大水深点火水下助推发动机设计要素研究

范　健，翟章明，林　崧，王旭刚，杨　春

(北京宇航系统工程研究所，北京　100076)

大水深点火水下助推发动机设计要素研究

范健，翟章明，林崧，王旭刚，杨春

(北京宇航系统工程研究所，北京100076)

摘要：潜射航行体采用大水深发射方案，能够有效提高发射的隐蔽性，但同时也会对航行体水中段运动控制带来挑战；通过采用助推发动机水下点火结合推力矢量控制，能够对航行体在水中段和出水过程中的弹道和姿态进行有效控制；通过分析水下助推发动机设计需求，对发动机水下点火工作的原理、特点和设计要素开展研究，并给出了明确结论。

关键词：水下点火；固体发动机；设计要素

潜射航行体具有隐蔽性好、机动性强的优点，在传统水下动力装置弹射“无控”发射方式的基础上，采用发动机水下点火并结合推力矢量控制技术，可有效控制水下弹道的姿态，从而可增大航行体的发射深度，使得航行体的使用性能进一步提升[1-3]。

但由于水和空气两种介质的显著差异，使得水下点火固体发动机设计存在较大难度，发动机水下工作时，高温高速燃气流射入水中与水发生强烈的剪切和掺混，相伴着水被高温高压燃气加热迅速汽化、沸腾。流场速度跨越低速至亚、跨、超声速，流体为包含燃气、水汽和液态水的复杂多相流。发动机在大水深状态下点火，不但水和燃气相互作用，会发生翻卷、颈缩、断裂等现象，而且高背压也会导致发动机喷口的激波振荡，进一步甚至会将激波推入喷管内部，导致流动分离和推力损失。

因此，水下点火发动机设计应考虑复杂的水下发射环境，并兼容陆上工作状态。本文从系统角度对水下点火发动机工作原理、特点和设计要素进行研究，并给出了明确结论。

1设计需求分析

水下助推发动机设计需根据总体方案论证时提出的水下和空中飞行段推力和控制力需求及结构安装空间、工作剖面等约束条件开展方案论证和分析，选取合适的发动机直径和长度、结构形式、药型、喷管形式、喉径、扩张比等特征参数。

经梳理，主要设计要素可分为如下6类：发动机外形尺寸设计；水下载荷设计；内弹道设计；推力矢量控制设计；喷管设计；表面凸起物控制。

水下助推发动机的各设计要素之间的主要逻辑关系见图1，可以看出，各设计要素之间存在较为复杂的交联耦合关系，在选取每个设计特征参数时需要综合考虑多方面影响，在满足设计约束条件的前提下给出综合性能最优的方案。

图1　水下助推发动机设计关系

2设计要素分析

2.1　外形尺寸设计

水下助推发动机根据设计需求，既可以作为潜射航行体的Ⅰ级动力参与水下和空中一级飞行，也可以仅作为其水中段、出水过程中和出水后空中飞行段助推级分离前的动力装置，根据总体性能指标优劣分析，国内外潜射航行体一般采用后一种方式。在此情况下，由于潜艇发射筒尺寸为固定值，为提高航行体总体性能，水下助推发动机轴向长度应尽可能缩短，因此在长径比选择上需要向小长径比(L/D<1)方向发展(图2)。

通过高推进剂的装填分数，提高固体火箭发动机的质量比，在体积尺寸受到限制的情况下，保持或提高动力装置的总体性能。

图2　水下动力装置与有效载荷结构关系

同时，由于采用水下助推发动机点火形式的潜射航行体一般采用无尾罩发射方式，因此助推发动机喷管可以伸入发射装置初容室内部，不占用有效载荷宝贵的轴向尺寸空间，喷管长度可在空中飞行状态发动机喷管基础上大幅度延长，通过结构布局优化设计，还可在长尾喷管四周布置推力矢量控制装置等仪器设备，在轴向长度严格受限的前提下可有效提高动力装置的装填密度，进而提高运载性能。

2.2　水下载荷设计

与陆态发射的航行体不同，潜射航行体弹射出筒后，在水下高速运动过程中，其表面某些部位的压力会因绕流的作用而降低，当流场中这些部位水的压力低于饱和蒸汽压时，流场局部将呈现水汽两相流动，这标志着流场中发生了空化现象[4，5]。由于空化现象的发生，以及空泡形成的不对称性，会使水下发动机力学环境条件发生变化，需要承受较大载荷；同时在航行体出水过程中，携带的空泡外侧水层，在大气压力和泡内压力共同作用下，向弹体表面加速运动，在冲击弹体表面的瞬间形成空泡溃灭压力脉冲(图3)。空泡溃灭压力分布将对发动机表面受力及力学环境产生重要影响[6]。

