垂直发射装置

垂直发射装置（精选三篇）

垂直发射装置 篇1

随着光纤通信系统不断向着高速率、大容量方向演进,低成本、高性能的光源在系统中的重要作用日益显现出来。目前,光纤通信系统中应用的光源多为边沿发射型激光器,如分布反馈(DFB)激光器等。此类光源的成本相对较高,且存在体积较大,难以制造成半导体阵列等缺点。垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers,VCSEL)的出现很好地解决了上述问题。VCSEL是一种出光方向垂直于谐振腔表面的激光器,它由此具有了边沿发射型激光器所不具备的众多优势:VCSEL可以在制造过程中直接在芯片上进行品质的测试,并根据测试结果及时进行故障排除,从而大幅度降低了批量生产的成本;VCSEL具有较大的激光出射孔径,且输出光束具有一个较低的发散角,因此易于与各类光纤(单模、多模、塑料)进行耦合;VCSEL可以制造成一维或二维的激光器阵列组,从而提供快速高效的光纤并联传输。

1 VCSEL的基本结构和出光原理

典型的VCSEL一般由衬底、有源区、高反射率分布式布拉格反射器(DBR)以及金属镀层等几部分组成。有源区夹在上下两个DBR之间。上下两个DBR的镜面分别为p型和n型。DBR由一定数目的、厚度为λ/4(λ为出射光的波长)的高折射率物质层和低折射率物质层交替生长而成。这两个DBR需要具备极高的反射率(>99%)。有源区由多个量子阱组成,量子阱的数目一般为2~4。金属镀层一般位于反射镜上方,以增强DBR的光反馈作用。在器件的最下方一般是以GaAs为材料的衬底。

当VCSEL开始工作时,一束低于阈值电流的驱动电流被注入到有源区,由于光谱范围较宽,VCSEL将发出多束空间相位不匹配的非相干光。当注入电流逐渐接近并达到阈值电流值时,相干性极高的光束经上下反射镜进行多次反射后由激光器的顶部或底部射出,这主要取决于衬底对出射光的透明性等因素。

2 VCSEL制造工艺水平

面发射激光器的概念是由日本的伊贺健一等人于1977年提出的,该课题组在此后对面发射激光器进行了较为深入的研究。1986年,该课题组研制的阈值为6 mA的脉冲式工作GaAs面发射激光器以嵌入式构造问世[1]。紧接着,在1988年,伊贺健一采用由金属有机化学气相淀积法制造的GaAs面发射激光器第一次成功地实现了室温下的连续运行[2],从而使该技术真正实现了在光器件方面的应用。自伊贺教授发明VCSEL以来,全世界众多的科研工作者在该器件的制造工艺上进行了大量深入细致的研究,在以下制造工艺方面取得了一定程度的进展:

阈值电流:阈值电流较低是VCSEL相对于边沿发射激光器固有的优势,但最初研制的VCSEL阈值电流仍然较高(几百mA),激光器很容易损坏。随着研究的进一步深入,人们发现谐振腔的长短对阈值电流的高低起着至关重要的作用,此后,阈值电流继续不断降低,到20世纪90年代已降低到了亚微安数量级。

DBR:传统的GaAs基VCSEL所用的布拉格反射镜材料为GaAs/AlGaAs,该材料折射率大且导热性良好。但此种材料不适合应用于长波长VCSEL的制作,为此需要寻找新的材料。研究人员发现,InGaAsP及AlGaInP非常适合应用于以InP为基片的长波长VCSEL中。结合上述两种材料各自的特点,V.Jayaraman等人在1 320 nm的VCSEL中实现了134 ℃的连续激射[3]。同时,Lin等人采用InP/空气隙材料制造了高反射率的布拉格反射镜,并在1 550 nm波长处获得了85 ℃的连续激射[4]。

