再入环境测量火箭测试平台总体设计与关键技术(2)

火箭测试平台头体分离后，载荷段作惯性再入飞行。载荷段采用球锥外形，球头半径为SR25 mm，载荷段底径与发动机直径保持一致，为φ300 mm，载荷段总长约916 mm。

尾翼用于提高全弹主动段与分离前无控段的飞行稳定性。尾翼采用梯形尾翼，4 片尾翼呈“×”形布置在发动机尾部，半展长280 mm，根弦长540 mm，稍弦长300 mm，后掠角为40.6°。

通过模型风洞实验分别获取了载荷段和全弹的气动特性参数，包括阻力系数、升力系数、压心系数、俯仰力矩系数、轴向力系数、法向力系数、底阻系数等随马赫数和攻角的变化情况，为方案弹道设计提供实测的数据支撑。

2.3 方案弹道

飞行试验弹道分为主动段、惯性段和载荷飞行段。飞行方案弹道设计主要考虑模拟载荷段再入环境特征的需要，满足落地最大速度的要求，设计的飞行方案弹道特征如下所述。

1）主动段：发动机点火至关机。全弹在稳定尾翼作用下保持稳定飞行。

2）惯性段：发动机关机至头体分离。火箭测试平台作无控惯性飞行，程序控制系统根据高度及延时信号给出弹体分离信号，头体连接处的爆炸螺栓解锁，在弹簧作用下产生相对分离速度，实现载荷段与弹体分离。

3）载荷段飞行段：头体分离，载荷段依靠惯性继续上升到顶点后惯性再入，直至载荷段触地。

根据火箭测试平台发动机参数、全弹质量分布特性和全弹气动参数，对弹道进行了设计与分析。方案弹道需要满足落地速度不小于2 Ma 要求，以提供预期的再入力学响应测试环境，方案弹道初步设计结果如图2 所示。其中，主要的弹道特征参数：射角为80°；射程为125 km，最大飞行高度为120 km；发动机点火6.40 s 后关机，73.23 s 分离，分离点高度为70 km；全程飞行时间约324 s；再入20 km 高度时，速度为1355.6 m/s，倾角为-74.24°；落地点速度为934 m/s，倾角为-76.41°。

另外对方案弹道进行了阻力系数和推力的拉偏仿真计算和分析，结果表明，推力拉偏在2%或阻力系数拉偏在5%范围内，落地马赫数满足指标要求。

图2 飞行试验方 Ballistic trajectory of flight test:a) velocity-time;b) axial overload-time;c) altitude-time;d) range-time

2.4 防热设计

随着距载荷段顶点距离的增大，外壁面热流将逐渐降低，内外壁面温度也将逐渐降低。因此，气动热及结构热响应计算中，对距离顶点最近的脉动压力传感器安装位置的温度变化进行了估算，其轴向距离为300 mm。

由于飞行过程中需要保持载荷段气动外形的绝对完好，因此没有采用外部防热层的技术方案，而是采用整体被动热沉式防热。根据内部预留的安装空间，若锥段壳体厚度设计为20 mm 时，对于铝合金材料，外壁面最大温度超过200 ℃，特别是拉偏弹道情况下，将达到228 ℃，温度较高。同时，内壁面温度长时间大于140 ℃，可能导致内部电子器件无法正常工作。对于钢材料，拉偏弹道情况下外壁面的最大温度为191 ℃。虽然内壁面温度在最后短时间超过100 ℃，但内壁面温度长时间保持在90 ℃左右，可以满足使用要求。因此，选择合金钢作为载荷段壳体材料。针对拉偏弹道内壁面温度最后短时间超过100 ℃的问题，采用增加隔热材料及高反射率材料的方式进行改善。采取在内壁面粘贴聚乙酰亚胺泡沫作为隔热层的措施，厚度为2 mm。

通过载荷段高温试验，模拟载荷段再入时的气动加热历程，验证了载荷段防热方案的有效性。试验结果表明，采取的防热措施能够有效实现各项温度指标要求，试验过程如图3 所示。试验中采用矩阵式石英灯对载荷段模拟气动热功率进行了加热，得到了载荷段内外壁面的温度响应随时间变化的关系，与计算结果一致性较好。

图3 载荷段高温试验Fig.3 High temperature test of warhead

2.5 载荷段设计

载荷段是再入力学环境测试试验的重要测试结构，且搭载了再入环境测试系统、弹道测试回收系统和电源。载荷段壳体上根据再入环境测试方案布置有各种规格的脉动压力传感器、时均压力传感器和温度传感器共68 个和2 个GPS 天线，载荷段内还布置有硬回收记录仪、脉动压力信号采编器、温度信号采编器、振动信号采编器、弹道测试仪、电源等仪器设备及其电缆。

载荷段结构主要由端头、左右壳体和各安装板组成。其中端头材料为钨渗铜，主要作用是防热及调节载荷舱质心。为便于数量众多的传感器和内部组件的安装，壳体采用两半对开式结构，先分别将组件安装在壳体上，再将两半壳总装对接。为了防热考虑，左壳体和右壳体选用的材料为合金钢，主要作用是安装各测试传感器、GPS 天线并保持气动外形。通过在传感器与壳体内壁面的接触面上配装不同厚度的铜垫片来调整传感器凸出或凹陷壳体外壁面的距离，以满足技术指标中凸起或凹陷不大于0.12 mm的要求。

文章来源：《分析测试技术与仪器》 网址: http://www.fxcsjsyyq.cn/qikandaodu/2021/0616/720.html