基于能量調節動力系統的變深度冷發射技術

申 鵬，吳新躍，安晨亮

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基于能量調節動力系統的變深度冷發射技術

申 鵬，吳新躍，安晨亮

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

能量調節動力系統的變深度冷發射技術是指通過對輸入發射筒的燃氣量進行調節，實現導彈在水下的變深度發射。首先研究了能量調節動力系統的設計及仿真計算方法；針對某變深度發射條件，進行兩種調節流量特性下的彈射內彈道設計、計算與分析。通過以上研究表明，動力系統及調節動力裝置點火時間通過合理設計，能夠實現變深度發射對內彈道的需求，且點火時間越滯后，出筒速度越低。

能量調節；彈射動力裝置；變深度發射；流量特性

0 引 言

變深度發射主要是指潛艇發射導彈時，可以根據其所處的海洋環境條件和敵我態勢，靈活選擇不同的潛航深度實施發射。變深度發射可大大縮短發射前的準備時間，對于提高潛艇的快速反應能力、生存能力及戰斗力具有重要意義。由于該項技術比較復雜，因此成為了水下發射技術的關鍵技術之一。具有潛射技術的國家都很重視變深度發射技術，美國、法國都已成功將此項技術應用到各自最新的潛射導彈型號中。以美國為例，在實施變深度發射技術后，潛艇能夠在10 min內發射出24枚三叉戟Ⅱ型導彈，發射率大為提高[1~3]。

變深度發射技術隨著彈射動力系統的不同具有不同的調節方案，可歸納為以下幾種：

a）固定能量發射方案。該方案動力系統在不同發射深度下保持不變，但出筒速度將隨發射深度的增加而減小。因此，固定能量發射動力系統能否實現變深度發射，關鍵在于導彈對出筒速度要求范圍是否較寬。美國的北極星A3及海神導彈均采用該種方案。

b）水冷卻器能量調節方案。該方案是一種針對燃氣-蒸汽式彈射動力系統的變深度發射技術方案。燃氣-蒸汽式彈射動力系統主要由燃氣發生器和冷卻器兩部分組成。在實現變深度發射時，根據發射深度的不同，向燃氣流中噴入不同數量的冷卻水，即發射深度較深時，噴入較少冷卻水；發射深度較淺時，噴入較多冷卻水。噴入水量的多少可通過改變噴水孔數實現。美國的三叉戟Ⅱ型潛射導彈就采用了此種方案。

c）更改噴喉直徑調節方案[4]。該方案是通過在彈射動力裝置燃燒室噴管處設計一個調節錐，以調節噴喉通氣面積的大小，進而控制燃氣流量特性。當在最小深度發射導彈時，喉部截面調節至最大值；隨著發射深度的增大，喉部截面逐漸減小；而在最大深度發射導彈時，喉部截面調節至最小。

以上3種方案均有應用先例，具備如下特點：a）固定能量發射方案簡單，但幾乎無調節能力，導彈需具備較強的適應能力；b）水冷卻器能量調節發射方案調節范圍有限，且調節控制機構較為復雜；c）更改噴喉直徑調節方案需增設一套截面調節控制機構，增加了系統的復雜程度，降低了可靠性。基于此，本文提出能量調節動力系統的發射方案，對于無水的燃氣式彈射動力系統，該方案調節控制簡易。本文深入研究了該種方案彈射內彈道的設計及仿真方法，通過算例證明該種方案的可行性，對比遞增流量及恒定流量特性調節方案下的內彈道性能，為后續工程實踐進行了理論探索。

1 工作原理

能量調節動力系統調節方案是在發射筒上增加一個能量調節動力裝置得以實現，組成示意見圖1。在彈射時，該裝置起到補充能量及調節導彈出筒速度的作用。由于燃氣的充入時刻會對彈射內彈道產生影響，為了應對不同的發射深度，選擇其不同的點火時刻，以此達到對彈射內彈道的調節。點火時刻的不同通過彈射動力裝置發控系統的調控得以實現。

圖1 能量調節變深度發射裝置組成

2 設計及仿真方法

2.1 能量調節彈射內彈道的設計方法[5，6]

