某導彈垂直發射裝置的機構設計與強度校核

羅欣健，王輝，樂貴高，張英琦

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094;2.航天科技集團第七研究院研發中心，四川成都 610100）

武器系統的發射一般包括3個方面的內容:發射基點、發射姿態以及發射動力。垂直發射指的是發射姿態，而彈射則是指發射動力。垂直發射方式以前應用于戰略導彈系統，由于應用垂直發射技術使得導彈系統具有快速反應能力好、發射效率高、結構簡單、工作可靠、成本低廉等特點，自20世紀60年代起，各國爭相展開該系統的研究［1］。本文根據導彈尺寸及相關要求對垂直發射裝置進行了結構設計，設計中避免了發射導彈對鄰箱導彈的觸發式點火等情況的發生，并依據有限元軟件進行了結構的強度校核。

1 垂直發射的背景與發展

1.1 艦載導彈垂直發射的背景

導彈的垂直發射并不是新概念。多年來，“北極星”和“海神”導彈就是由潛艇從水下拋出，并垂直發射的［2］。陸基的洲際彈道式導彈也是直立于地下井中，準備隨時發射。有人和無人操縱的人造地球衛星也都是垂直發射。然而，垂直發射通常用在大型、戰略或航天的導彈，這些導彈既不需要、也不適合用可熟練操縱的機械發射裝置。最近，由于慣性儀表靈敏度的改進及其尺寸的減小和成本的降低，使得垂直發射應用在較小的戰術導彈上的可行性大大增加［3］?，F在看來，垂直發射高性能的導彈，在發射速度和戰術靈活性方面均將獲得明顯的提升。由于敵人高性能的飛機和導彈飽和襲擊的威脅，以及縮減軍事預算的現狀，在降低成本的同時，改進戰術導彈的快速反應能力已成為當務之急。

1.2 艦載導彈垂直發射的優勢

a）節約時間

由于垂直發射裝置用不著把時間花費在裝填或瞄準上，因此可以預料，發射速度會是相當快的。這種發射方法不僅幾乎能同時發射幾枚導彈，而且直到彈倉用完，能夠始終維持這樣快的發射速度。

b）定位范圍廣

導彈垂直發射具有無發射盲區、空間緊湊、模塊化裝填等優點，是大型艦載平臺比配的武器裝備。

c）安全性高

發射裝運箱垂直地隱藏在艦體中，直到發射時，它們對來自敵方的破壞都可得到最大的保護。

1.3 艦載導彈垂直發射的發展趨勢

目前，各海軍強國不斷加大對艦載導彈垂直發射系統的科研投入。以通用化和模塊化為方向，使垂直發射系統結構簡單、工作可靠、全壽命周期費用少，實現多種彈型共架發射，冷、熱發射方式的導彈共架發射。主要有以下幾種:1）共架發射技術;2）大傾角冷發射技術;3）同心筒發射技術。

2 垂直發射機構結構設計

2.1 垂直發射方式的方案選擇

根據導彈的尺寸主要技術參數:導彈長7 m、彈半徑320 mm、彈重850 kg，發動機推力85 kN，以4聯裝為一個單元，安裝總高度不大于8 m，導彈模型見圖1。

圖1 導彈模型圖

實現艦載導彈垂直發射目前有兩種方式:同心筒發射和公共排導發射。燃氣流公共排導是當今艦載導彈垂直發射裝置最為常用的一種燃氣排導模式，而同心筒技術則是近年來新興的一種垂直發射技術。從結構特性入手，對兩種類型發射裝置的多項性能指標進行分析和比較，同心筒技術在燃氣排導性能、可靠性、安全性等方面具有一定優勢，而采用公共排導技術的發射裝置在備彈量、適裝性等指標方面占優［4］。兩種技術各有特點，應根據實際使用要求以及不同的裝艦對象區別應用。本文選擇公共排導垂直發射方式。

