發動機建壓速率對易碎蓋開蓋的影響

發動機建壓速率對易碎蓋開蓋的影響

郭錦炎1,趙衡柱1,吳新躍1,李博2

(1.北京航天發射技術研究所,北京 100076;2.航天材料及工藝研究所,北京 100076)

摘要:為了研究導彈箱式熱發射中導彈發動機建壓速率對發射箱易碎蓋開蓋的影響,通過對動力源進行假設,建立了發動機建壓速率與易碎蓋開蓋能量之間的關系,分析了發動機建壓速率對易碎蓋開蓋的影響;利用數值仿真得到不同速率下的箱內壓力曲線,仿真結果表明,建壓速率越高前蓋開蓋風險越大。對比分析了不同導彈飛行試驗中發射箱內壓力數據,試驗驗證了仿真結果的正確性。該研究為前、后易碎蓋開蓋壓力指標的優化提供了參考。

關鍵詞:箱式發射;易碎蓋;發動機建壓速率

中圖分類號:TJ768.2文獻標識碼:A

收稿日期:2015-02-21

作者簡介:宮鵬涵(1981- ),男,講師,博士研究生,研究方向為步兵武器結構動力學、人機工效。E-mail:gongpenghan@126.com。

收稿日期:2014-12-01

作者簡介:練永慶(1973- ),男,副研究員,博士,研究方向為水中兵器發射技術。E-mail:lianperson@126.com。

Research on Effect of the Rising Rate of Rocket Motor’s Pressure on Friable Lid Opening Process

GUO Jin-yan1,ZHAO Heng-zhu1,WU Xin-yue1,LI Bo2

(1.Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing 100076,China;2.Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology,Beijing 100076,China)

Abstract:In order to research the influence of rising rate of rocket motor’s pressure on opening gas-opening fragile cover in box-launching process,the assumption about power source was carried out,and the relationship between power source and the rising rate of motor’s pressure was also established.The effect of the rising rate of rocket motor’s pressure on opening fragile cover was analyzed.The box-launching pressure curve was achieved by numerical simulation.The result shows that the perils of pre-cover’s opening are augmented with the increase of the rising rate of motor’s pressure.Comparing with the box-launching pressure curve in different flight test,the simulation result was validated.The study results offer reference for the optimizing pre-and-post fragile cover opening-pressure.

Key words:box-launching;friable lid;rising rate of rocket motor’s pressure

箱式熱發射是常用的戰術導彈發射方式,為了降低設備復雜度、簡化發射流程,其發射箱往往采用易碎蓋,其中又以燃氣開蓋式前、后易碎蓋最為簡潔。箱蓋開蓋的動力源來自導彈點火時產生的能量,其中后蓋主要依靠封閉憋壓,而前蓋的開蓋動力源來自后蓋憋壓產生的壓力波[1]。前人為提出合理的前、后蓋開蓋壓力,利用數值仿真的方法對其開蓋過程進行研究[2],并對前、后蓋的壓力匹配情況進行了相關的研究[3],為該技術的工程化提供了指導。

在該技術的工程運用中,開蓋利用的是發動機點火初期的能量,而發動機點火初期的建壓速率存在一定的離散,目前還沒有專門針對發動機建壓速率對開蓋影響的研究。為了更準確地制定前、后蓋的開蓋壓力指標,需研究清楚建壓速率的上偏差還是下偏差對易碎蓋的開蓋更為不利,提高工程運用中的發射安全性。本文以此為背景展開相關研究。

1分析研究

1.1　前、后蓋開蓋原理

通常認為導彈點火瞬間燃氣先沖擊后蓋,隨后形成彈箱構形間的倒流,該二次流壓縮空氣形成強間斷——起始沖擊波,形成初始壓力峰;接著,起始沖擊波從后向前傳播,掃過箱體到達前蓋[1]。如圖1所示。

圖1　導彈點火初期發射箱尾段內流場示意圖

大量研究表明,起始沖擊波(或稱壓力波)呈現如下的客觀規律:

