專利名稱：大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種先導索火箭拋送裝置和方法，特別是大跨度懸索橋先導索火 箭拋送裝置和方法。
背景技術：
大跨度懸索橋通常都修建在大江大海上，其主纜架設中先導索的施工是拉開 整個懸索橋上部結構施工的序幕，其施工方法有海底拽拉法、水面過渡鋪設法(浮 子法)、空中過渡法、拖船自由懸掛法及直升飛機牽引法等方法。
在我國修建的小跨度山區(qū)懸索橋的先導索一般都采用人工拽拉的方法進行施 工，但該方法具有如下缺點其一施工危險性很大，極易引發(fā)安全事故；其二需 要開辟先導索拖拉通道，破壞生態(tài)環(huán)境；其三施工歷時時間較長；其四受季節(jié)影 響比較大，必須避開雨雪天氣及霧天。
對于大跨度懸索橋先導索的拋送也可采用直升飛機牽引法，但該方法具有如 下缺點其一山區(qū)橋位的紊流特性不僅由大氣邊界層運動決定，而且受到山峰繞
流特征紊流的作用，對飛行安全影響極為不利；其二橋址處所處山區(qū)，四周均為 大山，對飛行的視野有一定的影響；其三橋址區(qū)域霧多濕重，對飛行的視野有一 定的影響；其四兩岸需要一個大于500m2的場地供直升飛機降落，需修建一次性 的升降場地。
綜上所述，無論是通過人工拽拉法，或是直升飛機牽引法來進行先導索的拋 送，都不是理想的方案。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種結構簡單、使用方便的大跨度懸索橋先導索火 箭拋送裝置。
本發(fā)明的這一目的通過如下技術方案來實現(xiàn)的大跨度懸索橋先導索火箭拋 送裝置，包括發(fā)射架、火箭發(fā)動機和工作索，其特征在于所述的工作索包括一 端相連的鋼絲繩和先導索，所述鋼絲繩的另一端與火箭發(fā)動機相連，所述先導索 的的另一端用于與固定樁連接，火箭發(fā)動機發(fā)射時帶動鋼絲繩和先導索拋送。
本發(fā)明拋送裝置，通過采用火箭發(fā)動機發(fā)射時帶動工作索拋送，從而達到將 工作索拋送到目標區(qū)域的目的，拋送裝置在拋送工作過程中受天氣、地形地貌影 響程度小，且拋送效率高。
所述的火箭發(fā)動機包括彈頭、燃燒室、定向鈕、噴管和連接件，所述的噴管 和連接件均位于火箭發(fā)動機的尾端部，所述的噴管為兩個或兩個以上的多個，多 個噴管位于火箭發(fā)動機尾端面的同一圓周上，且相鄰的噴管之間夾角相等，所述 的連接件位于火箭發(fā)動機尾端面的中心位置處，也即在多個噴管的中心位置處， 所述的連接件與鋼絲繩相連。
本發(fā)明中的火箭發(fā)動機具有多個噴管，使得單個噴管內(nèi)徑減小，擴張比增大， 提高火箭發(fā)動機噴射時的噴射力，火箭發(fā)動機的其尾端部具有與鋼絲繩相連的連 接件，通過該連接件將鋼絲繩固定在火箭發(fā)動機上。
所述的多個位于火箭發(fā)動機尾端部的噴管呈發(fā)散狀分布，每一個噴管的中心 線和火箭發(fā)動機的中心軸線之間具有夾角，不同的噴管的中心線和火箭發(fā)動機的 中心軸線之間的夾角均相等。
本發(fā)明可以作如下改進所述的噴管為三個，相鄰的噴管之間具有120°的夾角。
所述的先導索由棉綸繩兩端編制插花而成，其直徑在8 14mm范圍內(nèi)。
所述的鋼絲繩和先導索之間還連接有緩沖繩，緩沖繩的強度大于先導索，其 連接在鋼絲繩和先導索之間，起到緩沖先導索的作用。
本發(fā)明中，所述的火箭發(fā)動機為單具或多具，多具火箭發(fā)動機組成火箭發(fā)動 機組，多具火箭發(fā)動機相串聯(lián)或并聯(lián)或混聯(lián)。其中，當火箭發(fā)動機組采用混聯(lián)的 方式時，可以是先并聯(lián)再串聯(lián)的方式，也可以是先串聯(lián)再并聯(lián)的方式。
