垂直發射裝置排氣道極限承壓性能分析

任克亮，吳利民

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垂直發射裝置排氣道極限承壓性能分析

任克亮，吳利民

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015）

目的研究導彈在意外點火時排氣道的力學性能及導彈發射的安全性，對排氣道的極限承壓性能進行研究。方法建立排氣道的極限承壓的仿真模型，通過水壓試驗及發射試驗，獲取排氣道不同種試驗方式下的極限承壓數據。結果排氣道在導彈正常發射時承壓設計值為0.3 MPa。極限承壓仿真試驗過程中，排氣道在受到0.5 MPa壓強時，所受應力超過材料最大抗拉極限。水壓試驗過程中，排氣道受0.58 MPa壓強時，其結構發生破壞。意外點火試驗過程中，排氣道所受最大壓強值為0.24 MPa。結論排氣道的極限承壓能力可以滿足正常發射及意外點火的發射要求，排氣道的設計裕量充足。

熱發射；排氣道；正常發射；意外點火；極限承壓；

熱發射技術[1-2]可以應用到多種發射平臺上，基于熱發射技術的垂直發射裝置是導彈發射平臺的一種，可兼容多型號導彈的發射。燃氣排導系統是垂直發射裝置的重要組成部分，將導彈產生的高溫高壓燃氣流排入大氣。以熱發射為基礎的燃氣排導系統可分為公共排導方式和獨立排導方式[3-4]。其中同類型號的以公共排導為主要方式的發射裝置燃氣排導性能已有研究，其計算結果定性地描述了燃氣排導系統的各項力學性能[5-13]，但只描述了導彈正常發射情況下的燃氣排導力學性能，未對導彈意外點火時燃氣排導的力學性能進行定量的分析和研究[14]。

排氣道是燃氣排導系統的組成部分，導彈在正常發射情況下，排氣道自身的設計裕度可滿足發射要求。在意外點火情況下，排氣道的極限承壓能力可能影響發射裝置的安全性。研究排氣道的極限承壓性能有著重要意義。

通過建立某垂直發射裝置的排氣道的仿真計算模型，根據不同工況，計算出排氣道所能承受的極限壓力值。通過水壓試驗，對其力學性能進行分析，最后與發射試驗結果進行對比，從而得到排氣道的極限承壓性能。為發射裝置的安全性提供工程設計參考。

1 仿真試驗

導彈正常發射時，排氣蓋打開，燃氣流經排氣道排入大氣。意外點火時，排氣蓋關閉，燃氣流聚集至排氣蓋，將排氣蓋漲破，然后燃氣經排氣道排入大氣。排氣道結構如圖1和圖2所示。

1.1 基本假設

排氣道金屬基體焊接而成，成分為Q345，材料的抗拉極限為470 MPa。

1）排氣道為型腔結構，所有焊縫聯接可靠，通過焊縫聯接的各部件為一整體。

2）排氣道由上、中、下三段組成，由法蘭與外蒙皮焊接而成，各段之間用螺接方式進行連接，計算過程中，各段排氣道上下法蘭采用實體模型。

1.2 邊界條件

采用ANSYS軟件，采用SHELL188殼單元，材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。

1）排氣道內腔上分別均勻分布0.3，0.4，0.5 MPa壓強，共三種計算工況。

2）將排氣道出口和入口法蘭約束，其變形為0。

1.3 計算結果

計算結果如3—5所示，可以看出，排氣道在承受0.5 MPa壓強作用工況下，排氣道所受最大應力為570 MPa，大于材料的抗拉極限值。根據仿真試驗結果，初步分析出排氣道在承受0.5 MPa壓強情況下承壓性能可能失效。

2 水壓試驗

由于排氣道由多段組成，各段之間通過螺釘與密封墊聯接，聯接處涂有密封膠，保證其密封性。抽取一段，采用排氣道工裝對其進行固定，工裝與排氣道法蘭間采用螺釘及密封墊并涂密封膠的形式進行聯接，對其進行極限承壓試驗，排選取特征測試點，收集承壓數據。

2.1 試驗模型及方法

排氣道工裝與排氣道連為一體，一端進水，一端出水。通過壓力泵按照一定的水壓梯度將水打壓至排氣道型腔內，待排氣道出現破壞時，停止打壓，得出排氣道極限承壓最大值，試驗結束后放水。其試驗模型如圖6示。

