某小型彈體發射系統低壓發射室降壓方案研究

楊 文，屠小昌，陳 靜，文 沖，吳 昊，李 靜

（陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

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某小型彈體發射系統低壓發射室降壓方案研究

楊 文，屠小昌，陳 靜，文 沖，吳 昊，李 靜

（陜西應用物理化學研究所，陜西 西安，710061）

摘 要：針對某小型彈體發射系統低壓發射室峰值壓強過大的問題，以經典的內彈道理論為基礎，根據系統設計參數及內彈道預估結果，分析了影響低壓發射室峰值壓強的主要因素，提出了降低峰值壓強的3個主要方法：增大低壓發射室初始自由容積、減小主裝藥初始燃面和增大噴管喉徑。通過該方法低壓發射室峰值壓強從最初的0.96MPa降低到了0.58MPa，降低了約40％。最后通過試驗驗證了該方法的可行性及內彈道預估的可靠性，并根據預估結果設計出了滿足技術指標要求的彈體發射系統。

關鍵詞：彈體發射系統；低壓發射室；內彈道；峰值壓強

目前彈體發射系統正朝著小型化、輕型化的方向發展，這就要求減小彈體發射系統的重量，而低壓發射室殼體是彈體發射系統的主要結構件。隨著非金屬復合材料的發展[1]，低壓發射室殼體往往采用輕型薄壁非金屬復合材料，這種非金屬殼體承壓能力較低，因此低壓發射室的峰值壓強應盡可能小，以保證其安全性和可靠性。另外，在彈體發射過程中，為了保護彈上儀器，其所受發射加速度不允許過大，這就要求降低低壓發射室的峰值壓強，以減小過載沖擊。

針對上述問題，本文采用經典的內彈道理論對彈體發射系統的高、低壓室的內彈道性能進行預估，并對影響低壓發射室最大峰值壓強的設計參數進行了分析，提出了降低峰值壓強的主要方法，設計了滿足技術指標要求的彈體發射系統，并通過試驗驗證了降壓方案的可行性及內彈道預估的可靠性。

1　彈體發射系統指標要求

彈體發射系統必須滿足相關的性能指標和結構、可靠性、安全性等要求。某小型彈體發射系統的主要技術指標要求見表1。

2　內彈道性能預估分析

2.1物理模型分析

彈體發射系統主要由高壓燃燒室、低壓發射室、點火器等組成，其物理模型如圖1所示。

圖1　彈體發射系統結構簡圖Fig.1 The structure of the missile launching system

高壓燃燒室內的主裝藥燃燒，產生高壓、高溫燃氣，高壓、高溫燃氣通過高壓燃燒室的噴嘴流入低壓發射室；低壓發射室通過彈體處于密封狀態，隨著高溫、高壓燃氣的進入，低壓發射室的壓力升高，彈體逐漸從靜止狀態變為加速運動狀態，而隨著彈體的加速運動，低壓發射室容積增大，壓強逐漸減小或趨于平緩。一般對于低壓發射室，在裝藥初始燃燒段，彈體速度很低，燃氣質量流入較大，這就使得發射室內的壓強急劇上升，從而使得發射室的過載沖擊急劇增大。因此，為保證低壓發射室和彈上儀器在工作過程中的安全性和可靠性，必須采取必要的措施，以降低發射室的最大峰值壓強。

2.2高壓燃燒室主裝藥設計分析

在彈體發射過程中，彈體直徑值為常量，要保持彈體的恒定推力及加速度值，必須要求發射室的燃氣壓強保持恒定不變，由于低壓發射室的燃氣容腔變化率基本會與彈體速度變化率成正比關系，在燃氣壓強不變的情況下必然要求裝藥燃面變化率與彈體速度變化率成正比快速增長。因此，高壓燃燒室裝藥采取漸增燃面設計技術[2]，這樣不僅可以保持發射室壓力相對穩定，而且可以有效減小初始燃氣質量流入，降低峰值壓強，減小過載沖擊。

考慮到火藥生產限制因素，必須選擇合適的主裝藥品種，設計相應的裝藥藥型及尺寸。本研究中主裝藥選擇燃速較高的推進劑- 1，其主要性能參數見表2。按照火箭導彈彈射內彈道理論及能量守恒定理[3]，初步計算推進劑藥量m=5.6g，根據藥量及低壓室壓力持續時間要求，方案初步設計8根內孔管狀燃燒裝藥設計結構（單根藥柱尺寸：Ф7.0mm×Ф2.2mm× 14mm），實際藥量m=6.7g。

