0 引 言
电磁发射技术研究、现代弹药性能研究、风洞试验及仿真结果验证、模型飞行数据获取，以及超高速碎片回收，均需软回收技术的支持[1-10]。实现弹道靶试验模型自由飞行过程中参数直接测量，是弹道靶测试能力提升的重要标志。开展弹载部件抗高过载等研究，需要对模型进行软回收。文献[4]开展了10次弹道靶高速模型软回收试验，成功回收模型5次，其中在1次回收的Ma3模型中获取了模型飞行中的完整测试数据。随着弹道靶模型速度和质量的增大，尤其是超高速飞行模型的软回收难度极大。在模型软回收过程中，存在模型偏离回收场导致回收失败的情况。沙、水、明胶、发泡塑料、蛭石、木屑、珍珠岩粉、泡沫铝、面粉、肥皂、纤维板、纸板[1-8]等材料，无法直接用于超高速、千克级模型的回收。文献[11]设计的由阻燃海绵和石蜡组成的梯度减速回收装置，实现了发射速度1.9 km/s、质量2.72 kg模型核心部件的回收，回收部件质量1.89 kg，初步验证了超高速飞行模型回收技术的可行性。但回收部件变形严重，内部部分数据储存部件在减速回收过程中损坏，未能获得有效测试数据。
为实现弹道靶超高速模型有效回收，结合文献[11]中的试验结果，本文分析了超高速模型软回收关键技术。为确保模型在减速回收过程中的完整性，总结并分析了模型/弹托的设计要求；为保护模型内部数据存储部件，总结了模型的防热设计方法；为解决模型偏出回收系统带来的靶室防护问题，在设计弹道靶超高速模型减速回收装置时增加了防护装置，成功实现了弹道靶发射速度3.0 km/s以上模型安全软回收。
弹道靶试验时一般不考虑模型回收而直接拦截。基于弹道靶气动力测试需求和模型软回收技术，提出了弹道靶试验模型软回收重复使用的方法，并初步验证了该方法的可行性。
1 超高速模型软回收关键技术
1.1 超高速模型软回收总体方案及可行性
假设模型在减速回收过程中质量损失微小，则沿模型轴向运动方程为：
式中，m为模型质量，v为模型的运动速度，A为模型最大横截面积，ρ为减速回收材料密度，CD为无量纲阻力系数，θ为模型攻角。
忽略模型运动过程中的攻角变化，对式（1）积分，可得：
式中，v0为模型的初始速度，z为模型的运动距离。
当超高速模型射入软介质且介质的抗压强度很小时，沿模型轴向的动态压力Px满足：
式中，vx为沿模型轴向运动速度。
为实现超高速模型软回收，应选用低密度软介质的减速回收材料，确保模型表面承受的压力在材料强度范围之内，保障模型减速回收过程中材料的完整性。模型在减速回收场中运动时，其速度逐渐降低，因此回收场应采用密度逐渐增大的材料，以缩短回收场的布置长度。模型需具备较大的阻力系数和较大的横截面积，从而保证模型减速回收过程具有较大的阻力；轻质模型可实现模型较大的减速度，进而缩短模型的减速飞行距离。
为验证弹道靶发射速度3.0 km/s以上模型软回收的可行性，采用球头柱模型进行了验证试验。模型头部直径30 mm、长度50 mm、质量62.33 g，由纤维加工而成。沿模型飞行方向依次布置厚度5 m、密度17 kg/m3的海绵，以及厚度11 m、密度87 kg/m3的海绵，回收场距离炮口70 m，环境气压94 kPa。模型出炮口速度为3 629 m/s，在空气中飞行27.0 m后减速为3 243 m/s。假设模型飞行减速度保持不变，则模型进入减速回收场时速度为2 678 m/s；模型侵入回收场的深度为7.9 m。试验回收的模型质量为59.33 g，模型在减速回收过程中头部被侵蚀，试验中模型减速回收场出现燃烧现象。试验结果初步验证了发射速度3.0 km/s以上模型软回收的可行性。
在大气环境下采用阻燃海绵对飞行速度3.0 km/s以上模型软回收，阻燃海绵存在着火的风险。应研制阻燃等级更高、低密度的减速回收材料，或者采取其他阻燃措施。
1.2 模型/弹托结构设计
在弹道靶试验中，由弹托包裹的模型由二级轻气炮加载到预定速度，模型与弹托从炮口进入靶室飞行一段距离后，弹托与模型分离，弹托被拦截，而模型则继续飞行、最终实现软回收。文献[11]的试验模型为分段式、非整体结构，减速回收过程中模型连接部位发生的断裂可能与应力集中有关。因此，应将模型主体结构改进为一次成型，避免采用螺纹连接。同时，为了避免模型在减速回收过程中偏离回收场，模型必须具备气动静稳定性，在飞行方向上，重心应在压心前方。只有飞行稳定的模型才能按照预期进入回收场，且进入回收场后偏离的概率较低。钝头外形的模型阻力系数较大，在回收场中的减速运动距离较短，可提高模型回收成功率。