2.2 試驗條件

1）初始階段，對排氣道整個型腔注水，水注滿后保壓3 min，使排氣道保持平衡承壓狀態，材料處于受力狀態開始彈性變形。

2）待排氣道水壓保持平衡后，對排氣道繼續充水加壓至0.3 MPa，以0.3 MPa為基準，每隔0.02 MPa對排氣道進行加壓。

3）當排氣道出現裂紋，各邊連接處焊縫局部出現開裂，排氣道本體外圍有水滲漏時可視為排氣道已出現破壞，此時的壓強值為排氣道極限承壓值。

2.3 試驗結果

試驗過程中，當排氣道內承壓達到0.58 MPa時，排氣道焊縫開裂，出現漏水，排氣道局部發生破壞。對排氣道各測點測試數據進行分析，得出排氣道最大應力及應變測試點變化規律，結果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，隨著壓強值的增加，排氣道所受的應變與應力逐漸增大，呈線性關系。排氣道金屬基體逐漸由彈性變形向塑性變形發展，直至金屬基體出現破壞。當排氣道金屬基體出現破壞時，此時測得最大壓強值為1 100 MPa，最大變形為9 mm。

3 發射試驗

對于正常發射試驗及意外點火試驗，均在相同發射裝置上進行。在排氣道周圍布置壓力傳感器，并對壓力傳感器進行標定，獲取導彈在發射過程中排氣道所受到的壓力測試數據。發動機主推力最小為2 kN，最大為10 kN，近似呈線性變化趨勢，穩定后其后保持不變。在正常發射及意外點火情況下排氣道所承受的壓強變化曲線如圖9所示，其最大值分別為0.11，0.24 MPa。

排氣道在意外點火情況下所受的壓強值比正常發射情況下大，數值相差2倍。正常發射情況下，排氣蓋打開，發動機的推力短時間（幾毫秒）內由2 kN上升至10 kN，排氣道所受的壓強值小于設計值，可滿足正常發射需求。在意外點火過程中，排氣蓋關閉，當燃氣聚集在整個排氣道內，由于時間短（幾毫秒），整個排氣道形成一個密閉的壓力容器，其所受壓強值短時間內達到一致。當燃氣壓集聚到大于排氣蓋漲破壓強值時，排氣蓋漲破，燃氣排出，此時排氣道內的壓強大于0.2 MPa，但其所受的壓變化規律在正常發射及意外點火中具有相應一致性。意外點火時排氣道所受的壓強高于正常發射情況，但量級相差不大。均能滿足導彈發射時的使用要求，保證了發射裝置在導彈發射時的安全性[15]。

4 結論

1）從仿真試驗、水壓試驗、發射試驗結果可以得出，導彈正常發射時，排氣道的承壓能力滿足使用要求，排氣道金屬基體所受的應變與應力逐漸增大，符合金屬材料力學變化規律，直至破壞。

2）排氣道的承壓能力滿足導彈正常發射及意外點火情況下的使用要求，且具有足夠的設計裕度.

3）根據試驗結果，排氣道的金屬基體材料可進一步優選，優化排氣道的重量，由于排氣道承壓性能有足夠的設計裕度，可以在一定范圍內承受其他型號的導彈發射，為新型發射裝置的工程設計提供參考價值。

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Limit Pressure Property of Vertical Launcher Exhaust Chimney

REN Ke-liang, WU Li-min

(713 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou, 450015, China)

Objective To study limit pressure property of exhaust chimney, mechanical property of the exhaust chimney in unexpected ignition of missile and the safety of missile launching. Methods A simulation model for limit pressures of exhaust chimney was built. Water pressure experiment and launching experiment were carried out to obtain date on limit pressure of the exhaust chimney in different types of test. Results The design pressure of the exhaust chimney in abnormal launching was 0.3 MPa. The stress of the exhaust chimney surpassed the maximum tensile limit was 0.5 MPa. The structure was destroyed at 0.58 MPa in the water pressure experiment. The limit pressure of the exhaust chimney was 0.24 MPa in unexpected ignition. Conclusion The limit pressure of exhaust chimney meets the requirements of normal launching and unexpected ignition. The design allowance of the exhaust chimney is enough.

heat launch; exhaust chimney; normal launching; unexpected ignition; limit pressure

10.7643/ issn.1672-9242.2017.09.011

TJ393

A

1672-9242(2017)09-0053-04

2017-04-19；

2017-05-26

任克亮（1985—），男，河南鄭州人，工程師，主要研究方向為艦載導彈發射裝置技術。