彈射內彈道設計的任務是依據內彈道設計指標，提供發射動力系統基本設計參數，并為動力裝置結構設計、點火裝置設計及藥柱結構設計提供依據，以確定動力裝置工作時間、筒內燃氣總量、藥柱肉厚與最大燃面、動力裝置的壓力峰值及噴喉直徑等，而設計時需考慮的基本要求有：

a）彈射動力系統必須保證所要求的導彈離筒速度；

b）導彈在發射筒內的加速度不大于某一允許值，且盡量使導彈運動平穩；

c）發射筒內工質氣體壓力、溫度不大于某一允許值。

能量調節內彈道的設計思路同單一彈射動力系統的基本一致，不同的是在進行主彈射動力裝置的設計時還需同時考慮調節動力裝置。結合水下變深度發射工況，彈射內彈道的設計存在兩個設計邊界約束條件：

a）條件1：對于淺水狀態，只有主彈射動力裝置工作；

b）條件2：對于深水狀態，兩個彈射動力裝置同時工作。

而對于發射深度介于深水與淺水的其它工況，則通過控制調節動力裝置的開始工作時間實現。能量調節內彈道的設計流程見圖2。

圖2 能量調節內彈道設計流程

2.2 能量調節彈射內彈道的仿真計算[5，7，8]

能量調節彈射內彈道的仿真計算方法同單動力系統的主要區別在于：由于調節動力裝置的延時點火，需求解的內彈道微分方程組將被調節動力裝置點火時刻分為前后兩部分進行。

2.2.1 基本假設[5]

a）發射筒內的燃氣及充壓氣體視為理想氣體，符合理想氣體狀態方程；

b）連續進入發射筒的燃氣及發射筒內的充壓氣體隨即混合均勻，進行能量交換，形成各點狀態參數均勻一致的混合物，即視為零維狀態；

c）不考慮燃氣組分的變化及發射筒內均壓氣體與燃氣的化學作用；

d）對于傳熱等能量損失，用能量系數考慮，并假設其值在整個過程中為一常數；

e）適配器與發射筒間的摩擦力視為常數，并假定其值在整個過程中保持不變。

2.2.2 質量守恒方程

發射筒內建壓過程包含3個方面氣體質量：a）初容室初始均壓氣體質量；b）主彈射動力裝置、調節動力裝置燃氣質量分別為、；c）調節動力裝置在主彈射動力裝置點火時刻后開始進入發射筒。故質量守恒方程為

2.2.3 能量平衡方程

彈射過程，發射筒內的氣體為3個方面氣體的混合氣體，根據能量守恒得到的混合氣體溫度為

2.2.4 氣體狀態方程

氣體狀態方程為

2.2.5 運動方程

導彈運動方程為

2.2.6 內彈道方程組及其求解

式（1）~（4）共同組成能量調節動力裝置的彈射內彈道計算方程組。該方程組由于調節動力裝置參數項在時刻后的加入，變為了不連續的微分方程組。在求解時分段進行：在初始的0~時間段，求解主彈射動力裝置及發射筒相關方程，并得出時刻的狀態參數，此狀態參數連同調節動力裝置初始狀態參數作為后續段微分方程組求解的初始值進行求解。兩段求解過程的合并結果作為最終的內彈道計算結果。

3 結果及分析

下面將基于兩種不同的調節動力裝置流量特性對彈射動力系統進行設計及理論計算，以驗證該系統設計與仿真方法的正確性，從而進一步證明該技術的可行性。這兩種流量特性分別為遞增流量及恒定流量。設計要求為導彈出筒速度滿足：（44±1）m/s（30.0 m水深）；（36±1）m/s（13.3 m水深）。

3.1 計算結果

3.1.1 遞增流量

遞增流量是指充入發射筒的燃氣量隨時間的變化遞增，對應藥柱的增面燃燒，燃氣流率曲線見圖3a。根據第2節的設計仿真方法，表1為不同調節動力裝置點火時刻內彈道仿真結果。表1結果顯示，通過合理的控制點火時間，能量調節動力系統可以滿足不同的發射狀態需求（不同的出筒速度與發射深度）。調節動力裝置點火時間越滯后，對應的出筒速度越低，發射深度越淺。當只有主彈射動力裝置工作，即調節動力裝置不點火時，滿足發射深度最淺的彈射需求。