①起始沖擊波的大小與箱彈的幾何構形、后蓋開啟時間(后蓋承壓能力)以及發動機性能等有關[1];

②后蓋開啟時間越晚(即后蓋承壓能力越強),起始沖擊波最大超壓值越大,隨后越趨穩定[1];

③隨著后蓋開蓋壓力的增大,壓力波作用在前蓋上的壓力逐漸增大[1];

④壓力波的傳播速度基本為音速[2];

⑤后蓋開啟時間越晚(即后蓋承壓能力越強),沖擊波越強(即能量越高),持續時間逐漸增大[2-3];

⑥壓力波傳播到前蓋時,作用在前蓋上的壓力呈現由中心向邊緣逐漸減少的分布趨勢[3]。

1.2　基本假設

根據前后蓋開蓋原理做出如下假設:

①發動機點火初期,發動機產生的燃氣能量有a%以壓力波的形式傳遞到前蓋內表面;

②發動機點火初期,發射箱尾部積累的燃氣能量(扣除以壓力波形式傳遞出去等相關損失)占發動機產生的燃氣總能量的比值相對恒定,為b%;

③壓力波傳遞到前蓋的時間相對恒定,假設為Δt;

④前蓋開蓋時所需要的壓力波能量相對恒定;

⑤后蓋開蓋時所需要的能量相對恒定;

⑥發動機點火初期噴出的燃氣總能量與時間相關,其能量可以表示為kt,其中k表示能量功率。

1.3　影響分析

假設發動機建壓較快時前蓋打開時壓力波持續時間為t1,發動機噴出的燃氣總能量為k1(t1+Δt),后蓋處存有的燃氣能量為k1(t1+Δt)(b%),傳到前蓋處的能量為k1t1(a%);發動機建壓較慢時前蓋打開時壓力波持續時間為t2,發動機噴出的燃氣總能量為k2(t2+Δt),后蓋處存有的燃氣能量為k2(t2+Δt)(b%),傳到前蓋處的能量為k2t2(a%)。由于開蓋風險主要為前蓋無法打開,故從如下角度進行分析。

對建壓速率較快的發動機而言,當前蓋打開時后蓋處可以積聚的能量為

k1(t1+Δt)(b%)=k1t1(b%)+k1Δt(b%)=E1;

對建壓速率較慢的發動機而言,當前蓋打開時后蓋處可以積聚的能量為

k2(t2+Δt)(b%)=k2t2(b%)+k2Δt(b%)=E2。

根據假設④,有k1t1(a%)=k2t2(a%),k1t1=k2t2;E2=k2t2(b%)+k2Δt(b%)=k1t1(b%)+k2Δt(b%)=k1t1(b%)+k1Δt(b%)-k1Δt(b%)+k2Δt(b%)=E1-k1Δt(b%)+k2Δt(b%)=E1+(k2-k1)Δt(b%)。

由于建壓速率不同,有k2

因此,建壓速率越快,前蓋壓力波積累到足以使前蓋破碎的能量時,對應后蓋處積累的能量越高,后蓋越容易提前破碎。

通過以上對比分析可以得出:建壓速率越快,后蓋開蓋越早,能夠傳播到前蓋處用于開蓋的能量越少,對前蓋的開蓋越不利。

2數值仿真研究

2.1　數學建模

數學仿真研究時以某型號發射箱為例,根據研究目標進行簡化,將方箱簡化成圓筒,按二維軸對稱進行簡化。利用求解二維非定常Navier-Stokes方程的方法,在Fluent軟件平臺上進行計算仿真,二維模型在Gambit前處理軟件上完成,并采用完全結構化網格,如圖2所示。

計算由發動機內開始,采用壓力入口邊界條件,壓力變化輸入數據由用戶定義的壓力條件接口,總溫取為燃燒室溫度。并作如下假設:仿真分析時后蓋不打開;發動機燃氣為理想氣體;湍流模型使用κ-ω模型;環境壓力95 kPa,溫度10 ℃;燃氣平均分子量29.65,定壓比熱容2 026 J/(kg·K)。