所述發(fā)射架的發(fā)射角度在25° 65°范圍內(nèi)可調。發(fā)射角射角可調，用于滿 足不同的射程需要。
本發(fā)明的目的之二是提供上述大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置的拋送方 法，該拋送方法操作方便且穩(wěn)定性高。
本發(fā)明的這一目的通過如下技術方案來實現(xiàn)的大跨度懸索橋先導索火箭拋
送方法，該方法包括如下步驟
(l)設置瞄準標桿在發(fā)射地和目標地分別設置瞄準標桿，標出目標地彈著點
范圍標志，并測量發(fā)射點距離彈著點的距離；
(2) 確定發(fā)射各參數(shù)根據(jù)射程選定發(fā)射架的射角、根據(jù)彈著點位置及風向和 風力確定火箭發(fā)動機的射向；
(3) 擺放發(fā)射架和先導索箱沿瞄準線方向，選擇先導索擺放和發(fā)射架設置的 位置，裝箱的先導索整齊排放在發(fā)射架前方5 8米處；
(4) 連接工作索、組裝火箭發(fā)動機將箱中的先導索相互可靠連接，檢測并組 裝火箭發(fā)動機、設置固定樁；
(5) 架設發(fā)射架并瞄準架設發(fā)射架，選定射角和射向；
(6) 安裝火箭發(fā)動機將火箭發(fā)動機安裝在架設好的發(fā)射架上，通過牽引鋼絲 繩將火箭發(fā)動機與先導索相連，先導索的另一端與固定樁相連；
(7) 點火發(fā)射、拋送先導索點燃火箭發(fā)動機使發(fā)動機內(nèi)的發(fā)射藥燃燒，火箭 發(fā)動機飛離發(fā)射架，進入主彈道飛行，與此同時，火箭發(fā)動機牽引鋼絲繩并將先 導索托起，發(fā)動機工作結束后火箭發(fā)動機帶動先導索進行慣性飛行，然后火箭彈 體落入目標地預訂的彈著點范圍；
(8) 固定先導索將落入彈著點范圍的先導索進行固定。
上述大跨度懸索橋先導索火箭拋送方法采用如下的彈道計算模型，如圖1所 示，模型的假設條件如下
(1) 飛行系統(tǒng)在運動空間內(nèi)作平面運動，不考慮此平面運動外的其他因素；
(2) 飛行系統(tǒng)中只考慮先導索的空氣阻力，忽略牽引鋼絲繩、緩沖繩等其它部 分的空氣阻力；
(3) 將先導索離散為有限個單元，各單元簡化為其頭部位置的一個質點，質點 之間為無質量、無伸長的柔性連接；
(4) 彈道運動中，將鋼絲繩的質量逐漸累加到火箭上，不考慮鋼絲繩的空中姿 態(tài)；
(5) 飛行系統(tǒng)從同一坐標原點拉出。
所述彈道計算模型包括如下方程組:
A、導軌滑行段(S《導軌有效長度)
<formula>formula see original document page 10</formula>(1)
B、鋼絲繩拉起段(導軌有效長度<^《鋼絲繩長度)
<formula>formula see original document page 10</formula>
(2)
11
c、主動段中彈道上升段(s〉鋼絲繩長度、^」^、 6>》0)
<formula>formula see original document page 11</formula>^
D、主動段中彈道下降段USfn、 6><0)
<formula>formula see original document page 11</formula>
e、被動段a〉~、 <9<0)
<formula>formula see original document page 12</formula> (5)
上述方程組中的符號說明如下
火箭發(fā)動機推力(N);
火箭發(fā)動機工作時間(S); ^—從火箭發(fā)動機點火開始計算的彈道時刻(S); v—火箭質心速度(m/s);
0—火箭質心速度方向與水平方向的夾角(rad); x、 火箭質心坐標(m); s—火箭質心彈道弧長(m); A、 A一鋼絲繩、被拖帶繩的線密度(kg/m);