3 各波段VCSEL研发现状

3.1 850 nm波段VCSEL

目前,短波段850 nm VCSEL的相关技术已经非常成熟,已经进入大规模实用化阶段。此波段VCSEL也是目前市场上应用最多的产品。由于波长较短且输出功率不高,850 nm VCSEL更多地应用在短距离光纤通信以及无线光通信系统中。利用该器件制造的VCSEL阵列也被广泛地应用在光纤局域网以及光信号储存等领域。

3.2 980 nm波段VCSEL

该波段VCSEL的有源区所选取的材料一般为InGaAs,而衬底的材料多为GaAs。选择氧化法被应用在此类器件中,以限制阈值电流。研究人员遇到的一个难题是:当980 nm VCSEL应用于高速传输时,器件将产生较大的热阻抗,从而限制了带宽的进一步增加。A.N.AL-Omari等人利用一项叫做镀铜热沉的新技术将热阻抗降低到一个较低的水平,顶部发射980 nm VCSEL的热阻抗被降低到1.0 ℃/mW,使带宽增加了近40%[5]。该波段VCSEL可被广泛应用在高速光传输和半导体电子元器件的光检测中。

3.3 1 310 nm波段VCSEL

由于1 310 nm是光纤通信两个长波长、低损耗窗口之一,因此对该波段器件的研究引起了科研人员的广泛关注。该波段采用的有源区/衬底材料多为GaInNAs/GaAs以及GaInAsP/InP。研究人员在该波段遇到的难点是:p型材料在1 310 nm处会吸收比短波长处更多的光,因此造成了激光出射较为困难。

由于1 310 nm VCSEL处于光纤的低损耗和低色散窗口,因此可应用于高速长距离光通信和高速光互连等领域。随着该波段激光器的进一步研发改进以及成本的进一步降低,1 310 nm VCSEL将有可能取代目前应用较多的850 nm VCSEL,并在光通信系统中起到与F-P激光器、DFB激光器同等重要的作用。

3.4 1 550 nm波段VCSEL

上世纪90年代初,人们开始了对长波长、低损耗1 550 nm波段VCSEL的研究。1 550 nm VCSEL通常选用InGaAsP/InP作为制造材料。但InGaAsP/InP半导体存在以下不足[6]:价带间吸收和俄歇吸收一般较大;InGaAsP和InP的折射率差较小,并非制造半导体布拉格反射镜的最佳材料;InGaAsP和InP在导带上的势垒较小,特别是在载流子密度增大时很难有较好的温度特性。

基于上述原因,研究人员致力于开发新材料以替代InGaAsP/InP。伊贺教授的研究组采用将AlGaInAs镀于InP衬底之上,并采用AlAs选择氧化法等方式,在条形激光器上进行了测试[6]。测试结果表明,与InGaAsP/InP材料相比,AlGaInAs和InP能够进行更好的晶片匹配,它们之间的折射率差较大,很适合作为半导体布拉格反射镜的制造材料。这种材料组合具有良好的研究价值,应用前景将十分广阔。

1 550 nm波段的激光器在光通信系统中占据着非常重要的地位,而1 550 nm波段VCSEL的出现很好地解决了目前所用激光器低成本与高性能之间的矛盾。随着1 550 nm波段VCSEL的进一步发展,它将在长距离、超宽带高速光纤通信系统中成为骨干网和城域网中不可或缺的器件。

4 VCSEL的应用领域

4.1 用作光纤通信系统的光源

由于短波长VCSEL的输出功率不高,因此只适用于短距离(几百米)、低速有线或无线通信系统中。而用于骨干网或城域网的光源通常要求输出功率较大,因此,1 550 nm波段VCSEL比常规的850和1 310 nm波段VCSEL更适合长距离大容量光纤传输。目前,在光纤通信系统中广泛应用的特定波长激光器,如DFB激光器等,往往造价不菲;而1 550 nm波段VCSEL则被认为是下一代网络中不可或缺的低成本、高性能的稳定光源。最近的研究成果表明,1 550 nm波段VCSEL可以成功地用在2.5 Gbit/s单模和多模混合光纤传输系统中。实验结果显示,对于主要基于单模光纤的广域网及基于多模光纤的大楼和家庭网,1 550 nm波段VCSEL将是一种十分有效的光源[7]。