圖2　計算模型

2.2　仿真計算與分析

仿真計算時給定發動機燃燒室的壓力。圖3為發動機建壓速率上下偏差時燃燒室內的壓力曲線(已無量綱處理,下同)。

圖3　建壓速率上下偏差時燃燒室壓力曲線

通過仿真計算得到前后蓋內表面的平均壓力,如圖4所示。假設當前蓋處的壓力曲線面積達到0.09時前蓋破碎,對p1曲線而言,當壓力波持續0.4時長后面積達到0.09,對p2曲線而言需要0.32時長;而0.4時長時p1曲線對應的后蓋處的面積為0.043 6,而0.32時長時p2曲線對應的后蓋處的面積為0.048,大于p1曲線,因而建壓速率越低時開蓋的風險越小。

圖4　數值仿真結果曲線

通過以上分析同樣得出:同樣后蓋的情況下,建壓速率越快前蓋開蓋風險越高。

3試驗驗證

在某型號導彈進行飛行試驗時對箱內的壓力進行測量,分別取最靠近前、后蓋處的壓力測點進行分析,如圖5所示。

圖5　試驗曲線

根據圖5所示曲線數據可以獲得表1所示的試驗數據分析表，表中,S0f為前蓋開蓋時前蓋處曲線面積，S0b為后蓋開蓋時后蓋處曲線面積，Sfb為提供前蓋開蓋壓力波時后蓋處曲線面積；tf,tb分別為前蓋開蓋時壓力波時長和后蓋開蓋時總時長；表中各量均已作無量綱化處理。表1中提供的前蓋開蓋壓力波能量時后蓋處曲線面積0.06與0.038 5的比較結果表明,建壓速率越高,提供足夠前蓋開蓋壓力波能量時后蓋處的能量越高,開蓋風險越高。通過表1中前、后蓋開蓋時曲線面積0.214與0.06及前、后蓋開蓋時總時長1.064與0.364的比較,可以得出該型導彈發射箱設計時后蓋開蓋指標留有約3倍的工程余量,并可以根據建壓速率的上偏差值進行后蓋開蓋指標的優化。與最大建壓速率時壓力p2的計算結果的比較顯示,在指標確定時要充分考慮工程上的不確定因素。

表1　試驗數據分析

4結論

本文通過工程分析、 數值仿真及試驗研究等方

法,研究了發動機建壓速率對前、后易碎蓋開蓋的影響,得出了發動機建壓速率越高,前蓋開蓋風險越大的結論;指出前、后易碎蓋在前、后蓋開蓋指標的設計和優化時應主要以發動機建壓速率的上偏差為基準。但值得注意的是發動機建壓速率高低與發動機點火藥性能偏差、主裝藥燃速偏差、發動機堵蓋偏差等諸多因素有關,加之易碎蓋本身有一定的離散性,因此在前、后蓋開蓋指標的確定時要留有一定的工程余量。

參考文獻

[1] 李學民.導彈發射箱(筒)內燃氣流特性分析——熱態試驗研究.宇航學報,1997,18(4):66-73.

LI Xue-min.Characteristic analysis of missile combustion-gas in a launching-container(launching-tube)—hot experiment study.Journal of Astronautics,1997,18(4):66-73.(in Chinese)

[2] 姜毅,耿鋒,張強.導彈發射筒蓋開啟過程數值計算及試驗.彈道學報,2008,20(3):33-35.

JIANG Yi,GENG Feng,ZHANG Qiang.Numerical calculation & experiment for the opening process of missile launcher’s cover.Journal of Ballistics,2008,20(3):33-35.(in Chinese)

[3] 黨海燕,賀衛東,魯志剛,等.激波開蓋中后蓋開蓋壓力對前蓋壓力的影響研究.戰術導彈技術,2012(1):54-57.

DANG Hai-yan,HE Wei-dong,LU Zhi-gang,et al.Research on the effect for the opening-pressure of post-cover to the pressure of pre-cover in the shock wave opening.Tactical Missile Technology,2012(1):54-57.(in Chinese)