飛行部分總質量(kg); M/—火箭發(fā)動機的發(fā)射藥重量(kg);
M 一由于發(fā)射藥燃燒引起的火箭質量變化率(kg/s); M = f
^—被拖帶繩的空氣摩擦阻力(N); °
其中，①繩索空氣摩擦阻力i^計算采用如下公式；
作用在先導索上的阻力包括與運動方向相反的摩擦阻力及附,及迎風阻力
/^,，摩擦阻力方向取向后為正，迎風阻力的方向取向上為正，計算公式表示為
<formula>formula see original document page 12</formula> (6)
式(6)中C ，、 G為先導索摩擦阻力系數(shù)和迎風阻力系數(shù)，是先導索直徑的多
項式表達式，由飛行試驗擬合得到；p。為空氣密度(kg/m3); s,.為第i單元的長度 (m); D為先導索的直徑(m);
先導索摩擦阻力系數(shù)和迎風阻力系數(shù)c^、 c;通常根據(jù)風洞試驗得到，也可根
據(jù)多次飛行試驗逐步回歸得到，其計算公式如下
。=167.2946, -31.4016"2.1269 G =48.1004c/2-6.7684" 0.4658
②在彈道被動段，即^<0后，認為i m-0，這是由于火箭下降段上先導繩的迎 風阻力作用于火箭發(fā)動機上，使火箭受到垂直速度方向向上的力，因而^角的減小 率變緩，火箭射程增加，而及 的作用是使火箭射程減小，及 =0即認為兩者的作 用相互抵消，同時計算結果可與能量估算的經(jīng)驗公式相一致。
上述的彈道計算模型可根據(jù)不同的射程要求，合理選擇火箭發(fā)動機結構和推 力 時間變化關系、先導索拋送距離、先導索強度和線密度參數(shù)、火箭射角等系 統(tǒng)參量之間的最佳匹配關系，對大跨度懸索橋先導索火箭拋送技術提供了理論基 礎，具有現(xiàn)實指導意義。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的大跨度懸索橋先導索火箭拋送技術拓展了懸索橋
先導索施工新思路，具有如下顯著優(yōu)點
(1) 施工速度快；
(2) 高效受到天氣、地形地貌影響程度比較小，火箭發(fā)射場選擇隨意性；
(3) 對作業(yè)人身和結構物不構成安全威脅；
(4) 對環(huán)境破壞小。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。 圖1是本發(fā)明中火箭受力分析示意圖2是本發(fā)明大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置的整體結構示意圖； 圖3是本發(fā)明拋送裝置中火箭發(fā)動機的結構示意圖； 圖4是本發(fā)明拋送裝置中發(fā)射架的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖2至圖4所示的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，該拋送裝置包括發(fā)
射架1 、單具火箭發(fā)動機2和工作索，工作索包括一端相連的鋼絲繩3和先導索4， 先導索4由高強度軟質棉綸繩兩端編制插花而成，直徑為14mm,繩長可根據(jù)射程 需要選取，發(fā)射架1固定安裝在地面上，火箭發(fā)動機2安裝在發(fā)射架1上，鋼絲 繩3的另一端與火箭發(fā)動機2相連，先導索4的的另一端與固定安裝在地面的固 定樁5相連，先導索4裝在先導索箱內(nèi)，先導索箱整齊排放在發(fā)射架1左前方約5 8米處，火箭發(fā)動機2發(fā)射時帶動鋼絲繩3和先導索4拋送，將先導索4拋送到目 標區(qū)。
