过程油缸实测压力值

图6 起竖过程油缸实际载荷

5 结 论

本文通过解析法对运载火箭整体起竖过程各工况的力学性能进行分析，建立力学模型，得到理论数据，并通过数据采集装置得到实际起竖过程中油缸各腔的压力数据。通过对比分析，实测数据与理论数据非常接近，变化趋势一致，从而验证计算模型的正确性；通过持续的测试，验证了在该技术指标指导下，地基处理方案的正确性，从而验证了将地基承载趋势和极值作为地基设计及处理方案选择的依据的可行性。

[1] 李红娜. 水力施工中软土地基处理技术分析[J]. 黑龙江水利科技, 2014(6): 146-148.

[2] 张胜三. 导弹发射车起竖机构分析[J]. 导弹与航天运载技术, 1996(1): 16-26.

[3] 程洪杰, 钱志博, 赵媛, 等. 导弹起竖过程中的对地荷载研究[J]. 兵工自动化, 2011, 9(11): 5-7, 23.

[4] 绍徉. 导弹发射车起竖工况力学特性分析[J]. 导弹与航天运载技术, 1995(5): 33-39.

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[6] 姚晓光, 等. 导弹起竖过程载荷研究[J]. 兵工学报, 2008(6): 80-84.

[7] 谢建, 等. 导弹起竖过程中的风载荷研究[J]. 战术导弹, 2009(6):15-18.

[8] 程洪杰, 等. 导弹无依托发射场坪承载能力分析[J]. 起重机械, 2011(12): 53-57.

Study on the Load to Ground on the New Generation Launch VehicleErection Process

Chang Juan1, Xu Hua1,Xu Yao-zhong2, Qing Zi-you1

(1. Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai, 201108 ; 2. Aerospace Equipments Manufacturer Shanghai, Shanghai, 200245)

To safeguard the security of the new generation launch vehicle speedy emission, the load to ground in the orthogonal experiment coverage was studied. The mechanics model was formulated by the analytical method, and the load to ground in erecting process was calculated while the influence of wind load was considered, hydraulic cylinders’ pressure parameter was yielded through using pressure data acquisition system, and the data acquisition result is analyzed with real measuring data. The analyzed result showed that amplitude and variation trend of the force were in well match with theoretical calculation results, and the computation result was rational, which offerring references to selecting and building of launching site.

Launch vehicle; Erection; Load analysis

1004-7182(2016)03-0036-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160309

V554+.2

A

2015-11-12；

2015-12-30

常 娟（1983-），女，工程师，主要研究方向为运载火箭总体地面设计