4.2 用作光互连中的光源

随着信息实时传输处理速率的进一步提高,传统的电互连已经成为脉冲速率进一步提高的瓶颈。而具有高带宽、抗电磁干扰能力强等特点的光互连正在成为信息高速传输的新型载体。鉴于VCSEL具有低成本高性能的特点,VCSEL非常适于应用在光并行互连中。

VCSEL具有顶部出光的特点,且单片VCSEL的体积非常小,较传统的边沿发射型激光器更易形成二维阵列以制造并行光收发模块。此种大规模集成化VCSEL阵列是目前较为前沿的研究方向。

5 结束语

在从VCSEL概念提出至今的近30年中,全球各国的科研工作人员都在致力于VCSEL器件制作以及应用开发等方面的研究。其中,日本和美国走在世界的前列。在近几年的OFC会议上,不断有关于VCSEL的报道,其中有VCSEL器件全新的制造工艺,也有VCSEL用在高速长距离光传输中的最新研究成果。在国内,众多的科研机构诸如中国科学院半导体研究所和北京大学等都在进行VCSEL的研究,并取得了一定进展。

VCSEL的研发已经相对成熟,且被广泛应用在计算机与光信息处理、高密度光信号储存、激光打印和显示照明等领域。尽管如此,作为下一代光通信系统中重要的单波长光源,1 550 nm波段VCSEL还有待进一步改进。该器件目前的制造成本仍然较高,与目前使用的DFB激光器等相比不具备绝对的价格优势。相信随着制造工艺的进一步成熟以及市场需求的进一步扩大,各波段 VCSEL将具备良好的研发和产业化前景,并在光通信的不同领域发挥更大的作用。

摘要：垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是一种应用于光纤通信系统的低成本、高性能的特定波长光源,它具有测试简单、易耦合以及易形成阵列等独特优势,已在光并行互连及高密度光存贮等领域得到大规模应用。文章介绍了VCSEL的结构和当前的制造工艺水平,阐述了各波段VCSEL的发展和应用现状,探讨了VCSEL在不同领域中的应用范围并指出了VCSEL的发展前景。

关键词：垂直腔表面发射激光器,分布式布拉格反射器,光互连

参考文献

[1]IGA K,KINOSHITA S,KOYAMA F.MicrocavityGalaAs/GaAs surface-emitting laser with Ith=6 mA[J].Electron.Lett.,1987,23(3):134-136.

[2]KOYAMA F,KINOSHITA S,IGAK.Room-temper-ature continuous wave lasing characteristics of GaAsvertical cavity surface-emitting laser[J].Appl.Phys.Lett.,1989,55(3):221-222.

[3]JAYARAMAN V,MEHTA M,JACKSON A W,etal.High-power 1 320-nm wafer-bonded VCSELs withtunnel junctions[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2003,15(11):1 495-1 497.

[4]LIN C K,BOUR D P,ZHU J T,et al.High temper-ature continuous-wave operation of 1.3-and 1.55-μmVCSELs with InP/air-gap DBRs[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2003,9(5):1 415-1 417.

[5]Al-OMARI A N,CAREY G P,HALLSTEIN S,etal.Low thermal resistance high-speed top-emitting980-nm VCSELs[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2006,18(11):1 225-1 227.

[6]伊贺健一,小山二三夫.面发射激光器基础与应用[M].北京:科学出版社,2002.1-35.