火箭發(fā)動機2是先導索火箭拋送裝置的動力源，火箭發(fā)動機2包括彈頭2a、 燃燒室2b、定向鈕2c、噴管2d和連接件2e,噴管2d和連接件2e均位于火箭發(fā) 動機2的尾端部，噴管2d為3個，3個噴管位于火箭發(fā)動機尾端面的同一圓周上 且呈發(fā)散狀分布，相鄰的噴管之間具有120。的夾角，每一個噴管的中心線和火箭 發(fā)動機的中心軸線之間具有夾角，不同的噴管的中心線和火箭發(fā)動機的中心軸線 之間的夾角均相等，連接件2e位于火箭發(fā)動機尾端面的中心位置處，也即位于3 個噴管的中心位置處，連接件2e與鋼絲繩3相連。
如圖4所示，火箭發(fā)射架1由可調支腿la、高低機lb、方向調節(jié)螺桿lc、射 角測量器ld和導軌le組成，可調支腿la固定安裝在地面上，導軌lc上開有T 型槽lf,導軌lc的尾部通過固定樁lg固定在地面上，該發(fā)射架1的發(fā)射角度可 在25。 65。范圍內(nèi)調節(jié)。
本發(fā)明中的鋼絲繩3和先導索4之間還可以連接有緩沖繩，起到緩沖先導索4 的作用。
本發(fā)明中的火箭發(fā)動機也可采用多具火箭發(fā)動機的組合機構，多具火箭發(fā)動 機組成火箭發(fā)動機組，多具火箭發(fā)動機可以采用串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式，也可以 采用混聯(lián)的連接方式，其中混聯(lián)可以是多個火箭發(fā)動機先并聯(lián)再串聯(lián)的連接方式， 也可以是多個火箭發(fā)動機先串聯(lián)再并聯(lián)的連接方式。
上述大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置的拋送方法包括如下步驟
(1) 設置瞄準標桿在發(fā)射地和目標地分別設置瞄準標桿，標出目標地的彈著 點范圍標志，并測量發(fā)射點距離彈著點的距離；
(2) 確定發(fā)射各參數(shù)根據(jù)射程選定發(fā)射架的射角、根據(jù)彈著點位置及風向和 風力確定火箭發(fā)動機的射向；
(3) 擺放發(fā)射架和先導索箱沿瞄準線方向，選擇先導索擺放和發(fā)射架設置的
位置，發(fā)射架設置在前方，裝箱的先導索整齊排放在發(fā)射架左前方6米處；
(4) 連接工作索、組裝火箭發(fā)動機將箱中的先導索相互可靠連接，檢測并組 裝火箭發(fā)動機、設置固定樁；
(5) 架設發(fā)射架并瞄準架設發(fā)射架，選定射角和射向；
(6) 安裝火箭發(fā)動機將火箭發(fā)動機安裝在架設好的發(fā)射架上，通過牽引鋼絲 繩將火箭發(fā)動機與先導索相連，先導索的另一端與固定樁相連；
(7) 點火發(fā)射、拋送先導索用導電線連接發(fā)動機電點火頭，用電點火擊發(fā)裝 置點燃火箭發(fā)動機的電點火頭使發(fā)動機內(nèi)的發(fā)射藥燃燒，火箭發(fā)動機在火藥氣體 推力作用下迅速飛離發(fā)射架，進入主彈道飛行，與此同時，火箭發(fā)動機牽引鋼絲 繩并將先導索托起，發(fā)動機工作結束后火箭發(fā)動機帶動先導索進行慣性飛行，然 后火箭彈體落入目標地預訂的彈著點范圍；
(8) 固定先導索將落入彈著點范圍的先導索進行固定。
權利要求
1.大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，包括發(fā)射架(1)、火箭發(fā)動機(2)和工作索，其特征在于所述的工作索包括一端相連的鋼絲繩(3)和先導索(4)，所述鋼絲繩(3)的另一端與火箭發(fā)動機(2)相連，所述先導索(4)的的另一端用于與固定樁(5)連接，火箭發(fā)動機(2)發(fā)射時帶動鋼絲繩(3)和先導索(4)拋送。
