基于某型导弹发射箱盖毁伤的机理分析*

郑守峰

(91851部队 葫芦岛 125001)

基于某型导弹发射箱盖毁伤的机理分析*

郑守峰

(91851部队 葫芦岛 125001)

在导弹发射过程中,发射装置及附属设施易受较大程度破坏,论文在对导弹发射装置毁伤机理进行分析的基础上,探讨了问题发生的原因,并对提高发射装置使用的可靠性提出了改进措施。

燃气流; 发射装置; 毁伤; 机理分析

1 引言

在导弹发射中,燃气射流常常会对发射装置以及附属设施造成损坏的现象。近年来某型导弹的发射情况中多次出现发射装置及附属设施被燃气射流破坏的现象。其中较为严重的三次为: 1) 发射箱盖与发射箱连接固定部件一侧折断、一端严重变形,发射箱盖旋转约90°; 2) 安置在发射装置侧面的组合天线支撑杆根部断裂倒地,组合天线摔坏; 3) 发射箱盖与开关盖机构连接的连杆断裂,发射箱盖与发射箱的铰链连接损坏,发射箱盖被燃气流吹飞,砸坏电气信号电缆芯线及电缆插座。针对这类问题,本文对问题发生的机理进行分析,探究问题发生原因,并采取相应的改进措施。

2 发射装置损坏现象的机理分析

2.1 燃气射流对物体的冲击效应

导弹的动力装置都是基于反作用原理产生推力的,因此必然出现发动机的大量高速高温燃气要从喷管中喷射出来的现象,于是产生了燃气射流。燃气射流在发射技术中是一种不利因素,它对发射阵地、地面或舰面设备尤其是发射装置、附属设备以及发射初始精度等都将产生不同程度的影响[1]。

导弹发射状态时,燃气射流影响主要表现在:

1) 导弹在发射装置上滑行时,燃气流对发射筒(箱)内壁造成破坏及对弹体造成一定影响;

2) 导弹离开发射装置后,燃气流对发射装置及附属设备产生的冲击效应;

3) 发射装置后方燃气流对环境的冲击等。

2.2 物体在正面气体作用下气动载荷确定的一般方法

物体的垂直于气流方向的总的气动载荷取决于物体相对气流方向的正面迎风面积和气流动压头在整个面积上的分布规律[2]。忽略导弹飞行速度以及燃气射流与发射装置干扰对流场压力的影响,根据燃气自由射流的经验估算法,燃气流场内任一点(x,r)的传感器总压可用下式表示:

q(x,r)=ae-b2r2

(1)

式中,x为沿燃气射流中心线由喷口截面开始度量的距离;r为射流中任意一点到对称轴的垂直距离;a、b为根据x的范围选取的系数。

若在射流中放置任意形状的物体,且其正迎风面亦可表示为x和r的函数,即

S=S(x,r)

(2)

那么,此时物体所受总的气动力为

(3)

2.3 燃气射流对平板的斜冲击

为了方便对发射箱开关盖机构受损机理的分析,先讨论燃气射流对平板的斜冲击。燃气射流对平板的斜冲击的总载荷是有关燃气流的强冲击问题的重要参量。这一载荷的主要分量是由表面压力所引起的垂直于平板的力[3]。

图1中给出了流场、控制体以及有关的符号。控制体两侧选在离喷管很远的地方,以致那里的流动可以看作平行于平板。

忽略因卷吸流过各表面而引起的动量通量和表压并设喷管流量是轴对称的,喷口压力和动量是沿着射流轴线方向,用φ表示它们和的大小,垂直于平板的分量为φsinθ,这样,如果Fi为冲击压力对平板的垂直作用力,那么在垂直于平板的方向上有:

Fi-(paAc-paAesinθ)=φsinθ

(4)

式中,Ae为喷口面积;pa为环境压力。

若将平板背面的压力取成大气压,那么净垂直力变为

F=Fi-paAc=φsinθ-paAesinθ

(5)

根据喷管喷出气流是轴对称的假设,则有

(6)

式中,α为气流流动中心线的当地倾角;ρ为燃气密度;v为燃气速度。

图1 燃气射流对斜板的冲击流场1-控制体;Ac-控制体在斜板上的面积;Ae-喷口面积

(7)

3 燃气射流对发射装置毁伤现象的机理分析

本文仅以发射箱盖被吹飞的现象为例对燃气射流破坏机理进行分析,结合相关文献[5]数据得出以下分析。

具体现象:发射箱前盖与开盖电机相连的拉杆断裂、开盖电机保护限位块的钩形限位槽被拉大、连接电机和拉杆的轴有少许弯曲变形、箱盖与发射箱连接铰链破坏、箱盖吹飞、电气信号电缆插座被箱盖碰砸变形、助推器点火电缆芯线被砸断。

导弹发射装置受到破坏是多种因素综合作用的结果。相关文献表明[7～8],主要原因是助推级推力偏心、装药燃速快、推力加大以及发射箱开盖角度过大等因素综合作用引起的。显而易见,这种破坏是可以避免的,究其发生的原因,主要有以下几个方面:

