整體式液體沖壓發動機堵蓋應用研究

摘要：隨著軍事技術的發展，整體式液體沖壓發動機成為新型空射導彈動力系統的優選方案。本文對空射導彈用整體式液體沖壓發動機不同形式的進氣道出口堵蓋進行了比較，重點介紹了一種易碎式堵蓋，并對其受力和破碎性情況進行了分析和驗證，結果表明該易碎式堵蓋可以滿足整體式液體沖壓發動機對進氣道出口堵蓋設計時的強度、密封等要求，可為其在未來先進空射導彈上的應用提供參考。

關鍵詞：空射導彈；液體沖壓發動機；進氣道出口；堵蓋

中圖分類號：V434 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0032-05

0 引言

新型空射導彈多任務、遠射程、輕重量的特點對動力裝置提出了更高的要求。沖壓發動機沒有壓氣機及渦輪等轉動部件，質量輕，超聲速（Ma 1.5～Ma7.0）飛行時，比沖和航程參數上有明顯的優越性（比沖可由固體火箭發動機的2200～2500N·s/kg提高到10000N·s/kg左右），是一種結構簡單、經濟性較好的吸氣式發動機[1-3]，特別適合作為超聲速、高超聲速、遠航程飛行器的動力裝置。

沖壓發動機的上述優點可以使新型中遠程空射導彈擁有以飛行馬赫數3.5～4.0攻擊400km以外大空域范圍內有相當機動性能空中目標的能力。

沖壓發動機由進氣道、燃燒室、尾噴管、燃料供應和控制系統等主要部件組成[4]，高速氣流經進氣道減速增壓，再進入燃燒室與燃料混合燃燒，產生高溫高壓燃氣經尾噴管膨脹加速后排出，從而產生推力，其工作原理如圖1所示。液體沖壓發動機采用靈活的燃油流量調節系統，根據彈道的需求進行推力大小的調節，發動機燃燒效率高，特別適合高速巡航，因此在世界各國空射導彈中得到了廣泛應用，如美國的先進戰略空中發射導彈（ASALM）、空射小體積沖壓發動機（ALVRJ）、先進攔截空空導彈（AIAAM）、法國的常規中程空地導彈（ASMP）等。

整體式液體沖壓發動機是將固體助推器與巡航用液體沖壓發動機組合成為一個整體的動力裝置，其結構方案如圖2所示。其主要部件有：作為沖壓發動機系統，有進氣道和沖壓燃燒室；作為附屬系統有燃油排放系統、燃油調節系統和整體式助推器。將固體助推火箭發動機安置于沖壓燃燒室內，共用一個殼體，固體助推藥柱燒完后空出的空間就作為沖壓發動機的燃燒室使用[5]。固體助推器與沖壓發動機的一體化設計使得發動機容積效率得到重大突破，與外掛式和串聯式沖壓發動機相比，在阻力、重量和體積上有明顯的優越性，特別適合作為空射導彈的動力裝置。

整體式液體沖壓發動機將固體火箭助推器發動機與液體沖壓發動機一體化設計，因此沖壓燃燒室具有雙重功能。當助推器工作時，燃燒室壓力高，前端需用進氣道出口堵蓋密封進氣道與燃燒室界面，以防止高壓燃氣沿進氣道逆流；而當沖壓發動機工作時，進氣道出口堵蓋應及時打開，以便讓空氣流入燃燒室。

因此進氣道出口堵蓋是整體式液體沖壓發動機轉級過程中的關鍵部件之一，其設計要求如下：

（1）在環境溫度為-55～70℃，壓力為14 MPa情況下，必須保證燃燒室和進氣道之間界面的密封；

（2）堵蓋必須能承受助推器內7～14MPa的壓力，必須質量小，拋出時發動機結構無任何損壞；

（3）必須能準確、迅速地打開（<300ms），所需開啟壓差盡量小，作動過程簡單、可靠[5]。

1 進氣道出口堵蓋1.1 國外堵蓋應用情況

進氣道出口堵蓋主要有可拋式堵蓋和不可拋式堵蓋兩大類。

可拋式堵蓋方案有整塊式、易碎式和拼合式等幾種形式，如圖3所示。

等均采用整體式堵蓋。整塊式堵蓋用高強度的輕合金或模壓玻璃鋼作堵蓋材料，安裝時用O形圈或壓力密封墊密封。助推級工作結束后，利用進氣道與燃燒室的壓差打開。整塊式堵蓋優點是結構簡單、打開過程易于實現，缺點是當發動機轉級工作時，拋出相當大的物塊，有可能損壞沖壓燃燒室和噴管。整塊式堵蓋適用于進氣道尺寸比噴管喉道尺寸小得多的發動機。

ANS、AMPT等均采用了易碎式堵蓋[6，8-9]。易碎式堵蓋由經過處理的高強度易碎玻璃或易碎陶瓷制成（或在堵蓋內部預制應力集中網紋），堵蓋需打開時，用一個小型起爆裝置使堵蓋破裂成微小顆粒。

拼合式堵蓋由若干個板條模塊彼此用斜面搭接拼合而成，用彈性材料制成固定套固定，使之只能單向受力。當助推發動機工作結束，進氣道空氣壓力高于燃燒室壓力時，堵蓋被分散吹落[10]。

不可拋式堵蓋有可消耗式堵蓋、機械式堵蓋和機械-可消耗式堵蓋三種方案。

可消耗式堵蓋由覆蓋在進氣口格柵上的可燒蝕材料（金屬復合層或固體推進劑）制成。如圖4所示。格柵上帶有多個縱向分布的葉片，堵蓋固定在格柵上，助推器工作結束時，堵蓋在極短時間內燒蝕掉，空氣流把燒蝕后的殘渣吹掉。