起重机吊钩垂直度偏差检测装置 篇2

关键词：起重机；吊钩垂直度；角度传感器显示；双轴倾角仪显示

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1006—8937（2012）23—0109—02

1 背景技术

起重机要求垂直吊装，司机却无法判断其吊钩是否处于垂直状态，目前，一方面所有各种类型起重机都还没有装设吊钩垂直度显示装置；而另一方面无论从吊钩偏心（通过吊钩的铅垂线偏离被吊重物的重心）起钩以及其他原因使重物偏摆可能伤及周围设备和人员，还是从实现起重机操作自动化，或从实现安全吊装和克服起重机抬吊的风险考虑，吊钩垂直度的检测都成为起重机自身亟须完善的问题。现有对吊钩的状态用角度传感器检测时，是通过检测吊钩钢丝绳（吊绳，下同）的偏摆角度得到，吊车吊绳的角度测量装置作法是，在互相垂直的二个方向各安设一个被检测吊绳C（L为吊重）通过且保持接触的U型框UX、UY（图1所示），U型框的转轴上分别安设角度传感器EX、EY，当吊绳C发生偏摆时，通过U型框使转轴上安设的角度传感器转动而输出偏摆信号，实现了对吊绳的二维检测；一种起重机及其吊绳摆动检测量装置作法是，在起重机吊臂臂头1定滑轮端被检测吊绳3外装一个套筒2（图2所示），在套筒外壁上安设角度传感器4，同时在起重机吊臂臂头1与套筒之间安设防转装置5、6以限制套筒转动，当吊绳发生偏摆时，通过与其一起偏摆的套筒由安设的角度传感器输出偏摆信号，并用此种方式检测的信号创立了一种吊钩偏摆控制方法、系统及装置。

2 起重机吊钩垂直度偏差检测显示装置

由于吊钩的垂直度变化时将带动吊钩上与其相垂直平面的变化，故提出通过监测与吊钩相垂直平面同水平面间的倾角变化，来检测吊钩垂直度偏差的方法，即在吊装中同吊钩产生相同偏角的提升滑轮组动滑轮护板外侧上装设测量平台，且满足起重机吊装垂直度偏差角度（吊钩偏角，下同）0°时，测量平台面为水平面，由于此时在台面上设置角度传感器，当出现垂直度偏差时角度传感器敏感轴方向显示的台面偏离水平面的∠A，等于起重机提升滑轮组沿该方向的垂直度偏差∠B因∠C=∠D=90°故∠A=∠B），当角度传感器敏感轴方向垂直于测量平台面与水平面交线设置（此时与该敏感轴方向相垂直的另一敏感轴方向显示的偏离水平面角度为0°）。

所显示的测量平台面与水平面夹角就是起重机吊装垂直度偏差角度或吊钩偏角。故本装置即在台面安设测量所设测量平台面相对于水平面倾斜度的双轴倾角仪，以测量起重机提升滑轮组垂直度偏差角度，故在台面不限于安设属于角度测量仪器的双轴倾角仪，比如可以是属于陀螺仪、磁強计等只要能测量所设测量平台面相对于水平面倾斜度的仪器便可作为备选之列。还有由于是通过监测与吊钩相垂直平面同水平面间的倾角变化，来检测吊钩垂直度偏差，因而不限于在提升滑轮组动滑轮护板外侧上装设测量平台，可以在吊装中同起重机吊钩产生相同偏角的其他部件上装设测量平台，比如在吊钩与动滑轮间增设的在吊装中同起重机吊钩产生相同偏角的部件上装设测测量平台。此外若α、αX、αY分别为起重机吊装垂直度偏差角度及其X 、Y轴向分量，则有：起重机吊装垂直度偏差角度α=+αY^以及其偏离X轴向角度βX=arctan（αY/αX）。还有由于装设在动滑轮护板外侧上，可设计成供电电池通过太阳能充电。

一种作法是：设置角度传感器测量显示。

首先在吊装中同起重机吊钩产生相同偏角的部件，如在吊装中同起重机吊钩产生相同偏角的提升滑轮组动滑轮护板外侧上装设测量平台，且满足起重机吊装垂直度偏差角度（吊钩偏角，下同）0°时，测量平台面为水平面，由于此时在台面上设置角度传感器，当出现垂直度偏差时角度传感器敏感轴方向显示的台面偏离的水平面角度，等于起重机提升滑轮组沿该方向的垂直度偏差角度，因而在台面居中建立十字垂直坐标，设置双轴角度传感器测量X轴向与Y轴向的垂直度偏差信号，并经倾角采集、无线传输、处理（图4为无线采集方框图），将垂直度偏差角度动态显示于起重机吊装的各监控点，包括本起重机司机（操作室）监控点、协同吊装起重机司机（操作室）监控点以及协同吊装的牵引机械司机监控点和吊装指挥监控点。

