0 引　言

火箭发射主要有陆基发射和海上发射2种模式。与传统的陆基发射相比，海上发射^[1]免去了坠落物对地面人员财产造成威胁的风险。同时，这种方法也允许在赤道附近发射，大大增加了火箭运载能力，降低了发射成本，延长了卫星的寿命^[2]。

起竖装置是火箭海上发射的关键装置。国内外火箭起竖的方式主要有缆绳起竖和缸起竖2种方式^[3]。缆绳起竖是通过电机驱动卷筒缠绕钢丝绳，将火箭竖起，需要安装大型起竖塔以固定天轮，这使得整体结构占地空间大。液压缸起竖采用液压缸驱动，具有推力大、占地空间小等优点，在民用与军用中都得到普遍应用^[4-5]，但存在可靠性差、维护难度大以及多缸同步难度大等缺点。电动缸具有高度集成化、精度高、可靠性高、便于维护、噪声小、控制简单等优点，常用于车载起竖平台^[6-7]。目前重载电动缸的推力可达500 t，可以用于大型火箭的起竖。参照国内外火箭及重型导弹的起竖方式，综合考虑海上发射工况，本文设计一种采用电动缸双缸起竖的起竖装置，利用SolidWorks三维软件建立了起竖装置的三维模型，校核了起竖架和锁紧装置的强度，为火箭海上发射起竖装置的设计提供参考。

1 起竖装置的载荷和功能

起竖装置的功能是承载火箭，并在规定时间内将火箭起竖至竖直状态。根据某型号火箭的参数，起竖装置需满足以下设计要求^[8]：

1） 承载火箭长度不低于50 m，运载火箭的质量不低于47 t，起竖过程中不能破坏箭体的结构；

2） 起竖角度在0°~ 90°范围内，起竖垂直度为90°± 15′；

3） 起竖装置具有锁紧箭体的功能，能够在运输与起竖过程中抱紧箭体。

2 起竖装置结构设计 2.1 总体设计

如图1所示，起竖装置处于运输车和火箭之间。利用运输车将火箭运送到发射位置，然后利用电动缸将起竖架连同火箭举升起竖到竖直位置。起竖装置主要包括起竖架、锁紧装置、电动缸、支承装置等。支承装置1与起竖架固定连接，并通过螺栓与箭体连接，防止火箭起竖中发生滑移；支承装置2与起竖架滑动连接，可以根据火箭的长度调整与支承装置1之间的距离；锁紧装置与支承装置2铰接，通过电动缸实现锁紧功能。起竖架采用框架式结构，根据火箭的长度、质心位置，采用两点支撑方式，可避免悬臂梁变形对箭体的影响。

如表1所示，起竖电动缸采用两级结构，缸筒外径为450 mm，一级和二级丝杠的直径分别为270 mm和190 mm，行程为5020 mm，伺服电机的功率为25 kW，额定推力为1 600 kN，额定速度8.8 mm/s；锁紧电动缸采用一级结构，行程为200 mm，伺服电机的功率为1 kW，额定推力为30 kN，额定速度20 mm/s。

2.2 起竖架结构设计

起竖架是火箭的承载体。根据火箭的质量、质心、长度以及电动缸支撑点的位置，利用SolidWorks软件设计了起竖架的三维结构^[9-10]。如图2所示，起竖架采用框架结构，其内部由边梁、横梁、加强筋焊接而成。边梁位于起竖架的最外侧，加强筋的外形尺寸与起竖架边梁尺寸相同。为了减轻起竖架的质量，在边梁和加强筋采用镂空结构，其上设置了圆形和长方形等不同类型的孔。通过3组橫梁将把两侧的边梁和中间的加强筋联系成刚性构架，每组横梁由相距220 mm的钢板组成。起竖架选用高强度结构用钢Q550D，质量38.5 t，总长27 m，宽度为3 m，在不同阶段边梁的高度分别为2.5 m、1.6 m、1.0 m。起竖架的各部分尺寸见表2。考虑到距离回转中心越近，剪力与弯矩越大，回转中心至横梁3的加强筋厚度为20 mm，横梁3至顶端的厚度为10 mm。