表2　推進劑-1主要性能參數Tab.2 The main performance parameters of the propellant-1

2.3內彈道性能預估

為了設計出滿足技術指標要求的彈體發射系統，需要對高壓燃燒室和低壓發射室的內彈道性能進行預估分析。按照固體火箭發動機設計方法，依據初始平衡段燃氣質量生成速率與噴管質量流率相等模型（令高壓燃燒室初始平衡壓強P＝9.5MPa），初步確定高壓燃燒室噴管喉徑dt=3.2mm，喉道面積St=8.0mm2。根據經典內彈道方程組，采取零維內彈道算法，在基本假設條件下[4-5]，可得到高壓燃燒室上升段和平衡段的內彈道解析式。

2.3.1高壓燃燒室內彈道性能預估

（1）上升段內彈道分析

由于上升段時間一般較短，在此期間認為裝藥燃面始終等于初始燃面，高壓燃燒室自由容積始終等于初始自由容積，則根據上升段內彈道解析式（1）和初始平衡內彈道解析式（2），可計算出高壓燃燒室上升段初始平衡壓強Peq＝9.7MPa、上升段時間t＝2.2ms（令P1=0.95Peq）。從其上升段時間可以看出，上升段時間非常短，因此在初步設計時，可以不考慮上升段的內彈道性能，而直接從平衡段開始。

式（1）～（3）中：推進劑特性參數見表1所示；Peq為高壓燃燒室上升段初始平衡壓強；Pig為點火壓強，取Pig＝9.5MPa；S0為裝藥初始燃面，初步設計取S0=773.0mm2；St為噴管喉道面積，取St=8.0mm2；φ1為流量消耗系數，取φ1＝0.9；q1為熱損失系數，取q1＝0.9；V1為高壓燃燒室初始自由容積，取V1＝15.5cm3。

（2） 平衡段內彈道分析

首先認為噴管沒有摩擦和熱損失。將裝藥肉厚e劃分成相等的m個區間，代入不同肉厚（e=0～2.4mm）的燃面數據，依據平衡段內彈道解析式（4）、推進劑-1燃速公式（5）、累計燃燒時間公式（6）,可計算出每個區間對應的壓強P2i、推進劑燃速u2i及累計裝藥燃燒時間ti。圖2所示為其內彈道曲線。

式（4）～（6）中：Si為裝藥燃面，是變量值，根據藥柱結構可知裝藥燃面變化公式為Si=π (d+2ei)h，其中d為藥柱內徑（初步設計取d=2.2mm），h為藥柱長度（初步設計取h=14mm），ei為藥柱內孔燃燒肉厚。

從圖2可知，隨著裝藥燃燒時間的持續，高壓燃燒室的壓強先是逐漸上升，然后上升速率加快，這主要是由于增面燃燒規律和指數燃速推進劑引起的。

同時從圖2可知，高壓燃燒室后期燃燒結束點壓強達到了65MPa，這將極大地提高燃燒室的結構強度要求，同時對于常規推進劑，高壓燃燒下有可能導致推進劑燃燒失衡，因此需要降低燃燒室的后期燃燒壓強，根據公式（4）可知，可以通過增大噴管喉徑（噴管喉道面積St）來降低燃燒室的壓強。

2.3.2低壓發射室內彈道性能預估

不考慮高壓燃燒室上升段和下降段過程，只從平衡段開始，采用低壓室等溫假設簡化算法，依據高壓燃燒室藥柱累計燃燒質量方程（7）、等溫氣體狀態方程（8）、彈體運動方程（9）、彈體速度方程（10）聯立迭代求解，即可對低壓發射室的內彈道性能、彈體分離速度及對應行程進行預估。圖3為低壓發射式的內彈道性能曲線。

式（7）～（10）中：Ni為低壓發射室燃氣流入質量；τ1為發射室相對溫度系數，取τ1=0.52；V3i為發射室行程增加容積，其中V3i=DLi，Li為彈體在發射室的累計行程；u3i為彈體在累計行程Li時的速度；q2為次要功系數，取q2=1.1；V2為發射室初始自由容積，取V2=30cm3。

圖3　低壓發射室內彈道曲線Fig.3 The interior ballistic curve of low pressure launching chamber

從圖3可以看出，低壓發射室的峰值壓強出現在彈體初始運動段，這主要是由于彈體初始速度很低、燃氣質量流入較大、發射室內燃氣壓強急劇上升引起的，而其峰值為0.96MPa，不滿足技術指標要求。因此，為了盡可能降低低壓發射室的峰值壓強，必須對與發射室壓強有關的設計參數進行優化，以此來降低發射室的峰值壓強。

從公式（8）可知，若是增大低壓發射室初始自由容積V2和彈體初始階段的累計行程Li或降低低壓發射室初始階段的燃氣流入質量Ni，則發射室的峰值壓強將會降低，而其余參數為定量值，可以不考慮。由公式（9）～（10）知，彈體累計行程的增大可以通過延長裝藥燃燒時間來獲得，而延長裝藥燃燒時間必須降低高壓燃燒室的壓強。根據公式（4）知，高壓燃燒室的壓強與裝藥燃面和噴管喉徑有關，因此可以采用減小主裝藥初始燃面和增大噴管喉徑的方法來降低發射室峰值壓強，同時減小主裝藥初始燃面也可以降低低壓發射室初始階段的燃氣流入質量Ni。