另一种做法是设置数显双轴倾角仪测量显示。

首先在吊装中同起重机吊钩产生相同偏角的提升滑轮组动滑轮护板外侧上装设测量平台），并使其满足起重机吊装垂直度偏差角度0°时，测量平台面为水平面，基于通过测量平台面与水平面间夹角，以确定起重机提升滑轮组的垂直度偏差角度，在台面居中建立十字垂直坐标，设置双轴数显倾角仪测量X轴向与Y轴向的垂直度偏差角度（图5为双轴数显传感仪测量显示示意图），并经无线传输将测量的垂直度偏差角度，再动态显示于起重机吊装的各监控点。包括本起重机司机（操作室）监控点、协同吊装起重机司机（操作室）监控点以及协同吊装的牵引机械司机监控点和吊装指挥监控点。

参考文献：

[1]易建強，刘殿通.吊车吊绳的角度测量装置[P].中国：ZL02104525.9，2005—07—20.

[2] 严遂，贺金戈，邓连喜.一种起重机及其吊绳摆栓测装置[P].中国：200910166488.4，2010—02—10.

[3] 贺金戈，邓连喜，严遂.一种吊钩偏摆控制方法、系统及装置[P].中国：ZL2009171349.0，2012—02—08.

垂直发射飞行器地面风荷载响应 篇3

地面风一般指从地面至150m高度范围内的大气流动[1]。当大型飞行器 (火箭、地地导弹) 竖立在发射台上时, 地面风是一种重要的自然环境因素。圆柱形截面是飞行器常选用的截面, 竖立状态下的圆柱结构的风激振动是属于小阻尼系统对随机输入力的响应。从空气动力学观点看, 问题可以归结为绕竖立物体的黏性分离流范畴。地面风在结构上会产生很大的定常、非定常荷载, 引起飞行器结构非常复杂的变形和振动, 对飞行器结构强度、发射前控制系统调整和仪器设备校正特别是对瞄准系统的工作有较大影响, 甚至可能产生共振, 造成结构破坏和发射失败。不少型号, 如美国的“先锋”、“土星”等火箭风荷载都较为严重;“雷神”全尺寸试验期间, 在当风速达到27m/s时, 发射台上箭体倾倒破坏;我国某型号首批火箭都加强了尾段刚度以抗击风荷载[2]。研究垂直发射飞行器地面风荷载及其产生的静、动态响应, 对于保证控制系统有利的工作状态, 降低最大结构载荷, 减轻结构重量, 增加有效负荷, 放宽飞行条件的限制, 确保发射成功具有重要意义。

飞行器地面风荷载研究内容可以归纳为两个方面: (1) 研究作用在飞行器上的风荷载; (2) 研究飞行器在风作用下的结构响应[3]。

1分析模型

垂直发射飞行器一般是一个结构复杂的圆柱形弹性体, 当处于发射状态时, 类似于一座高耸构建物。因此本文将其简化成圆柱形悬臂梁。在风的作用下, 运载火箭上产生很大的风荷载 (包括平均风荷载和动态风荷载) , 如图1所示。

2风荷载

由于自然风的湍流特性, 风可分成准定常的平均风和非定常的脉动风。因此, 作用在飞行器上的风产生的荷载为顺风向的平均风的静力风荷载和脉动风产生的脉动风荷载;与顺风向的风荷载相比, 横风向的动态风荷载的产生机理比较复杂, 它主要由来流湍流、尾流漩涡以及导弹本身的振动所产生。而据实测, 实物的横向响应主要是旋涡脱落引起[4]。因此在横风向本文主要讨论尾流漩涡干扰产生的荷载。