图3　空化对发动机受力影响示意图

为解决水下载荷问题，工程上一般采用两种解决方案，一是采用“无保护发射”，通过对发动机壳体加强提高其承载能力，但壳体的加强会带来发动机质量比的下降，进而影响全弹性能；二是助推发动机增加保护罩，利用保护罩承受水下载荷，在出水后有效载荷本体与保护罩分离，该方案的好处是发动机壳体不用直接承受外载荷，可以实现高质量比，提高性能，但同时也会损失部分径向尺寸。两种方案各有优劣，需根据总体性能指标要求在设计过程中综合权衡。

图4为分别采用“水下保护罩”和“无保护罩”两个不同潜射航行体方案示意，前者的动力装置助推发动机暴露在水环境中，后者的助推发动机则在保护罩中。两个方案的助推发动机在水下大水深发射所承受的水下载荷对比见图5，采用“水下保护罩”方案的载荷明显低于“无保护罩”方案。

图4　无保护罩和水下保护罩动力装置方案

图5　两种方案的发动机水下载荷比值

2.3　内弹道设计

对于小长径比水下助推发动机，由于轴向长度较短，为保证水下推力需求，一般采用在发动机底部端面开翼槽以增大燃面的方式，通过调节燃速确保水下发动机工作时间满足设计要求。

固体发动机在水下工作，喷管出口背压远高于地面环境压力。根据推力

(1)

而在潜射航行体总体设计中为了避免水下运动速度过高产生空化现象，要求发动机工作推力保持在较小的水平。因此，在发动机内弹道设计时需充分考虑喷管背压变化带来的影响，并且为了保持较为平稳的推力输出，中和水深减小带来推力增大，一般采用减面燃烧的药型设计(图7)。

图6　水下10 m发动机推力(推力较小)

图7　减面燃烧装药设计

此外，由于水的阻滞作用，发动机点火瞬间会产生推力将急剧增大，并在达到峰值后迅速回落[7，8]，可能导致航行体运动的不稳定，喷管和推力矢量控制装置在设计时需避免推力振荡带来的冲击，姿控力设计时也应该将影响考虑在内。

2.4　推力矢量控制设计

潜射航行体控制一般分为水动舵面控制和推力矢量控制两种。水动舵面控制主要是通过操控航行体外表面的水动舵面获取水下控制力，该方式不涉及本文内容，在此不再赘述。固体发动机推力矢量控制主要是通过改变发动机喷流方向获取控制力，主要分类如图8所示。

图8　固体发动机主要矢量控制方式

国内外已有潜射航行体水下推力矢量控制主要分为固定喷管和摆动喷管两种型式，其中，固定喷管与扰流片或燃气舵等装置配合使用，改变发动机喷流方向。固定喷管结构简单，可靠性高，并且在水密设计和发动机弹射承压防热设计时较摆动喷管更易实现，因此在早期型号中使用较多，典型如美国战斧的水下助推级采用扰流片控制方式。但受其工作原理限制，在推力矢量角需求较大时，扰流片和燃气舵方案均会产生较大的推力损失，且推力矢量角达到一定程度后，喷管内部燃气流会发生壅塞现象，无法建立超声速流场，会使得发动机推力急剧降低，设计中要避免该现象的发生。

近年来摆动喷管成为主要的发动机推力矢量控制方式，其最大优势在于无推力损失并且消极质量较低。柔性喷管鉴于其制造工艺的复杂性，目前主要应用于大型喷管，而球窝喷管由于其特殊的构造形式，具有很高的环境适应性，较柔性喷管更适合恶劣的水下工作环境和弹射时的喷管反向承力条件(图9)。

图9　球窝喷管示意图

2.5　喷管设计

2.5.1扩张比设计

固体发动机水下点火试验结果表明，若喷管在水下处于过膨胀工作状态，将会出现喷管内的流动分离现象，喷管内压力分布发生变化，近出口处的压力脉动现象严重，流动的湍流度增加，导致喷管内壁热流增加，发生防热材料烧蚀现象。因此，要求助推发动机喷管扩张比满足在最大水深时流动不分离的条件。因此在喷管设计时采用较小的扩张比。喷管出口压力Pe和燃烧室总压P*见下关系式，k为出口燃气比热比，Ma为出口马赫数。

(2)

在设计选定药型参数和出口压力的情况下，根据下列关系式计算得到喷管扩张比。Ae和At分别为喷管出口和喉部面积。

(3)

以60 m水下点火工作，推力需求50 kN为例，喷管扩张比仅为2.4左右，若按照常规喷管设计，则喷管出口面积和外露长度都较小，与发动机后封头的推力矢量控制系统安装空间需求发生矛盾。因此，可以考虑采用长尾喷管设计以满足伺服系统的安装结构要求，但喷管过长又会引起速度损失，从而带来喷管效率的降低，因此在内弹道设计时要综合考虑。

此外，助推发动机需要兼顾水下段和空中段工作，为保证航行体总体性能，在空中飞行段需要大推力，而若采用小扩张比喷管，则喷管出口速度受限，由式(2)和式(3)可知，在燃烧室装药和喷管喉径确定的情况下，发动机推力受到限制，无法满足空中飞行段推力需求。