3　系統主要設計參數確定

根據對高壓燃燒室和低壓發射室的設計參數及內彈道分析結果可知，在裝藥結構確定的情況下，降低低壓發射室峰值壓強主要有3種方法：增大低壓發射室初始自由容積、減小主裝藥初始燃面和增大噴管喉徑。

（1）增大低壓發射室初始自由容積：主要是通過對燃燒室和發射室的結構進行優化設計，以提高發射室的初始自由容積，最終通過優化設計，其初始自由容積可增大到V2=150cm3；

（2）減小主裝藥初始燃面：主要是通過減小藥柱內孔直徑來實現，為了保證藥柱不發生侵蝕燃燒和可靠被點燃，并保證8根藥柱的燃燒一致性，藥柱內孔直徑不能無限減小，因此根據內彈道預估結果和實際設計經驗，藥柱內孔直徑設計為d=2.2mm，8根總初始燃面Sc=773mm2；

（3）增大噴管喉徑：噴管喉徑增大，會使得燃燒室內的壓強降低，而當壓強降低到一定程度后，8根裝藥的燃燒一致性將會急劇降低，甚至有可能發生斷燃，因此噴管喉徑不能無限增大，根據內彈道預估結果和實際設計經驗，燃燒室初始燃燒壓強應設計為7.0MPa，而其而對應的噴管喉徑dt=3.5mm。

4　內彈道預估及試驗結果對比分析

根據內彈道預估結果確定的系統設計參數，進行了3發產品的性能驗證試驗，將試驗結果與內彈道預估結果進行對比，如表3所示。

表3　內彈道預估結果與試驗數據結果Tab.3 The interior ballistic prediction results and the test results

從表3中的優化前和優化后內彈道預估結果可以看到，方案參數優化后，低壓發射室的峰值壓強得到了極大的降低，從原來的0.96MPa降低到了0.58 MPa，降低了約40％，滿足技術指標要求（P<0.7MPa）；當彈體行程達到0.75m時，彈體速度達到了29.9m/s，壓力持續時間49ms，滿足技術指標要求（v≥25m/s，40ms

從表3中的產品試驗結果和優化后內彈道預估結果可以看到，低壓發射室的產品試驗結果與優化后的內彈道預估結果基本一致，驗證了降壓方案的可行性及內彈道預估的可靠性；高壓燃燒室的初始峰值壓強與優化后的預估結果相差較大，通過分析以為主要是內彈道預估沒有考慮點火藥的影響因素；高壓燃燒室的最大峰值壓強也比預估結果要小，而03產品與01產品的最大峰值壓強差達到了10.3MPa，通過分析認為主要是因為8根裝藥燃燒一致性差引起的，對于該問題可以通過適當增大點火藥量、提高藥柱加工質量和提高藥柱表面阻燃層涂敷工藝來解決。

5　結論

本文以經典的內彈道理論為基礎，根據系統設計參數分析結果及內彈道預估結果，分析了影響低壓發射室峰值壓強的主要因素，提出了降低峰值壓強的3個主要方法：增大低壓發射室初始自由容積、減小主裝藥初始燃面和增大噴管喉徑。最終確定了彈體發射系統的主要設計參數，并在該設計參數條件下，通過試驗驗證了降壓方案的可行性。試驗結果表明優化后的內彈道預估結果與試驗結果基本一致，能夠滿足彈體發射系統的設計要求。

參考文獻：

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Study on the Pressure Reduction Scheme for the Low Pressure Launching Chamber of A Small Missile Launching System

YANG Wen,TU Xiao-chang,CHEN Jing,WEN Chong,WU Hao,LI Jing
（Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi’an,710061）

Abstract：For the problem of high peak pressure of the low pressure launching chamber of a small missile launching system,the main factors affecting the peak pressure were analyzed,based on the classical interior ballistic theory,the system design parameters and the interior ballistic prediction results.The three main methods to reduce the peak pressure were presented,which were enlarging the initial free volume of the low pressure launching chamber,reducing the initial burning surface of the main charge and enlarging the nozzle throat diameter.By the methods,the peak pressure was reduced from the 0.96MPa to the 0.58MPa,which reduced about 40％.Finally,the feasibility of the method and the reliability of the interior ballistic prediction were verified by experiments.And the missile launching system which met the requirements of the technical indicators was designed according to the prediction results.

Key words：Missile launching system；Low pressure launching chamber；Interior ballistic；Peak pressure

作者簡介：楊文（1986-），男，工程師，主要從事點火發動機與燃氣發生器的研究。

收稿日期：2015-09-29

中圖分類號：TJ450.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-1480（2016）01-0001-05