艦載導彈固體發動機發射跌落危險性分析

楊 明，黃衛東，李高春，李金飛

（1.海軍航空大學，山東煙臺264001；2.航天工程大學，北京100000）

艦載導彈是艦艇防空、反艦和反潛的主要武器，艦載導彈主要采用傾斜發射和垂直發射兩種發射方式，傾斜發射方式反應時間長、占用面積大、載彈數量少，嚴重制約了作戰效能。垂直冷發射的導彈存在一定點火不成功的概率，這將導致導彈跌落回甲板，產生劇烈碰撞，嚴重的還可能導致推進劑發生點火、爆炸等危險，對艦載人員造成巨大的安全隱患。

為研究固體火箭發動機撞擊安全性，王永杰[1]等對發動機徑向撞擊靶板過程進行了數值模擬，分析了不同撞擊速度下發動機中推進劑裝藥的反應情況。結果表明，發動機徑向撞擊靶板爆炸的臨界速度范圍為150～200 m/s，此時推進劑藥柱內部應力峰值最大可達到30 GPa，但作用時間極短，低強度多次撞擊過程中推進劑會發生延遲爆轟情況；李廣武[2]、劉凱[3]、王宇等[4]均利用火箭撬對高能固體發動機進行了試驗，并利用有限元軟件對撞擊過程進行了非線性動力學模擬，最終給出了高能發動機撞擊靶板不發生爆炸和燃燒的臨界速度等相關信息；縱春黎[5]等通過數值模擬和試驗測試2種手段對高能推進劑的沖擊起爆過程進行了研究，測試結果與計算結果均認為沖擊起爆速度閾值為150～200 m/s；另外，還有許多專家學者對高過載下發動機裝藥的響應等問題進行了大量分析[6-10]。

本文為研究某型艦載導彈發動機冷彈射點火失敗后跌落的問題，開展了有限元分析計算，得到跌落過程發動機的應力、應變及過載情況，分析其危險性。

1 初始條件及基本假設

1.1 材料屬性

分析計算中，選用的主要材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

由于發動機裝藥為粘彈性材料，其彈性模量在高應變率下會有所不同，根據裝藥在跌落過程的應變率大小可以確定其模量的大小，彈性模量E與應變率ε近似服從雙對數坐標下的線性分布：

1.2 模型建立

根據某型發動機尺寸，應用ANSYS/LS-DYNA軟件建立發動機幾何模型，如圖1所示。建立的模型為發動機的一半，不包含尾部噴管的伺服支撐機構。

圖1 發動機模型Fig.1 Engine model

1.3 推進劑反應模型

考慮沖擊起爆過程涉及的壓力遠低于正常炸藥的爆轟，因此選擇推進劑的點火-增長反應模型[11-12]（也稱Lee-Tarver模型）作為可能起爆的各種組分的反應速率方程，點火增長模型反應率函數形式：

式（1）中：F是反應度；t是時間；ρ是密度；ρ0是初始密度；P是壓力；I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z是常數，a是臨界壓縮度，用來限定點火界限。

計算中采用的復合推進劑點火增長模型參數[13]如表2所示。

表2 點火增長模型參數Tab.2 Parameters of ignition and growth model

1.4 初始條件

發動機跌落角度為90°（發動機軸線方向與水平面垂直），且跌落過程角度不變，即發動機跌落至甲板是仍是垂直接觸。發動機跌落接觸的為甲板，且認為甲板固定不動（Y軸方向位移為0），并假設發動機最低點在同一高度（37.5 m）以不同的著地角度落下。則發動機接觸甲板時的速度約為27.1 m/s。

殼體、襯層、裝藥以及尾罩之間定義的為粘接接觸，其余的各個接觸面間定義的接觸為自動接觸。發動機模型采用穩定度較高的掃略網格劃分，網格數量約為22萬個。

2 跌落過程分析

發動機垂直跌落在鋼板上，尾部噴管首先著地，發生較大的形變，尾部的藥柱和殼體也產生較大的變形，隨后發動機然后彈起，如圖2所示。

如果定義材料的失效，Ansys有限元分析軟件會自動將失效的單元刪除，偏離事實情況較大，故沒有定義材料的失效。雖然這樣得到的數值結果偏大，但更有利于判斷發動機的跌落安全性問題。

圖2 跌落過程Fig.2 Drop process

3 數值分析

為了進一步分析發動機各位置能夠影響跌落安全性的數據變化（如應力、應變、溫度等），不妨在發動機的關鍵位置取點（跌落過程中不同時刻的應力最大點）分析，如圖3所示。模型中共取A～F 6個關鍵點，其中A、B、C為靠近殼體的裝藥的尾部、中部及頭部，D、E、F為殼體的頭部、中部及尾部。由于尾罩和噴管對于跌落安全性的影響不大，故不取點分析。

圖3 發動機取點分析Fig.3 Piont analysis of engine

圖4為發動機模型各個關鍵點處的應力、應變、溫度等關鍵數據的變化情況。

圖4 關鍵點數據曲線Fig.4 Date curve of keypoint

由圖4a）可知，跌落碰撞的一瞬間（0～0.008 s）發動機殼體、裝藥的應力均迅速升高，殼體的F點甚至達到了3 GPa，隨著發動機的彈起，應力水平迅速降低，并逐漸趨于0。

由圖4b）可知，跌落碰撞的一瞬間（0～0.008 s）發動機殼體、裝藥的應變迅速升高，變化最大的是裝藥尾部的A點，可達到18%，屬于大變形。隨著發動機的彈起，應變水平迅速降低，并逐漸趨于0。

由圖4c）可知，跌落碰撞的一瞬間（0～0.008 s）發動機裝藥會產生少許溫升，僅僅有幾K，應該不會產生點火反應，隨著發動機彈起，溫度也逐漸降低，趨于常溫（298.15K）。

由圖4d）可知，跌落碰撞的一瞬間（0～0.008 s）發動機的速度迅速變為0并反向加速彈起。

由圖4e）可知，跌落碰撞的一瞬間（0～0.008 s）發動機殼體和藥柱的過載幾乎一致，均超過10kg，隨著發動機的彈起，過載迅速降低。

具體各位置的最大數值如表3所示。

表3 數值分析Tab.3 DateAnalysis

由表3可清楚看出，裝藥應力最大的位置位于發動機尾部，可達到0.69 GPa，應變也達到了18%，相對危險，但裝藥的溫升只有5.45K，幾乎不可能發生點火反應，相對安全。

殼體的最大應力為尾部的F點，可達到3.7 GPa，應變達到2%，有可能產生破壞導致藥柱裸露。這可能會影響對發動機跌落安全性的判斷。

4 結論

1）固體發動機垂直跌落過程，其尾部的殼體和裝藥會產生較大的應力集中，且裝藥的應變很大，有可能產生大變形破壞。

2）通過計算發現發動機內部裝藥溫度會上升少許，僅有幾K，不足以使其發生點火反應。

3）由于尾部噴管和殼體很有可能發生強度破壞，導致內部裝藥裸露，若要判斷發動機跌落的安全性問題，仍需進一步進行研究。