1) 设计时对导弹发射产生的燃气射流对部件的破坏作用的实际效果估计不足,据研制单位介绍,发射装置开关盖机构的设计只是在工作需要的基础上,再按照经验选取一定的保险系数。因此,对不同型号导弹的特殊性能缺乏充分估计和考虑,造成了很大的安全隐患。

2) 在设计过程中对助推级推力偏心,最大极限推力考虑不足,推力偏心及推力增大的同时增加了燃气射流对发射装置的冲击破坏作用。

3) 在结构设计中,充分考虑导弹飞离发射箱的安全性后加大了发射箱开盖角度,但忽略了由此而产生的发射箱盖平面受到燃气射流冲击力增大带来的负面影响[7]。

4) 某些附属设备在设计阶段只考虑了自然环境因素的影响,没有考虑导弹发射本身产生的影响。例如在某型导弹发射装置侧面安装的组合天线的设计时,只考虑了风速带来的影响,而没有考虑燃气射流带来的影响。

4 解决措施及建议

4.1 解决措施

综上所述,针对该问题,采取加强连杆强度方案,更改原拉杆材料为45#钢并进行调质处理,同时将其长度改为螺纹可调整式,降低箱盖的开启角度,其开盖角度由原来的96°降为91°,以减轻燃气流对发射箱盖平面的垂直冲击力。并根据计算结果对箱盖其余薄弱部分进行了加强,将曲柄、铰链座、电机限位块都进行了形状、材料和固定等改进以提高强度,设计裕度较原来提高了4倍。经后续试验证明改进措施正确有效。

4.2 改进建议

由此可见,只要设计时充分考虑了上述各点,就会使造成的损害得以避免或将其降低到最低限度。参考相关文献[9～10],建议在以下方面进行改进:

1) 在按照经验选用设计保险系数的工作中,利用仿真技术及测量等手段,获取具体型号导弹实际设计时所需要的数据资料,尽可能使设计工作与实际使用情况保持一致。

2) 全面充分考虑燃气流对发射装置及附属设施的作用效能,尤其是各系统技术指标的边界条件数据。例如上面提到的助推级推力偏心极限以及+60℃时的最大推力,确保被设计系统或结构在系统中相关设备处于极限工作状态时有足够的抗损毁能力。

3) 在结构设计中综合考虑工作环境,除了保证工作需要外,还应兼顾安全可靠性要求,例如前面所述,发射箱盖开启角度的大小既要考虑导弹安全飞离发射箱的要求,还要考虑受到燃气射流冲击作用要尽可能小。

4) 对某些附属设施的防护,在考虑自然环境影响的情况下,还要重视导弹发射过程本身诸多因素对其造成的影响。

5 结语

对受损设施本身及其毁伤原因进行分析,可以发现受损部位大多不是发射装置的主体结构,多属于辅助或附属设施。因此,设计应充分考虑主要结构之外的其它设施的抗损毁能力。只要我们对导弹的工作环境和发射条件进行充分研究,并采取相应的防护措施以提高导弹发射装置及其附属设施在导弹发射过程中的抗损毁能力,从而提高发射装置的使用可靠性。

[1] 高明坤.火箭导弹发射装置构造[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[2] 姚昌仁.火箭导弹发射动力学[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[3] 吕佐臣.飞航导弹发射装置[M].北京:宇航出版社,1996.

[4] 李建明,徐航.穿甲弹对主战坦克毁伤的计算分析方法[J].弹道学报,1998(1):223-225.

[5] 秦德禄.中国新型导弹发射车[J].现代兵器,2005(5):57-61.

[6] 宋浦,肖川,梁安定,等.炸药空中与水中爆炸冲击波超压的换算关系[J].火炸药学报,2008(4):135-142.

[7] 曹兵.破片对巡航导弹燃油舱冲击引燃的实验研究[J].火炸药学报,2008(6):67-73.

[8] 姚文进,王晓鸣,李文彬,等.低附带毁伤弹药爆炸威力的理论分析与试验研究[J].火炸药学报,2009(2):44-46.

[9] 王晓强,朱锡.舰船用钢抗弹道冲击性能研究综述[C]//2009年船舶结构力学学术会议暨中国船舶学术界进入ISSC30周年纪念会论文集,2009:543-547.

[10] 王林,李晓辉,刘永付,等.基于比动能标准的战斗部杀伤威力评价方法研究[C]//2012航空试验测试技术学术交流会论文集,2012:612-615.

Mechanism Analysis of Certain Missile Launching Tank Cover Damage

ZHENG Shoufeng

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

In the process of the launching missile, launching equipment and ancillary facilities are easy to be damaged at the greater degree. This essay discusses the reasons of the problems, which are based on mechanism analysis of the missile launching tank cover damage, and puts forward the measures for improving the reliability of the launching missile.

gas flow, launching equipment, damage, mechanism analysis

E927

2016年8月19日,

2016年9月30日

郑守峰,男,助理工程师,研究方向:雷达工程及靶弹控制技术。

E927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.037