2.1 平均风荷载

作用在飞行器上的平均风荷载可表示为:

$w\left(z\right)=\mu {}_s(z)\mu {}_z(z)w{}_0$ (1)

式 (1) 中, μs (z) 为风荷载体型系数, μz (z) 为风压高度变化系数, w0为基本风压。

2.2 脉动风荷载

脉动风荷载是随机荷载, 又是风力中的动力成分, 它使结构产生随机振动。对于大型飞行器的缩比模型 (或全尺寸) 进行风洞试验结果表明, 在亚临界雷诺数范围内 (Re<3×105) , 有周期性的可辨别的涡流脉动。在超临界雷诺数时 (3×105<Re<3.5×106) , 涡流产生的横向力是非周期性的和不规则的, 尾流中出现比较随机的漩涡脱落。当雷诺数处于跨临界 (Re>3.5×106) 范围时, 湍流涡街又重新建立, 呈现出有规律的漩涡脱落[2]。

顺风向:

$p\left(z,t\right)=p\left(z\right)f\left(t\right)$ (2)

式 (2) 中, $p\left(z\right)$为顺风向水平风力, $f\left(t\right)$是最大为1的随机时间函数。

横风向:

$p{}_L\left(z,t\right)=\frac{1}{2}\rho v{}^{2}D\left(z\right)\mu {}_L\sin \omega {}_{s}t$ (亚、跨) (3)

$p{}_L\left(z,t\right)=\frac{1}{2}\rho v{}^{2}D\left(z\right)\mu {}_{L}f\left(t\right)$ (超) (4)

式 (3) 中μL横风向升力系数, ωs为漩涡发放圆频率;$D\left(z\right)$为飞行器直径。

3 结构响应

飞行器在地面风作用下的振动响应一般划分为顺风向振动和横风向振动, 前者主要是由平均风产生的静态响应和脉动风所产生的随机振动, 后者则主要由气流绕飞行器流动的尾流旋涡脱落所产生。

3.1 导弹的动力特性

竖立在发射台上的飞行器近似与一圆柱形悬臂梁, 它的变形以弯曲型变形为主。每一振型都对风振力及响应有所贡献, 但第一振型一般起着主要的决定性作用, 因此本文只考虑第一振型的影响。

3.2 平均风响应

飞行器的平均风响应可用结构静力学的方法分析, 也就是在计算出风荷载后来分析结构的内力、变形等, 必要时分析其稳定性。一般用结构力学中虚功原理进行计算, 但较为复杂。本文是一种简化分析方法作近似计算, 在工程应用中既简便又有足够精度。

结构高度上的静力位移为

$y{}_{si}={\displaystyle \sum _{j=1}^n\phi }{}_{ij}q{}_{sj}={\displaystyle \sum _1^n\frac{\phi {}_{ij}p{}_{sj}^{*}}{{\rm M}{}_j^{*}\omega {}_j^2}}$ (5)

式 (5) 中:φij为振型矩阵;qsj为广义位移;p*sj为广义载荷;M*j为广义质量;ωj为结构第j阶圆频率。

对于位移来讲, 第一振型起着决定性作用, 则:

$y{}_{si}=\frac{u{}_{s1}\phi {}_{i1}w{}_0}{\omega {}_1^2}$ (6)

对于等截面结构, 质量可视为沿高度均匀分布, 则:

$u{}_{s1}=\frac{{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}\mu }{}_3\left(z\right)\mu {}_z\left(z\right)D\left(z\right)\phi {}_1\left(z\right)w{}_{0}dz}{w{}_0{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}m}\left(z\right)\phi {}_1^2\left(z\right)dz}$ (7)

式中$m\left(z\right)$为单位长度质量。

3.3 顺风向脉动风振响应

将结构作为一维结构来处理, 其纵轴坐标z处顺风向运动方程可表示为:

$m\left(z\right)\frac{\partial {}^{2}y}{\partial t{}^2}+c\left(z\right)\frac{\partial y}{\partial t}+\frac{\partial {}^2\left[\frac{E{\rm I}\left(z\right)\partial {}^{2}y}{\partial t{}^2}\right]}{\partial z{}^2}=p\left(z,t\right)$ (8)

式 (8) 中: m (z) 、$c\left(z\right)$、${\rm I}\left(z\right)$、为结构纵向z处单位长度上的质量、阻尼系数、对x轴的截面惯性矩。

用振型分解法求解方程, 位移按振型分解:

$y\left(z,t\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^{\infty }\phi }{}_i\left(z\right)q{}_i\left(t\right)$ (9)

由振型的正交性可得到第i振型广义坐标结构顺风向运动方程为

$\ddot{q}{}_i+2\zeta {}_i\omega {}_i\dot{q}{}_i+\omega {}_i^{2}q{}_i=F\left(t\right)$ (10)

式 (11) 中ζi、ωi为结构第i振型中阻尼比或圆频率。

$F\left(t\right)=\frac{{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}{\displaystyle {\int }_0^{D\left(z\right)}\omega }}\left(x,z\right)f\left(t\right)\phi {}_i\left(z\right)\text{d}x\text{d}z}{{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}m}\left(z\right)\phi {}_i^2\left(z\right)\text{d}z}$ (11)

式 (11) 中:H为结构高度;$\omega \left(x,z\right)$为坐标x, z处脉动风压的幅值。

由随机振动理论, 结构位移响应的谱密度函数为

$\begin{array}{l}S{}_{yy}\left(z,\omega \right)={\displaystyle \sum _{i=1}^n{\displaystyle \sum _{k=1}^n\phi }}{}_i\left(z\right)\phi {}_k\left(z\right)\\ {\rm H}{}_i\left(-i\omega \right){\rm H}{}_k\left(i\omega \right)S{}_{F{}_{i}F{}_k}\left(\omega \right)(12)\end{array}$

实际工程中结构都是小阻尼系统, 通常ζi小于0.05, 故交叉项的影响可以忽略不计, 则位移响应的谱密度函数可简化成

$S{}_{yy}\left(z,\omega \right)={\displaystyle \sum _{i=1}^n\phi }{}_i^2\left(z\right)\left|{\rm H}{}_i\left(i\omega \right)\right|{}^{2}S{}_{F{}_{i}F{}_k}\left(\omega \right)$ (13)

式 (13) 中$S{}_{F{}_{i}F{}_k}\left(\omega \right)$为第i振型广义风荷载谱, 则结构纵坐标z处顺风位移响应根方差:

$\sigma {}_y\left(z\right)=\left[{\displaystyle {\int }_0^{\infty }S}{}_{yy}\left(z,\omega \right)\text{d}\omega \right]{}^{1/2}$ (14)

3.4 导弹漩涡干扰风振响应

亚临界和跨临界范围漩涡脱落引起的振动是确定性周期振动, 气动力$p\left(x,t\right)$随时间为简谐变化, 可写为

$p\left(z,t\right)=qD\left(z\right)\mu {}_{L}e{}^{iwt}$ (15)

式 (15) 中q为动压头。

得位移响应值为

$x\left(z,t\right)=w{}_{0}e{}^{i\omega t}B\left(i\omega \right)$ (16)

式 (16) 中:

$B\left(i\omega \right)={\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\frac{w{}_{n}e{}^{i\theta {}_n}\phi {}_n\left(x\right)}{{\rm M}{}_n\omega {}_n^2\left[\left(1-\left(\frac{\omega }{\omega {}_n}\right){}^2\right){}^2+\left(2\zeta \frac{\omega }{\omega {}_n}\right){}^2\right]{}^{1/2}}}$ (17)

θn=arctg$\frac{2\zeta \omega \omega {}_n}{\omega {}^2-\omega {}_n^2}$ (18)

$w{}_n=\frac{q{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}D}(z)\mu {}_L\phi {}_n\left(z\right)\text{d}x}{w{}_0}$ (19)

