意外點火時燃氣排導系統流場仿真分析

趙賢超

（92941部隊93分隊，遼寧 葫蘆島 125001）

0 引 言

導彈意外點火是一種災難性的事故，可導致發射裝置甚至載艦遭到毀滅性的破壞。為最大限度地降低這種事故帶來的危害，在發射裝置設計過程中必須確保燃氣排導系統能將導彈意外點火時產生的高溫有毒燃氣安全可靠地排出艙外，以保證發射裝置內未點火箱彈以及發射裝置和載艦的安全。因此，為確保導彈意外點火后不會對相鄰箱彈和發射裝置產生不利影響，對整個載艦的安全構成威脅，在發射裝置設計時，有必要考慮意外點火情況下燃氣排導系統內燃氣流場的分布特性。

為研究導彈意外點火時燃氣排導系統內燃氣流的動態特性，以八隔艙艦載導彈垂直發射裝置為例，對導彈意外點火時產生的燃氣流場進行計算，對部分排氣蓋被漲破后的流場進行仿真分析，確定了燃氣排導系統在不同時刻的壓強載荷特性，為垂直發射裝置的設計提供了理論參考。

1 計算模型

1.1 控制方程

導彈點火時，從發動機噴出高溫、高速氣固兩相燃氣流。為了簡化計算，不考慮燃氣中固體顆粒的影響。三維、雷諾平均的Navier－Stokes方程組如下：

質量守恒方程為：

動量守恒方程為：

能量守恒方程為：

方程中，ρ，u，p，E分別為燃氣流密度、速度矢量、壓力和總能。

以有限體積法為基礎，湍流模型采用k－ε二方程模型：

湍流粘性系數為：

1.2 物理模型

采用的模型與美國MK－41垂直發射裝置相似。垂直發射裝置燃氣排導系統由壓力室、排氣道和排氣蓋三部分組成。壓力室分為8個發射位，平時用密封蓋密封，戰時每個發射位上可安裝一枚箱彈（見圖1）。8個發射位分為兩排，中間與排氣道相連。發射位內裝有導流板以便于燃氣順利從排氣道流出。排氣蓋為易碎蓋，由多塊獨立的小蓋體組成（見圖2），當某塊小蓋體上的壓強達到一定值時，該塊小蓋體可被沖破，實現了排氣蓋的被動打開。

圖1 垂直發射裝置示意圖Fig.1 Sketch of VLS

導彈發生意外點火時，發射裝置排氣蓋和彈艙蓋處于關閉狀態。火箭發動機燃氣首先沖開發射箱后蓋進入壓力室，在壓力室內經導流板偏轉180°后經排氣道排出發射裝置。在此過程中，燃氣流壓強直接作用在其余壓力室密封蓋和排導系統內壁上。

實際導彈垂直發射系統內部燃氣流動是復雜的三維流動，在對排導系統內燃氣流壓強分布特性進行分析時，要區分排氣蓋被漲破前后排導系統內的不同狀態。

排氣蓋未被漲破前，對燃氣排導系統物理模型進行如下簡化：

（a）除發射位外，其它隔艙壓力室密封蓋均封閉；

（b）意外點火導彈的發射箱后蓋已打開；

（c）忽略導彈所有外突部件（折疊翼、電纜罩等）對燃氣流場的影響，導彈用一圓柱體等效；

（d）忽略導彈運動的影響，假設導彈在發射箱內保持靜止。

當排氣蓋被燃氣漲破時，除被漲破排氣蓋小蓋體外，其它排氣蓋小蓋體均為關閉狀態。此時，可根據排氣蓋未漲破前的模擬計算結果，對排氣蓋上小蓋體被漲破1塊、2塊等多種不同狀態分別建立模型進行計算。