2. 根據(jù)權利要求l所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，其特征在于-所述的火箭發(fā)動機(2)包括彈頭(2a)、燃燒室(2b)、定向鈕(2c)、噴管(2d)和連接件(2e)， 所述的噴管(2d)和連接件(2e)均位于火箭發(fā)動機(2)的尾端部，所述的噴管(2d)為兩 個或兩個以上的多個，多個噴管位于火箭發(fā)動機尾端面的同一圓周上，且相鄰的 噴管之間夾角相等，所述的連接件(2e)位于火箭發(fā)動機尾端面的中心位置處，也即 在多個噴管的中心位置處，所述的連接件(2e)與鋼絲繩(3)相連。
3. 根據(jù)權利要求2所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，其特征在于 所述的多個位于火箭發(fā)動機(2)尾端部的噴管(2d)呈發(fā)散狀分布，每一個噴管的中心 線和火箭發(fā)動機的中心軸線之間具有夾角，不同的噴管的中心線和火箭發(fā)動機的 中心軸線之間的夾角均相等。
4. 根據(jù)權利要求2所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，其特征在于.-所述的噴管(2d)為三個，相鄰的噴管之間具有120。的夾角。
5. 根據(jù)權利要求1所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，其特征在于-所述的先導索(4)由棉綸繩兩端編制插花而成，其直徑在8 14mm范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，其特征在于 所述的鋼絲繩(3)和先導索(4)之間還連接有緩沖繩。
7. 根據(jù)權利要求1所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，其特征在于 所述的火箭發(fā)動機(2)為單具或多具，多具火箭發(fā)動機組成火箭發(fā)動機組，多具火 箭發(fā)動機相串聯(lián)或并聯(lián)或混聯(lián)。
8. 根據(jù)權利要求1所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，其特征在于 所述發(fā)射架(1)的發(fā)射角度在25。 65。范圍內(nèi)可調。
9. 大跨度懸索橋先導索火箭拋送方法，該方法包括如下步驟(1) 設置瞄準標桿在發(fā)射地和目標地分別設置瞄準標桿，標出目標地彈著點 范圍標志，并測量發(fā)射點距離彈著點的距離；(2) 確定發(fā)射各參數(shù)根據(jù)射程選定發(fā)射架的射角、根據(jù)彈著點位置及風向和 風力確定火箭發(fā)動機的射向；(3) 擺放發(fā)射架和先導索箱沿瞄準線方向，選擇先導索擺放和發(fā)射架設置的 位置，裝箱的先導索整齊排放在發(fā)射架前方5 8米處；(4) 連接工作索、組裝火箭發(fā)動機將箱中的先導索相互可靠連接，檢測并組 裝火箭發(fā)動機、設置固定樁；(5) 架設發(fā)射架并瞄準架設發(fā)射架，選定射角和射向；(6) 安裝火箭發(fā)動機將火箭發(fā)動機安裝在架設好的發(fā)射架上，通過牽引鋼絲 繩將火箭發(fā)動機與先導索相連，先導索的另一端與固定樁相連；(7) 點火發(fā)射、拋送先導索點燃火箭發(fā)動機使發(fā)動機內(nèi)的發(fā)射藥燃燒，火箭 發(fā)動機飛離發(fā)射架，進入主彈道飛行，與此同時，火箭發(fā)動機牽引鋼絲繩并將先 導索托起，發(fā)動機工作結束后火箭發(fā)動機帶動先導索進行慣性飛行，然后火箭彈 體落入目標地預訂的彈著點范圍；(8) 固定先導索將落入彈著點范圍的先導索進行固定。