2.3 支承装置结构设计

支承装置处于箭体和起竖架之间，起到支撑和固定箭体的作用。箭体采用两点来支撑，支承装置1与箭体通过螺栓连接，支承装置2通过锁紧装置抱紧箭体，二者均通过16个M56的地脚螺栓与起竖架固定连接。

在起竖过程中，支承装置1和承装置2的受力不同。当箭体处于水平时，支承装置1不仅要承受火箭的径向载荷，还承受轴向的载荷，当起竖至90°时，箭体的重量全部由支承装置1承受。在起竖过程中，支承装置2只承受火箭的径向载荷。当箭体处于水平状态时，支承装置2的最大载荷为24 t。如图3所示，在支承装置2外侧增设了多条肋板，支承装置外形尺寸3 m×2 m×1.5 m，材料为20 mm厚的316L不锈钢，质量为2.1 t；支承装置2的外形尺寸为3 m×2 m×1.5 m，材料为15 mm厚的合金钢板，质量为1.2 t，并留有抱箍和电动缸的接口。

2.4 锁紧装置结构设计

锁紧装置安装在支承装置2上，其由抱箍、电动缸组成，结构如图4所示。抱箍的张开和抱紧动作由电动缸控制。起竖及运输过程中，抱箍锁紧，电动缸断电制动。起竖完成后电动缸驱动抱箍打开，起竖架与箭体完成分离。

2个抱箍的工作空间位于芯二级与助推器之间，完全张开时不会与助推火箭产生干涉。选取最不利的工况进行设计，最大载荷F_d是火箭在90°+2°产生的载荷，火箭对单个抱箍的作用力大小为20 kN，方向沿火箭形心指向压箭板。

3 起竖架强度校核 3.1 起竖架有限元建模

SolidWorks Simulation 是一款基于有限元技术的设计分析软件，与SolidWorks无缝集成，可以快速、准确的对模型进行应力分析、应变分析、优化分析和动力学分析^[11-12]。在火箭起竖过程中，起竖架的受力最大且变化。为验证起竖架结构设计的合理性，采用 SolidWorks Simulation 对其进行强度校核。

设置起竖架的材料为钢Q550D，支承装置的材料为316L不锈钢，力学性能见表3。SolidWorks Simulation具有自动划分网格的功能，对起竖架、支承装置进行整体划分，网格控制参数如表4所示。共生成115789个节点，划分58064个单元，网格质量良好，无错误、警告网格。起竖架、支承装置的网格划分见图5。

火箭的重力通过2个支承装置作用到起竖架上，此外起竖架还受到自身重力。在水平状态下起竖架的受力最大，产生的变形也最大。如图6所示，将火箭的重量分布在2个支承装置的法面上，分别为230 kN和240 kN，并在起竖架尾部回转中心、电动缸上铰点支承处施加活动铰链约束。

3.2 不同支撑距离下起竖架强度分析

图7为改变两支承装置之间的距离L，得到的起竖架结构变形量和应力云图。表5和表6为不同支撑距离下起竖架关键点的形变量和应变量。可见，起竖架最大应力发生在电动缸上铰点与起竖架连接的地方，最大应力为132.3 MPa，屈服强度满足设计要求；最大变形量发生在L=22 m时，此时支撑点2的形变量为43.63 mm，变形量从顶部向下逐渐减小。由于箭体采用两点支撑的方式，起竖架的形变不会对箭体造成破环，所设计的起竖架满足设计要求。

4 结　语

在海上发射火箭可增强火箭运载能力，并降低发射成本。针对海上发射大型火箭的需求，本文提出一种采用电动缸双缸驱动的起竖装置。设计了起竖装置的结构，建立了三维模型，并对起竖架开展了有限元分析和强度校核。研究表明，该起竖装置结构设计合理，具有重量轻、变形小等优点，可以满足大型火箭起竖的要求。