超音速火箭滑车-索道动态耦合机理研究

Rocket sled-ropeway system is a type of flying facilities close to ground,which slides along tensed ropes with supersonic velocity powered by rocket motors. This project adopts theoretical, numerical and experimental methods to gain the dynamical characters of supersonic sled-ropes. The sled-ropes coupled multi-degrees dynamics equations will be deduced and solved by Hamilton priciple,Galerking discrete method and Newmark algorithm. The three-dimensional numerical coupled dynamics simulation will be carried out by explicit finite element and computational fluid dynamics methods. The small scale physical models will be designed and their responses will be tested.The influences of dynamics parameters to system response will be analyzed and the rope wear break criterion acted by moving loads will be esptablished. Theroretical, numerical and experimental results will be verified by each others, which may expose the supersonic rocket sled-ropeway coupling mechanism and reslove multi-degrees nonlinear dynamics problems such as the motor thrust, aerodynamic, impact friction and ground random wind forces applied on sled and the ropes elongation, surge,ablation, and break-out under the sled's action. These investigation achievements can enrich the mechanical system dynamics and promote the ultra-speed machines to be applied in aviation, aerospace, ship, weapon, tour, mine, forest, transport and etc. industries.

火箭滑车-索道系统是采用火箭发动机作为动力，推动车体沿张紧索道超音速滑行的近地面高速飞行机械设备。本项目采用理论分析、数值模拟和物理验证相结合的研究方法，获得车-索超音速运动的动态特性。利用Hamilton原理、Galerkin离散法和Newmark算法推导与求解车-索耦合多自由度动力学方程，进行显式动力学有限元FEM和计算流体力学CFD动态耦合三维数值模拟，依据相似理论设计缩比物理模型进行动态响应测试，分析参数对系统响应的影响，建立悬索在移动载何作用下的断裂准则。理论、数值与试验相互验证，深入揭示超音速火箭滑车-索道耦合机理，以解决滑车高速运动受到的发动机推力、空气动力、碰撞摩擦力、地面随机风载荷及索道在滑车作用下出现拉长、振荡、断裂等高度非线性动力学问题。研究成果可丰富机械系统动力学内容，推动超高速机械在航空、航天、船舶、兵器、旅游、矿林运输等领域的应用。

本项目针对超音速火箭滑车-索道系统研制过程中存在的诸多亟待解决的关键问题，本项目提出了超音速火箭滑车-索道动态耦合研究的方法，建立了相关耦合理论和数值模型，完成了车-索系统的静动态验证试验。.绳索和护管静态拉伸时其最大拉断力分别为61.7KN和2.14KN，而地面发动机静态试验时防火红管结合玻纤管所构成的护管及绳索未被冲穿、未断裂，火箭滑车动态飞行时左路与右索道最大增值分别为11.76KN和153.86KN，车-索磨损较小，未出现断裂破坏现象；通过仿真与试验结果表明，所设计的超音速火箭滑车-索道，其耐磨损、结构安全性较好。火箭滑车测速采用了弹道测速雷达、终点测速仪和高速摄影等三种测速方法和手段，获得的终点段平均速度为683.8m/s，最大速度为695.2m/s，试验前的理论计算最大速度为699m/s；理论与试验结果符合较好，表明所采用的理论、测试方法及结果具有较好的可信度，，所设计的超音速火箭滑车-索道，其最大速度超过2Ma，可以满足相关试验要求。.本项目所研究的超音速火箭滑车-索道动态耦合机理，解决了高速运动载荷作用下的悬索动力响应、绳索耐磨与防烧蚀等问题，为同类车索系统的研制提供了理论基础和技术支撑。本项目研究对于丰富高速机械系统热-动力学的研究内容，探索工程耐磨防烧材料，推动超高速机械在航空、航天、船舶、兵器、建筑、旅游、矿用与林业运输等领域的应用具有重要前景。