2.2 垂直發射機構的結構設計

a）發射箱與排焰道的結構設計

發射箱如圖2所示，用于裝載和儲存導彈，垂直地隱藏在艦體中直至發射，它們對來自敵方的破壞都可得到最大的保護。排焰道用于導出導彈發射時尾部射出的熱流，防止氣流干擾。

圖2 發射箱與排焰道的機構模型

b）隔離防護裝置與導流錘的結構設計

隔離防護裝置在鄰箱導彈放射時，阻隔氣流，防止對本箱導彈造成影響。導流錐設計成圓弧形，有利于將氣流導向排焰道，實現公共排導。

在圖3中，上圖為隔離防護裝置，下圖為導流錐。

圖3 隔離防護裝置與導流錘的機構模型

c）閉鎖擋彈裝置與適配器的結構設計

發射箱中有4個閉鎖擋彈裝置，儲存導彈時用于托住4個柱腳，起固定支撐作用。

適配器安裝在導彈體上，用于填充導彈與發射箱之間的間隙，適配器背面有凹槽，與發射箱內導軌配合，導引導彈在膛內的線路，提高精確性。

在圖4中，左圖為閉鎖擋彈裝置，右圖為適配器。

圖4 閉鎖擋彈裝置與適配器的機構模型

d）四聯裝發射箱

圖5所示為四聯裝發射箱結構模型。

圖5 四聯裝發射箱的機構模型

3 垂直發射機構強度校核

導彈發射瞬間，發射裝置在高溫、高壓燃氣作用的惡劣工況下工作，有關垂直發射裝置的燃氣排導問題一直受到廣泛關注，燃氣排導問題是該機構強度校核的關鍵。

3.1 有限元建模

線性靜力分析是結構設計與強度校核的基礎。靜力分析求解承受靜力載荷（包含由定常加速引起的平衡慣性載荷）作用于結構的響應問題，所采用的基本有限元方程為: ［k］{u}={p}

式中，［k］為結構的彈性剛度矩陣;

{u}為結點廣義位移向量;

{p}為結點載荷向量。

上述全結構的剛度矩陣［k］是按全部結點（含標量點）的全部自由度裝配而成，對應的位移集稱為g集，相應的剛度矩陣稱之為［k］，該矩陣往往可能是奇異的，不能直接被分解。一股需進行如下運算:

1）多點約束減縮（MPC），消去線形相關自由度（可選的）;

2）M單點約束減縮（SPC），消去剛體運動自由度;

3）靜力減縮（OMIT），減少求解問題的規模（可選）;

4）自由體支持（SUPORT），分析慣性卸載問題。

三維實體模型及其有限元網格與材料模型仍然采用模態分析中的模型［5］。邊界條件中的邊界約束為底部固定，載荷施加根據實際工作中的條件而定。

3.2 結構強度校核

導流錐圓弧面受導彈發射時的沖擊集中力，受力大小為80 kN，利用ABAQUS CAE計算應力云圖如圖6所示。

圖6 導流錐網格劃分與應力云圖

當導彈發射時，密封蓋用于防止鄰箱氣流對本箱導彈造成影響。密封蓋受導流錐反射的沖擊，極限壓強為8個標準大氣壓，校核其強度如圖7所示。

圖7 密封蓋網格劃分與應力云圖

校核結果可以從應力圖上看出，應力最大值為8.690 kgf/mm2，圖中各節點及單元的應力大小均在可承受范圍內，符合強度條件。

4 結語

本文針對艦載導彈垂直發射裝置，初步設計了相對較完善的垂直發射裝置結構單元。在完成裝置機構設計的基礎之上，運用有限元分析方法對垂直發射裝置的強度進行了校核，經校核，該機構完全符合相關強度要求。

［1］徐悅，張振鵬，陳小慶.艦載導彈垂直發射技術研究進展［J］.導彈與航天運載術，2007（3）:22-25.

［2］姜毅，郝繼光，傅德彬，等.新型引射同心筒垂直發射裝置理論及試驗研究［J］.宇航學報，2008（1）:236-241.

［3］朱軍.艦載導彈垂直發射裝置的新進展［J］.導彈與航天運載技術，2002（8）:40-45.

［4］西北工業大學、南京航空學院、北京航空學院合編.氣體動力學［M］.北京:國防工業出版社，1980.

［5］莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用［M］.北京:清華大學出版社，2009.