按确定性载荷作用共振原理, 第j阶振型位移的共振动力放大系数为$\frac{1}{2\zeta {}_j}$, 于是第j振型几何位移的最大值为:

$x{}_j\left(z\right)=\frac{{\displaystyle {\int }_{{\rm H}{}_1}^{{\rm H}{}_2}\frac{1}{2}}\rho v{}_c^2\left(z\right)D\left(z\right)\mu {}_L\phi {}_j\left(z\right)\text{d}z}{2\zeta {}_j\omega {}_j^2{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}m}\left(z\right)\phi {}_j^2\left(z\right)\text{d}z}\phi {}_j\left(z\right)$ (20)

式 (20) 中vc为共振风速。

超临界时只要将脉动风压谱密度$S{}_{\omega }\left(x,z,\omega \right)$替换为横风向脉动风压谱密度函数, 就可得到结构横风向振动响应均方根值。

4 算例分析

4.1 算例1

图2是文献[5]中CZ—2型运载火箭1:50比例的气动弹性模型在低速风洞中进行的结构响应试验结果。试验来流风速廓线指数α=0.3, 参考速度为20 m/s。通过用摄像判读的方法记录了模型顶部位移响应, 由图可知, 模型顶部位移响应的运动轨迹按轨迹1、2、3次序运动, 最后稳定在轨迹3偶尔跳到轨迹2, 又再回到轨迹3, 如此重复。由计算结果图3可知, 火箭顶部位移随风速的增加而增大, 当参考风速为6 m/s时, 涡激振动比较明显, 并在此出现一个明显的峰值。随着风速的增大, 火箭的横风向响应大于顺风向响应。若取峰值因子为3, 则计算结果得到的顺、横风向响应的最大峰值都为1 cm左右, 与试验结果相比, 无论是均方根值还是最大峰值位移都较一致。

4.2 算例2

由结果图4知, 火箭顺风向静态与动态响应都随来流风速增加而增大。在“锁定区” (16 m/s) 附近横风向响应值有一个明显的峰值, 此时漩涡脱落的频率与火箭的固有基频相耦合。在高风速区计算的横风向响应大于试验结果, 可能是试验的地面粗糙度和标准的地形粗糙度不一样所致。在所计算的风速区域横风向动态响应值都大于顺风向响应值, 顺风向计算结果与试验结果比较吻合。

5 结论

(1) 建立了垂直发射飞行器的风荷载响应的分析模型;

(2) 根据随机振动理论建立了垂直发射飞行器风荷载工程计算方法, 计算结果与试验结果较一致;

(3) 计算结果还表明横风向和顺风向响应随风速有不同的变化规律, 横风向有峰值区, 横风向动态响应值大于顺风向响应值。

摘要：垂直发射飞行器竖立在发射台上时, 往往要受到地面风的作用, 这将引起飞行器的振动响应, 并影响到发射前的准备工作。将垂直发射飞行器简化为圆柱形悬臂梁, 利用随机振动理论, 建立了飞行器任意风向的响应。并对CZ—2、土星IB气动弹性模型在地面风荷载下的动态响应进行工程计算, 与试验结果有良好的一致性。

关键词：垂直发射,地面风荷载,随机振动,动态响应

参考文献

[1]胡卫兵, 何建.高层建筑与高耸结构抗风计算及风振控制.北京:中国建材工业出版社, 2003

[2]贺德馨, 陈坤, 黄汉杰, 等.风工程与工业空气动力学.绵阳:中国空气动力研究发展中心, 1996

[3]卢凤翎, 阎君.确定飞行器地面风激响应的实物试验加理论外推法.强度与环境, 2006;33 (4) :8—12

[4]陈楚之.火箭与导弹的静动力载荷设计.北京:宇航出版社, 1994

[5]王奇志, 张大康.运载火箭发射状态地面风荷载试验报告.绵阳:中国空气动力与研究发展中心低速所技术报告, 1996