舰载导弹垂直发射装置燃气流场数值模拟

张代国

(海军驻三江航天军事代表室，湖北 三江430064)

0 引 言

舰载导弹垂直发射技术经过半个世纪的发展，以其发射率高、储弹量大、全方位发射、通用性好、生存力强等诸多优点得到广泛应用，例如美国的MK41、俄罗斯的“利夫”和“克里诺克”、法国的“席尔瓦”、北约的MK48和英国的“海狼”导弹发射装置等［1-2］。垂直发射成为舰载导弹的主要发射方式之一［3-4］。

发射装置兼备贮存和发射导弹的功能，贮运时发射装置将导弹与外界环境隔离;在作战时，导弹在发射箱内直接点火发射，燃气通过发射装置燃气排导系统排出，在此过程中燃气排导系统承受的压强和温度载荷是设计发射装置的重要参考数据，国内外大量研究取得了巨大成果［5-6］，为本文计算提供参考。本文主要应用Fluent 软件数值模拟垂直发射装置燃气流场，通过分析发射装置压力室、排烟道和发射箱的压强和温度载荷，为垂直发射装置的设计提供参考。

1 控制方程

数学描述采用欧拉方法，在软件Fluent的基础上计算。根据质量、动量、能量和组分守恒，采用RealiZable k - ε 湍流模型，Navier - Stokes 方程统一为:

在直角坐标系下，3个方向的控制方程离散为:

2 仿真模型

实际垂直发射装置结构复杂，综合考虑流场各影响因素，在不影响流场特性的前提下，数值模拟对模型进行适当简化，忽略发射过程中导弹尾翼对流场的影响，忽略压力室和排烟道的栅格结构。

计算模型简化为发射箱、压力室、排烟道、导弹4个部分，坐标原点在发射箱底面中心O 点位置，整个计算域均采用六面体结构化网格，简化后模型和计算网格如图1所示。

图1 发射装置仿真几何模型和计算网格Fig.1 Simulation geometry model and mesh of vertical launching system

计算中不考虑固体颗粒相，燃气按性质单一、均匀混合、无化学反应、可压缩气体处理;燃气流与外界环境之间不发生化学反应;发动机燃烧室的压强为压力入口，排气盖为打开状态，其他壁面热边界为绝热边界，忽略与外界环境之间传热，对整个模型进行仿真计算。

3 计算结果及分析

图2的马赫数分布显示，发射装置内燃气主流射流区有2个波节组成，2个波节内参数分布规律一致，波节长度随远离喷管而减小，且波节中心马赫数逐渐降低;波节中心马赫数最大，最大马赫数出现在第1个波节中心处。图2的温度分布显示，整个压力室和发射箱温度较高，均在1 400 K以上。

图2 t=0.09 s 时马赫数和温度分布Fig.2 Mach number and temperature distribution when t=0.09 s

图3 压力室底部P1压强随时间的变化显示，压力室底板燃气流正冲点压强较大，维持在1 MPa 以上。在实际工程设计中压力室底板的强度要求较高，通常采取加固措施，或者在发射箱底部增设导流格栅，以减小燃气流对压力室底板的冲击作用。

图3 压力室底部P1 -P8 点压强随时间的变化曲线Fig.3 Variation of the plenum plate′s pressure P1 -P8 with respect to time

压力室底部P2-P8压强随时间的变化显示，压力室底板其他7个位置压强变化规律基本一致，数值上略有差异，压强远小于压力室正冲点的压强，基本均在0.12 MPa 以下。

图4为t=0.09 s 时压强分布显示，压力室底板正冲击区压强远大于其他区域，在正冲点附近压强梯度较大，等压线呈圆形从正冲点向外迅速下降到较低的压强。

图4 t=0.09 s 时压力室底部压强分布Fig.4 Pressure distribution of the plenum plate when t=0.09 s

图5 压力室底部T1-T8温度随时间的变化显示，整个压力室底板均处于较高的温度，温度在1 000 K以上，略有波动;正冲点温度高于其他区域，整个计算过程中压力室底板正冲点附近维持在3 000 K 以上的高温。在工程设计中需要对压力室进行热防护，常用的做法是铺设耐烧蚀材料，以防止压力室正冲击区在高温作用下被烧蚀。

图5 T1 -T8 点压力室底部温度随时间的变化Fig.5 Variation of the plenum plate′s temperature T1 -T8 with respect to time

图6 排烟道内压强和温度随时间的变化Fig.6 Variation of uptake′s pressure and temperature with respect to time

图6 排烟道上点P9-P11压强随时间变化曲线显示，排烟道下部P9先建立压强，其次是中部P10，最后是排烟道上部P11，这也表明压缩波由排烟道下部往上的运动。在整个发射装置燃气排导通畅的状态下，发射过程中排烟道承受的压强在0.06 MPa 以下。排烟道温度随时间的变化显示，随着发动机的持续工作，温度持续上升。由此也可以看出整个发射装置承受的压强载荷是由于运动压缩波的作用，而发射装置承受的温度载荷则源于高温燃气流的流动。

图7 发射箱内压强和温度随时间的变化Fig.7 Variation of canister′s pressure and temperature with respect to time

图8 弹头垂向受力随时间的变化Fig.8 Variation of warhead vertical force with respect to time

图7 发射箱内压强变化显示，整个计算过程中发射箱的压强在0.1 MPa 以下，发射箱温度随时间的变化可以看出燃气的流动，发射箱下部温度先升高其次是中部，最后是上部，在0.03 s 后，整个发射箱内温度在1 200 K 以上。

在燃气排导过程中，0.02 s 之前，随着压力波的运动，作用下对弹头垂向作用力在波动中快速增大到12 000 N，后快速下降到-4 000 N，此后弹头垂向受力在正负2 000 N 之间波动，如图8所示。

4 结 语

根据数值模拟结果和分析，可得出如下结论:

1)发射装置压力室底板正冲点在燃气射流的作用下，压强高达1 MPa 以上，压力室底板需加固，或在发射箱底部增设导流格栅，以减小压力波对压力室底板的冲击作用;压力室其他部位压强在0.12 MPa 以下;整个压力室内温度在1 000 K以上，需铺设耐烧蚀材料。

2)整个计算过程，排烟道内压强在0.06 MPa以下，发射箱压强在0.15 MPa 以下，排烟道和发射箱内温度较高，同样需铺设耐烧蚀材料。

3)弹头垂向瞬间最大受力为12 000 N。

［1］李敬堂.舰载导弹发射装置结构与设计［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2006:1 -3.

［2］吕小红.国外舰载导弹垂直发射装置及其比较［J］.航天发射技术，1999(4):34 -37.

［3］徐廷学，王进才.反舰导弹的发展趋势［J］.飞航导弹.2000(10):19 -20.

［4］李建林，赵占辉.美国MK41 导弹垂直发射系统技术发展状况分析［J］.飞航导弹，2005(9):22 -24.

［5］LEE K S，HONG S K，PARK S O.Supersonic jet impingement navier-stokes computations for vertical launching system design applications［M］.Journal of Spacecraft and Rockets，2004(5):735 -744.

［6］吴利民.舰载导弹发射系统燃气流场的数值模拟［J］.舰船科学技术，2003，25(2):19 -21.