表1 遞增流量特性下彈射內彈道仿真計算結果

圖3b~3d為對應的彈射內彈道曲線。從圖3可見，在調節動力裝置燃氣加入發射筒時刻處，壓力曲線向上彎折，調節效果顯著。另外，點火時間間隔越長，發射筒壓力峰值越低，彈體速度曲線越向下發生偏斜，致使最終出筒速度降低。

a）調節動力裝置燃氣流率曲線

b）發射筒內壓力-時間曲線

c）彈體速度-時間曲線

d）彈體位移-時間曲線

圖3 遞增流量特性下不同時間間隔情況內彈道曲線

3.1.2 恒定流量

調節動力裝置的恒定流量特性是指其燃氣質量流率恒定，不隨時間變化，對應藥柱的等面燃燒，燃氣流率曲線見圖4a。表2為在不同調節動力裝置點火時刻內彈道仿真結果。表2結果顯示通過合理的控制點火時間，恒定流量的能量調節動力系統同樣可以實現變深度發射。彈射內彈道曲線見圖4b~4d。

表2 彈射內彈道仿真計算結果

a）調節動力裝置燃氣流率曲線

b）發射筒內壓力-時間曲線

圖4 恒定流量特性下不同時間間隔情況內彈道曲線

c）彈體速度-時間曲線

d）彈體位移-時間曲線

續圖4

3.2 對比與分析

以上結果表明，調節動力裝置遞增與恒定兩種流量特性方案均可以實現對變深度發射內彈道的調節，但二者也存在一定差異：

a）通過對比圖3、圖4可以發現，在調節燃氣注入初始階段，遞增流量特性方案曲線過渡相對平滑，是因為其初始燃面較恒定流量方案小，注入發射筒的燃氣量小造成；

b）遞增流量方案由于最大燃面發生在其藥柱燃燒末尾時刻，故發射筒壓力也在末尾時段達到最大；而恒定流量特性方案壓力峰值則在其藥柱燃燒初始階段出現，并且發射筒壓力峰值小于遞增流量方案。另外，恒定流量方案由于其流量特性相對簡單，甚至可以通過氣瓶充氣代替燃氣方案來實現，是該方案的一個優點。

4 結 論

通過以上的理論計算與分析，可得出以下結論：

a）能量調節動力系統的變深度發射方案技術可行，調節范圍廣，可適用于燃氣式彈射動力裝置。

b）調節動力裝置點火時間越滯后，出筒速度越低，對應發射深度越淺；當其不點火時，可實現最淺狀態的發射狀態。

c）遞增流量特性與恒定流量特性均能作為能量調節動力裝置的方案。恒定流量特性方案發射筒壓力-時間曲線過渡不如遞增流量方案平滑，但發射筒壓力峰值較低，是一種較優的方案。

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Research on the Variable-depth Cold Launch Technology Based on the Energetic Regulating Power System

Shen Peng, Wu Xin-yue, An Chen-liang

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Variable-depth cold launch technology of energetic regulating power system is a technology which can realize the variable-depth launch of missile undersea through regulating the mass of gas into the canister.Firstly, design and simulation calculation method of energetic regulating power system was discussed in the paper. Then the design, calculation and analysis of internal trajectory under two types regulated flow features in variable-depth launch condition were carried out. The analysis result showed that power system and firing time of regulating power device can meet the requirements of internal trajectory in variable-depth launch through reasonable design and the longer of the interval fire time between two gas generators, the lower of the missile speed out of the canister.

Energetic regulating; Ejection power device; Variable-depth launch; Flow characteristic

1004-7182(2016)02-0072-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160216

TJ768

A

2014-12-19；

2015-04-24

申 鵬（1987-），男，工程師，主要從事冷發射裝備及應用技術研究