火箭炮方形發射管流場仿真分析

赫美琳，高明慧

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島125001；2.海軍航空大學，山東 煙臺264001)

0 引言

多管火箭炮武器系統是第二次世界大戰期間主要火力突擊力量[1]，成為世界各國爭先研制和發展的武器系統[2]，在艦船上也應用廣泛。現役艦載火箭炮能形成快速有效的火力打擊速度和密度，且其能攜帶多用途、大威力戰斗部。多管火箭炮具有瞬時提供強大壓制火力、發射多種不同性能的火箭彈、快速再裝填等特點[3]，廣泛應用于軍隊作戰中。現代戰爭要求艦載火箭炮能具備小空間發射能力，減少火箭彈發動機后排尾焰，有必要研究新型發射管改善火箭炮武器系統性能。

目前艦載火箭炮發射方式主要采用火箭發動機敞口發射，如圖1所示?；鸺诎l射時，火箭彈的發動機尾焰通過定向器尾部向后噴射，會產生很大的聲光信號，不利于火箭炮的隱蔽，同時火箭炮根據發射任務，需要有一定的發射空間，不利于小空間發射。

一些學者針對火箭炮在安裝平臺耦合干擾下的輸出調節問題[4]、火箭炮發射系統輕量化[5]、船載火箭炮發射動力學仿真[6]、防空火箭炮剛柔耦合發射動力學仿真[7]、多管火箭炮密閉發射內彈道仿真[8]等問題進行了探討。對新型發射管的研究還較少見諸論文中。

針對此問題，本文研究火箭彈在方形發射管中發射的可行性，設計導流結構排導發動機燃氣，在方形發射管內部安裝定向器，火箭發動機燃氣經導流結構導向前部，從發射管和定向器邊角進行燃氣排導，根據工作條件進行流場仿真分析，為改進火箭炮性能提供參考。

1 火箭炮方形發射管模型

目前艦載火箭炮發射管采用圓形定向器、敞口發射，發動機燃氣通過定向器排導到后方，需要較大的排導空間。由此設計新型發射管，如圖2所示，方形發射管內部安裝定向器，用來約束火箭彈，提供制止力、定向發射等功能。定向器與發射管4個角之間的通道作為發動機燃氣排導通道。

方形發射管尾部作為火箭彈發動機燃氣折轉點，需要設計導流結構，保證燃氣流平滑導向發射管燃氣排導通道，降低內部壓強，導流結構如圖3所示，由導流錐和導流塊組成。

發射箱技術指標：

1)發射箱外形尺寸：200 mm×200 mm×1 900 mm；

2)定向器口徑：130 mm；

3)定向器長度：1 600 mm。

發射箱結構優點：

1)結構簡單、重量輕、體積?。?/p>

2)單管能夠自身解決發射燃氣流排導(各自具有獨立的燃氣流排導系統)，省去了集中、公用燃氣排導系統，使發射裝置占用空間小、適裝性強，火箭彈的發射互不影響，可滿足火箭彈齊射；

3)定向器長度：1 600 mm。

2 發射管內流場仿真模型

應用數值模擬方法，通過ICEM CFD軟件繪出方形發射管的三維流場網格，開展發射管內流場三維非穩態研究，利用FLUENT軟件進行計算，得到計算結果及其相關數據。

通過數值模擬，研究發動機在發射管內的尾流場特性，獲取方形發射管的壓力分布規律等數據，為新型發射管的結構設計提供依據。

根據輸入條件建立幾何模型，如圖4所示。

根據幾何模型建立數值仿真模型，如圖5所示。

局部網格如圖6所示。

噴管入口邊界條件以現有某發動機參數給定為壓強入口，給定燃燒室總溫總壓，分別為2 350 K和9.8 MPa。外部流場出口為壓強出口，溫度為300 K。

求解過程采用分離顯式求解步驟，順序求解各方向上的動量方程、壓力修正方程、能量方程等；時間采用一階顯式方案，控制方程以一階迎風格式進行離散。

3 發射管內流場仿真結果

3.1 尾流場壓力分布

圖7給出了噴管尾部壓力分布云圖，從圖中可以看出在噴管的流動中，噴管上部為高壓區，下部為低壓區，氣流在兩端壓差的作用下流動。沿噴管軸線方向，氣流壓力逐漸降低，在噴管出口處氣壓最小。氣流在收斂段出現急劇轉折，伴隨著氣流的急劇壓縮，壓強急劇下降，因此采用方形發射管排導方式的尾部壓強在安全范圍內，不會影響發動機的安全運行。

圖8給出了發射管導流結構底部壓力云圖，仿真結果可為發射管的設計提供參考。在發射管導流結構氣流轉折的地方壓力最大，達到約3.4 MPa，這主要是導流錐提供了氣流轉向力。隨后是一圈壓力較低的圓環，該處沒有受到氣流的直接沖擊，由于燃氣氣流向上排出，此區域壓強較低，說明燃氣排導較通暢，導流結構起到了燃氣氣流導向作用。

3.2 尾流場速度分布

圖9為發射管內速度分布云圖，速度在噴管內發生了急劇變化，從圖中可以看出，沿噴管軸線方向，速度逐漸增大，在噴管喉部速度達到當地音速，處于臨界狀態。隨著收斂段橫截面積逐漸減小，氣流速度逐漸增加，特別是在轉折處，氣流不斷加速，氣流整體速度越來越大，在出口出現最大值；在擴張段轉折處，氣流繼續膨脹加速，在出口處速度達到最大。經過發射管導流后從發射管流通噴出。

3.3 尾流場速度矢量圖

圖10是導流結構內流場矢量圖，表現了發動機尾部燃氣導流后流動方向。從圖中可以發現，發動機燃氣尾焰通過導流結構的反射，從發射管內部導流通道向上排導出去，導流通道效果明顯。

4 結束語

本文以艦載多管火箭炮為研究對象，針對現有艦載火箭炮尾焰大、發射空間大等問題，提出了新型發射管技術，設計了方形發射管、導流結構和排焰通道，仿真分析了新型發射管內燃氣流場情況。

根據方形發射管及導流結構模型，建立仿真模型，說明了數值模擬過程中使用的各種方程與方法，并對數值模擬的結果做出了分析，明確了發動機尾流場的排導特性。通過仿真分析明確了新型發射管發射火箭彈時燃氣壓強和速度在發射管內的分布情況。

仿真計算結果表明：該新型方形發射管不影響火箭彈的正常發射，能確保發射安全性，且導流結構能將燃氣順利向前排出。由此即可根據實際需求，通過流場仿真，設計合理的新型發射管，滿足火箭炮無尾焰、小空間發射需求，為艦載火箭炮武器系統提供了參考。