工程上通常采用两种手段解决这一矛盾：

1) 采用延伸喷管方案。水下段采用小扩张比，空中飞行段利用延伸喷管展开，扩张比增大，提高喷管出口速度进而提高发动机推力。以60 m水下点火工作，水下推力50 kN为例，空中采用延伸喷管后扩张比由2.4增大为12，推力提高至95 kN。推力难以大幅提高的主要原因为喉径和装药不变导致质量流率不变，扩张比增大后带来的出口速度增益有限(图10)。并且，延伸喷管技术复杂，成本较高，一般仅用于高空工作发动机。

2) 采用“单室双推”方案。同一个燃烧室内装填两种推进剂，或者单一推进剂两种药型设计，水下工作段和空中飞行段燃烧室压强不同，满足不同时域内推力需求。但由于发动机壳体主要依据燃烧室压强量值设计，大推力段燃烧室压强高则必然导致壳体厚度增加，发动机结构质量增重，因此两段装药工作压强差异过大会给发动机设计带来较大难度。

图10　满足伺服安装的长尾喷管设计

2.5.2防热设计

在某水下助推发动机推力矢量控制中采用固定喷管+扰流片方案，扰流片部分遮挡喷管出口面以产生侧向控制力。为确保扰流片的摆动顺畅，在扰流片与喷管出口端面之间控制一定间隙。发动机和扰流片工作过程中，喷管出口高温燃气和金属粒子受到扰流片阻挡后，对该间隙进行反复冲刷，烧蚀喷管出口端面，见图11。

图11　扰流片后方喷管出口端面烧蚀

因此，在此类推力矢量控制方案下，喷管结构设计时应考虑将其出口端面采用和内壁面相同的耐烧蚀材料，并且在加工时严格控制喷管出口端面的平面度和粗糙度，考虑发动机工作后的变形量，选取合适的间隙量值。

2.5.3堵盖设计

考虑到发射平台的安全性，采用固体发动机水下点火助推的潜射航行体一般采用无尾罩设计，弹射时喷管堵盖既要能够承受一定时间、压强和温度的弹射燃气作用，以避免筒内堵盖被反向打开后导致发动机筒内误点火等灾难性后果，又要保证燃烧室建压一定时间内堵盖可以从正向顺利打开。因此，在喷管堵盖设计时需要考虑双向载荷，并经过地面试验充分验证其弹射和脱落的可靠性。相对于在空中点火的发动机(堵盖位置一般在喉部)，水下点火发动机堵盖位置一般设置在喷管扩张段，堵盖在发动机点火建压后脱落，不能对预深入喷管出口面的推力矢量控制装置造成损伤(图12)。

图12　水下点火发动机喷管堵盖示意

2.6　壳体表面凸起物控制

多级的潜射航行体通常在发动机表面设置电缆罩，在电缆罩内敷设电缆实现级间电气连接。电缆罩在发动机表面突起，一方面会增加其与发射筒的适配方案设计难度，航行体在水下或空中飞行过程中增加滚转干扰力矩；另一方面，电缆罩为了适应水下工作的载荷，结构强度较大，从而带来较大的消极质量，同时电缆本身以及电缆的进出口还存在水密问题，需要额外考虑密封和防水措施。综上，水下助推发动机在壳体设计时可适当考虑电缆罩下埋，对应部位的燃烧室药柱开槽(图13)。

图13　壳体下埋电缆示意图

3结论

由于水下环境的特殊性，水下助推固体发动机在常规固体发动机设计的基础上，还需重点考虑水下发射带来的水载荷、水弹道、水下推力矢量控制和防水防热等问题。本文系统介绍了水下助推发动机的设计要素和关注点，提出了水下助推发动机设计准则和具体要求，对后续水下助推发动机研究具有一定指导价值。

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(责任编辑周江川)

收稿日期：2015-01-15

作者简介：范健(1983—)，男，高级工程师，主要从事固体火箭发动机基础理论与应用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.005

中图分类号：V19;TJ762.4

文献标识码：A

文章编号：1006-0707(2015)07-0016-05

本文引用格式：范健，翟章明，林崧，等.大水深点火水下助推发动机设计要素研究[J].四川兵工学报，2015(7):16-20.

Citation format:FAN Jian, ZHAI Zhang-ming, LIN Song, et al.Design Element Study on Solid Rocket Motor Working at Great Depth of Water[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):16-20.

Design Element Study on Solid Rocket Motor
Working at Great Depth of Water

FAN Jian, ZHAI Zhang-ming, LIN Song, WANG Xu-gang, YANG Chun

(Beijing Aerospace Systems Engineering Institute, Beijing 100076, China)

Abstract:Underwater-launch at great depth makes vehicle concealable, however the movement control underwater is difficult. By employing trust vector control of underwater solid rocket motor, a stable movement of underwater vehicle can be achieved. This paper studied the theory and characteristics of solid rocket motor working under the water by analyzing design elements of underwater solid motor, and finally suggestions were given on how a well-used underwater solid motor should be built.

Key words:underwater ignition; solid rocket motor; design element

【装备理论与装备技术】