10. 根據(jù)權利要求9所述的大跨度懸索橋先導索火箭拋送方法，其特征是該方 法采用以下彈道模型模型的假設條件如下(1) 飛行系統(tǒng)在運動空間內(nèi)作平面運動，不考慮此平面運動外的其他因素；(2) 飛行系統(tǒng)中只考慮先導索的空氣阻力，忽略牽引鋼絲繩、緩沖繩等其它部 分的空氣阻力；(3) 將先導索離散為有限個單元，各單元簡化為其頭部位置的一個質點，質點 之間為無質量、無伸長的柔性連接；(4) 彈道運動中，將鋼絲繩的質量逐漸累加到火箭上，不考慮鋼絲繩的空中姿 態(tài)；(5) 飛行系統(tǒng)從同一坐標原點拉出。所述彈道計算模型包括如下方程組A、 導軌滑行段(SS導軌有效長度)<formula>formula see original document page 4</formula>B、 鋼絲繩拉起段(導軌有效長度<^^鋼絲繩長度)<formula>formula see original document page 4</formula>(2)c、主動段中彈道上升段(5>鋼絲繩長度、^Sfo、 <9>0)<formula>formula see original document page 4</formula> D、主動段中彈道下降段U《fn、 6><0)<formula>formula see original document page 5</formula>E、被動段(/〉~、 6><0)t/v — p2v2 + Mg sin 6>(i^ 一 gcos^(i/" v 血——=v血 /)丄=v sin (9 叔(5)上述方程組中的符號說明如下 F—火箭發(fā)動機推力(N); ^一火箭發(fā)動機工作時間(S); ^一從火箭發(fā)動機點火開始計算的彈道時刻(S);v—火箭質心速度(m/s);^一火箭質心速度方向與水平方向的夾角(rad); x、 y—火箭質心坐標(m); ^一火箭質心彈道弧長(m); A、 A一鋼絲繩、被拖帶繩的線密度(kg/m);似一飛行部分總質量(kg); ^"—火箭發(fā)動機的發(fā)射藥重量(kg);& —由于發(fā)射藥燃燒引起的火箭質量變化率(kg/s);洫=-被拖帶繩的空氣摩擦阻力(N);其中， 繩索空氣摩擦阻力及 計算采用如下公式 作用在先導索上的阻力包括與運動方向相反的摩擦阻力i W,及迎風阻力 i ;;,，摩擦阻力方向取向后為正，迎風阻力的方向取向上為正，計算公式表示為<formula>formula see original document page 6</formula>(6)式(6)中Cm、 C,為先導索摩擦阻力系數(shù)和迎風阻力系數(shù)，p。為空氣密度(kg/m"; ^,為第i單元的長度(m); D為先導索的直徑(m);②在彈道被動段，即^<0后，認為7 =0￡
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置，包括發(fā)射架、火箭發(fā)動機和工作索，所述的工作索包括一端相連的鋼絲繩和先導索，所述鋼絲繩的另一端與火箭發(fā)動機相連，所述先導索的另一端用于與固定樁連接，火箭發(fā)動機發(fā)射時帶動鋼絲繩和先導索拋送。本發(fā)明的裝置結構簡單、使用方便，本發(fā)明同時還提供了大跨度懸索橋先導索火箭拋送裝置的拋送方法以及該方法所采用的彈道計算模型。
文檔編號E01D11/02GK101373125SQ200810027879
公開日2009年2月25日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權日2008年5月6日
發(fā)明者劉建清, 勇 唐, 唐世連, 李德欽, 王崇旭, 趙天法, 鄭向平, 顧文彬, 鮮正洪 申請人:路橋華南工程有限公司;解放軍理工大學工程兵工程學院