EURAAM[6]，METEOR[11]，HSAD[12]等采用機械式堵蓋。

機械式堵蓋有多種方案，其主要特點是使用可控制的機械機構控制堵蓋的開合，多數機械式堵蓋打開后不拋出而留在沖壓燃燒室內，如百葉窗式、鉸接式、滑動式和活塞式（中心進氣）等，也有整塊拋出的，如突進式，如圖5所示。機械式堵蓋利用沖壓空氣或作動器打開[6，10-11，13]。

機械-可消耗式堵蓋兼有機械式堵蓋與可消耗式堵蓋的功能，其主要形式是使用可控制的機械機構控制堵蓋的開合，如鉸接式等，利用沖壓空氣或作動器打開，堵蓋打開后在短時間內燒掉，如圖6所示。

1.2 國內堵蓋應用情況

不可拋式堵蓋方面。中國空空導彈研究院開展過可燒蝕堵蓋的研究[14]。堵蓋由鈀（Pd）和鋁（Al）組成的層狀結構的薄板，包括6個Pd-Al交接面，Pd層在外表面。也可以認為堵蓋是由3個夾心層（T1，T2和T3）焊接或擴散粘結在一起制成。T1，T2和T3均為Pd-Al-Pd的結構。通過點火片將堵蓋引燃，生成鈀鋁化合物。堵蓋燃燒完成后，空氣流把燒蝕后的殘渣吹掉，而格柵仍留在原位。格柵上帶有多個縱向分布的葉片，對進氣道出口氣流起到整流和穩定作用。結構形式如圖7所示。

可拋式堵蓋方面。北京動力機械研究所在20世紀80年代進行了整體式火箭沖壓發動機試飛器的研制，并進行了試飛，試飛器采用整體式模壓玻璃鋼堵蓋[15]，試飛獲得了圓滿成功。現在主要開展易碎式堵蓋的研究。

易碎式堵蓋的兩側承擔不同的功能：沖壓燃燒室一側承受封堵空間內的高壓，起到堵蓋作用；進氣道側在需要打開時能容易地破碎打開。因此，易碎式堵蓋材料應具有高抗壓強度、低抗拉強度和高彈性模量的特性；可通過熱處理獲得較大的表面殘余應力以儲存較大的彈性應變能；具有良好的成形、加工性。

易碎式堵蓋打開方式有兩種：一種是采用硬質金屬針撞擊堵蓋，使堵蓋從撞擊點處擴展破碎，是一種單點到面的破碎模式；另一種是在堵蓋表面鋪設導爆索或切割索，引爆導爆索，使堵蓋從每處炸點擴展破碎，是一種多點到面的破碎模式。本文主要就后一種模式的一種易碎式堵蓋進行分析研究。

2 易碎式堵蓋

2.1 材料特性及結構形式

該易碎式堵蓋是一種高強度玻璃堵蓋，其材料特性見表1。其安裝結構如圖8所示，堵蓋安裝在上下兩層金屬結構之間，與金屬之間采用端面密封。助推級工作結束之后，引爆導爆索，使堵蓋迅速破碎，空氣流入燃燒室，從而完成轉級。

2.2 受力分析

進氣道出口堵蓋在火箭助推器工作時承受燃燒室內7～14MPa的高壓負荷，同時由于堵蓋采用端面密封方式，因此堵蓋的變形對界面密封可靠性影響很大，所以，對其進行受力分析十分必要，本文用有限元法對易碎式堵蓋模型進行了強度校核，劃分網格后的模型如圖9所示。計算了堵蓋的應力場和變形情況，結果如圖10所示。

圖9的計算結果表明，當對模型施加14MPa的壓力時，堵蓋所受最大拉應力為654.3MPa，小于材料的強度極限，可以安全使用；堵蓋的變形很小，只有0.08mm，能夠滿足端面密封要求。

2.3 地面試驗驗證

2.3.1 承壓能力檢驗

為了進一步驗證進氣道出口堵蓋的承壓能力，對同一批次材料制成的6件易碎堵蓋進行水壓爆破試驗，試驗結果見表2，試驗結果表明易碎堵蓋承壓能力滿足設計要求。2.3.2 破碎性檢驗

對堵蓋進行導爆索爆破試驗，驗證爆破試驗后堵蓋的破碎情況。導爆索布置如圖11所示。

堵蓋破碎物照片如圖12，大部分破碎物呈粉末狀，少數尺寸較大，但質地松軟、無硬質尖角，線性尺寸小于2.2mm的碎片在80%以上，破碎效果理想。

2.3.3 地面轉級試驗

單項試驗完成后，進行了地面轉級試驗驗證，轉級試驗前后進氣道出口堵蓋情況如圖13所示，可以看出，試驗完成后，堵蓋完全被吹除，進氣道出口無多余物殘留。堵蓋破碎時間<100ms，地面轉級試驗表明，易碎式堵蓋滿足設計要求。

3 結 束 語

本文對空射導彈用整體式液體沖壓發動機不同形式的進氣道出口堵蓋進行了比較，重點介紹了一種易碎式堵蓋，從受力分析、破碎情況、打開時間等方面進行了分析，結果表明，該堵蓋可以滿足整體式液體沖壓發動機助推級的強度、密封和轉級過程打開時間的要求，同時，它還具有結構簡單、易于控制、拋出物尺寸小等特點，滿足空射彈用整體式液體沖壓發動機轉級要求，具備工程應用條件。