2 模擬計算

2.1 計算參數

發動機噴出的高溫高壓超聲速流中不僅含有大量的固體顆粒，且本身成分復雜。在燃氣噴射過程中常伴隨著復雜的化學反應，甚至出現二次燃燒。在計算過程中對燃氣流作如下假設：

（a）燃氣流是性質單一、均勻混合的氣體，各成分之間無化學反應；

（b）忽略固體粒子的影響和粒子與燃氣的動量交換和能量交換；

（c）燃氣流的物理粘性系數符合Sutherland定律。

2.2 邊界條件

邊界條件有3種：壁面邊界條件、入口邊界條件和出口邊界條件。

從導彈發動機噴管收縮段開始計算。入口總溫為氣體的定壓燃燒溫度，總壓為發動機內燃燒室內的壓強。

對于排氣蓋未被漲破的狀態，發射裝置的排氣蓋和彈艙蓋均處于關閉狀態，所以為無出口邊界條件。除入口邊界條件外，其它所有區域的邊界條件均為壁面邊界條件。

對于排氣蓋被漲破后的狀態，在被漲破蓋體處設長×寬×高為5m×5m×8m的擴展區域。擴展區域邊界壓強為環境壓強（一個大氣壓）。

所有燃氣排導裝置壁面處設置成無滑移的絕熱固壁邊界條件。

3 計算結果分析

計算過程中，分別在排氣蓋與壓力室密封蓋上選取P1～P15共15點、在排氣道內壁和壓力室內壁上選取P16、P17兩點進行計算（見圖2）。

圖2 計算點分布圖Fig.2 Distribution of calculation position

導彈意外點火后，燃氣排導系統應該在很短的時間內打開，為燃氣流提供排導通道。另外，相同時刻只有排氣道內壁和壓力室密封蓋上的壓強低于排氣蓋上壓強時，才能使排氣蓋最先被燃氣流沖開，保證燃氣排導系統安全和功能的實現。因此，對于排導系統內燃氣流的仿真，首先假設排氣蓋承受的最大壓強為0.2MPa，而排氣道和壓力室密封蓋能承受的最大壓強大于0.2MPa，當發動機意外點火后，導彈還沒有運動前，由于燃氣流的作用，作用在排氣蓋上的壓力先達到0.2MPa時，排氣蓋被動打開。

圖3 燃氣排導系統內不同位置壓強隨時間變化曲線Fig.3 Variation of the pressure with time of different position in gas exhaust

經計算，在意外點火情況下，排氣蓋上P13～P15點所在位置的壓強首先達到破壞壓強0.2MPa。因此，在計算過程中，分別對該位置排氣蓋小蓋體被漲破1塊、2塊和3塊等狀態下燃氣排導系統內部不同位置的壓強進行了計算，并進行了對比。由計算結果分析可知：

（1）在導彈意外點火后，燃氣排導系統內的壓強隨著時間逐步上升。在0.245s時刻，排氣蓋開始受燃氣流的作用，但在相同時刻排氣道和壓力室內的壓強低于排氣蓋上壓強（見圖3）。由圖4可以看出，在導彈點火后0.322s，排氣蓋上P14點所受向上的作用壓力就達到了0.2MPa，導致該點處的排氣蓋蓋體被沖破，隨著排氣蓋壓強的繼續增加，其它小蓋體上的壓強將超過0.2MPa，造成排氣蓋小蓋體繼續被漲破。圖5所示為0.322s時P1～P7點所在壓力室密封蓋上的壓強分布圖，可以看出，P7和P3點所處壓力室壓強較大。

圖5 t＝0.322s時壓力室密封蓋壓強分布圖Fig.5 Distribution of pressure on cabin strip when t＝0.322s

圖6 0.322s后燃氣排導系統內不同位置壓強隨時間變化曲線Fig.6 Variation of the pressure with time of different position in VLS after 0.322s

（2）圖6所示為排氣蓋被部分漲破后排導系統內部不同位置壓強隨時間變化曲線。可以看出，燃氣排導系統內部不同位置壓強與排氣蓋狀態有關。在排氣蓋小蓋體被漲破1塊的情況下，排氣蓋未破蓋體上的壓強仍然繼續增加，只是增加幅度變小；在排氣蓋小蓋體被漲破2塊的情況下，排氣蓋未破小蓋體上的壓強趨于穩定，維持在0.2MPa附近震蕩，在這種狀態下，排氣蓋蓋體仍然會繼續漲破；當排氣蓋小蓋體被漲破3塊后，排氣蓋未破小蓋體上的壓強開始降低。排氣蓋被漲破以后，壓力室密封蓋所受壓強并不立刻受其影響，它要遲滯一段時間（大約9ms），在這段時間內，壓力室密封蓋壓強保持以前的規律繼續增加，之后，其壓強變化規律與排氣蓋上的變化規律趨于一致。而排氣道內壁和壓力室內壁則不同，只要排氣蓋上有1塊小蓋體被漲破，排氣道內壁和壓力室內壁上的壓強在約10ms的時間內保持排氣蓋未漲破前的增加趨勢，然后壓強就開始降低。

4 結 論

成功地采用了求解三維、雷諾平均N－S方程的方法，對艦載垂直發射系統在導彈意外點火情況下燃氣排導系統內的燃氣流場進行了仿真分析計算，獲得了排導系統在排氣蓋被漲破前后的壓強載荷特性。計算結果表明：在導彈發生意外點火情況下，排氣蓋可以迅速被動打開，為安全、迅速排導燃氣提供了通道，實現了排導系統的功能，保證了發射裝置和載艦的安全。

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