文献[11]的试验结果表明，弹托底部的垫块跟随模型后，垫块在减速回收材料中的弹道基本与模型弹道重合，最终在回收材料中与模型发生碰撞，造成模型在减速回收材料中出现加速情况。在模型后跟随物撞击及减速材料阻力的共同作用下，更容易造成模型断裂或破碎。为此，弹托及其底部的垫块应采用一体化结构设计。
1.3 模型防热设计
若模型外部主体结构采用防热材料，模型在减速回收过程中的热量难以耗散，这对模型内部数据存储部件的热防护不利。因此，模型的外部主体结构应采用导热性好、密度低且强度高的材料，如铝合金、钛合金。在模型内部，则采用防热性能好、低密度的材料，对内部数据存储部件等进行热防护。同时，在减速回收场尾端布置低熔点材料，使模型最终停留在低熔点的材料中。此时，模型停留位置周围的回收材料会熔化，吸收模型表面的热量，从而降低模型表面温度，实现对其内部数据存储部件的有效热防护。
1.4 减速回收系统设计
在弹道靶上开展发射速度3.0 km/s以上模型回收，随着模型质量的增大，模型有可能偏离减速回收场，进而对靶室造成严重损坏。若采用市场上常见的阻燃海绵来回收超高速模型，回收材料存在起火的风险。为实现发射速度3.0 km/s以上模型的安全软回收，所设计的减速回收系统如图1 所示。
减速回收系统包括测速控制系统、防护装置、快速阀、圆柱形洞体结构、真空系统、减速回收场、喷水系统和注气系统等。测试控制系统探测模型到达的时间，在模型到快速阀前控制其开启，模型通过快速阀后，快速阀关闭。若模型进入回收装置前出现飞偏情况，防护装置能够对模型进行有效拦截，避免模型撞击圆柱形洞体。圆柱形洞体主要起到结构密封的作用，洞体内的防护装置为间隔一段距离安装的加强筋，对偏出回收场的模型减速拦截，起到防护作用。采用间隔一定距离的方式布置加强筋，可减少洞体内防护工作量。
根据模型进入回收场前的速度，在回收场前段布置相应密度梯度的阻燃海绵，将超高速模型减速至低速，在回收场尾段布置石蜡，对回收模型进行热防护。采用无机材料加工的阻燃材料密度较高，不能实现超高速模型的软回收。阻燃海绵为有机材料，在与超高速模型碰撞过程中可能形成易燃产物。整个回收场采取两方面的防燃措施：
（1）试验前，通过洞体上的真空系统先将洞体内空气抽至较低压力，再通过注气系统往洞体注入N2或CO2等非助燃气体，降低气体中的O2含量，降低超高速模型减速回收过程中造成回收材料燃烧的可能性。
（2）位于减速回收场上方的喷水系统可扑灭燃烧火焰。同时，利用减速回收系统中的气体对模型有效减速，充气压力在保证模型飞行稳定性和洞体承受的压力的前提下尽量高。
模型回收结束后，注入液氮对减速回收系统冷却。待模型回收场的环境气体压力降至常压后，通过真空系统将液氮、模型回收过程中形成的粉尘抽出，再注入空气至常压，方可打开洞体。
2 3.0 km/s以上模型软回收试验
2.1 减速回收场布置
试验在中国空气动力研究与发展中心的200米自由飞弹道靶上开展。该设备配备了发射器口径分别为50 mm、120 mm和203 mm的二级轻气炮[12]，通过弹道靶上配套的测速系统获得模型在不同位置的速度。与文献[11]的回收场布置方式相同，参考钝头模型的减速运动阻力系数[13]，根据减速回收装置的设计方案，沿着模型飞行方向依次布置海绵，其密度分别为17 kg/m3、87 kg/m3，厚度分别为5 m、3 m，每块海绵尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m；还布置了厚度为1 m的石蜡。减速回收场上方安装喷水系统和注气孔，回收场距离炮口132 m。整个靶室相互连通、未安装快速阀，试验时，先将靶室抽真空至7 kPa，再充入N2至54 kPa。
2.2 模型/弹托设计
2.3 试验结果
模型出炮口速度为3 299 m/s，进入回收场前速度为1 998 m/s。试验过程中，模型的飞行状态稳定。模型进入海绵回收场瞬间，产生了明显的撞击火光（见图3 ）。受高速摄影机拍摄视场、帧频和火光干扰的影响，所获得的图像清晰度不高。试验结束后，在石蜡中成功回收到完整的模型（见图4 ）。模型整体完好，无明显损伤和变形（见图5 ），其表面沾有熔化的石蜡。试验过程中，减速回收场未出现起火、燃烧的情况，也未启用喷水系统。
海绵的损伤特征与文献[11]中所述相同：海绵的入口尺寸小于出口尺寸，其背面可见明显的辐射状裂纹；模型表面与海绵的摩擦产生高温，致使海绵穿孔内表面炭化变黑。试验后海绵的部分损伤图像如图6 所示，模型在海绵中减速时的冲击作用，造成堆放的海绵块错位。模型发射方向对准回收装置的中心，但在飞行过程中偏离了初始弹道，进入回收场时偏向中心的右下方。
回收的模型除了与表面接触的压力、温度传感器损坏之外，其余电子设备工作正常，成功读取到模型在发射、飞行和部分回收过程中的过载加速度、表面的压力和温度等弹载测试数据（见图7 ）。在模型发射过程中，其头部表面的压力逐渐达到其最大量程，约为160 kPa，图7 （c）中所获得的测量数据出现超压情况。由测试数据可知，在0.499 9~0.526 6 s时间段内，模型在二级轻气炮的发射管内加速；约0.578 6 s时，模型进入阻燃海绵；约0.579 3 s时，模型进入石蜡。模型在靶室内自由飞行0.052 0 s、平均减速度为2 500 g（g为1个重力加速度），图7 （a）中0.526 6~0.578 6 s的平均减速度为2 870 g，两者数据基本一致，表明弹载测试数据是可信的。
2.4 分析与讨论
本文设计的模型具有飞行稳定性，模型在靶室内减速飞行一段距离后进入回收装置，在减速过程中未明显偏离回收装置。模型主体部分改为整体结构，采用高强度的材料，确保了模型在减速回收过程中的完整性；弹托及底碗一体化结构，避免了模型后的跟随物在减速回收过程中与模型碰撞造成的损伤。
模型上安装的加速度、温度和压力等传感器以及数据存储部件具有抗高过载特性，在模型发射和减速回收的高过载环境下工作正常，获得了有效的测试数据。
密度在15~100 kg/m3的阻燃海绵加工技术成熟，加工出的海绵密度均匀、形状稳定性好，便于回收装置的布置，模型在海绵内减速运动稳定。同时，可直接从市场上采购相应密度的阻燃海绵。将海绵加工成0.5 m×0.5 m×0.5 m的立方块，下一次回收试验只需替换损坏的海绵，未损伤的海绵可继续使用，降低了试验模型回收成本。采用两种不同密度海绵对模型减速，同时保证了模型承担的减速过载和布置的减速回收场长度都在一定范围内。
模型在减速回收材料中运动时，其表面摩擦导致温度升高，最终减速停留在石蜡中。石蜡的熔点低于70 °C，模型表面的热量传递给石蜡，使石蜡熔化散热。模型主体结构的防热设计以及低熔点石蜡对模型表面温度的耗散，实现了对模型内部数据储存部件的有效热防护。
模型以超高速进入海绵的瞬间，与减速回收材料发生碰撞，形成明显的火光。图7 （b）中0.58 s时刻附近，模型在海绵、石蜡中减速过程的表面最高温度分别为885 °C、2 202 °C。回收场布置在O2含量只有0.7%的N2环境下，避免了模型与海绵碰撞过程中发生化学反应形成可燃物燃烧，进而引起阻燃海绵爆燃；利用气体作为减速介质，实现了钝头模型的有效减速。
3 弹道靶自由飞模型重复使用
弹道靶试验具有模型自由飞行、无支架干扰、靶室环境真实可控等优点，是获得自由飞行模型气动力参数的理想设备之一。弹道靶试验时模型飞行速度较高，完整回收难度大，试验时一般不考虑模型回收而直接进行拦截，一个试验模型只能使用一次。为了获得试验中模型飞行速度和环境参数对气动力参数的影响[13]，最理想的情况是模型的质心位置、质量、转动惯量等物理量特征参数完全相同，然而不同模型的加工、装配精度差异很难保证以上物理量特征参数完全相同。弹道靶气动力试验前需要对模型表面制作特征标记点并进行扫描关联[14]，标记点关联的精度影响最终的位姿测量精度，试验模型准备时间长是制约试验效率提升的重要因素之一。为了提高试验数据精度和试验效率，对弹道靶试验模型进行软回收，经检测，回收后无损伤的模型可重复使用。
在气动中心弹道靶气动力测量试验中，需将模型表面进行发黑处理，再通过激光打标的方式制作表面特征标记点[14]。当回收的模型外形无明显变化、物理量参数变化不明显，且模型表面标记点清晰，便可在下一次试验中重复使用。
4 结 语
通过对模型及弹托结构的改进，保障了模型减速回收过程中的结构强度和完整性；通过模型防热设计以及回收材料热防护，实现了模型内部数据存储部件的有效热防护。本文设计的减速回收系统，利用非助燃气体N2对模型有效减速，并降低了减速回收材料发生燃烧的概率。本文的超高速千克级模型软回收技术，在弹道靶实现了质量837 g、发射速度3.3 km/s的模型软回收，并获得了模型发射、飞行及回收过程中加速度、表面压力和温度等弹载测试数据。
基于弹道靶气动力测试需求和模型软回收技术，提出了弹道靶试验模型重复使用的方法。弹道靶试验实现了表面带标记点的模型软回收，回收后的模型表面标记点清晰可见，初步验证了弹道靶试验模型软回收及重复使用的可行性。