基于热发射技术的垂直发射装置燃气排导系统分析*

任克亮,熊言义

(中国船舶重工集团公司第713研究所,郑州 450015)

0 引言

燃气排导系统是垂直发射装置的重要组成部分,能将导弹产生的高温高压燃气流排入大气。对于同类型号的发射装置燃气排导性能已有研究,其计算结果定性的描述了燃气排导系统的各项力学性能[1-2],但是并未结合实际试验值对燃气排导系统力学性能进行对比,工程应用上不能进一步对燃气排导系统进行优化。

为改善燃气排导系统的环境适应性和工程经济性,文中以某型舰载发射装置为基础,研究了导弹在正常发射和意外点火情况下发射装置燃气排导系统的性能。建立流体仿真模型,结合试验数据,对其性能进行分析。

1 组成与功能

燃气排导系统由压力室和排气道组成,基体为金属材料,金属基体上敷设有耐烧蚀材料,可以承受高温、高压燃气流的冲刷和烧蚀。

压力室与排气道为型腔结构,两者相通,导弹发射时,产生的高温高压燃气流冲刷压力室,经导流后由排气道排入大气。完成燃气排导过程。

2 仿真模型

2.1 结构描述

为详细描述燃气排导系统之间的关系,导弹与发射装置及发射箱分布如图1所示。

图1 燃气排导系统分布图

正常发射情况下,排气盖打开,导弹在发射箱内点火,产生的燃气流向压力室,经排气道将燃气排出;意外点火情况下,排气盖未打开,燃气流经压力室进入排气道,将排气盖涨破排出。

2.2 模型假设

a)发射箱简化为规则空间,导弹作为规则几何体,忽略其它部分对燃气流影响;

b)燃气流为性质单一、均匀混合气体,各成分不发生化学反应且与空气无化学反应;

c)燃气流比热比恒定,物理粘性系数符合Sutherland定律。

控制方程主要由非定常守恒型N-S方程组和k-ε湍流方程组成。N-S方程统一为:

在直角坐标系下,三个方向的控制方程离散为:

2.3 边界条件及初始条件

a)入口总温为气体的定压燃烧温度,总压为发动机内燃烧室内的压强;

b)取无穷远处大气环境状态作为燃气流出口状态,出口压强为环境压强,其它所有区域为壁面边界条件,初始压强、温度、速度为周围环境条件;

c)流体与固体相互作用的边界满足经典边界层函数,壁面边界条件为绝热条件。

2.4 仿真计算结果

仿真几何模型见图2,以硅酚醛材料为耐烧蚀基体,仿真结果云纹图见图3、图4,仿真数值见表1。

图2 仿真几何模型图

图3 正常发射情况下仿真结果云纹图

图4 意外点火情况下仿真结果云纹图

位置最大值正常发射意外点火压力室底部0.441.08压力室周围0.190.23排气道0.110.24

3 试验情况

3.1 试验方法

制作等厚度硅酚醛I型、硅酚醛II型、碳酚醛试样。采用小发动机对其进行烧蚀,其中燃烧室压力(2±0.05) MPa,试样至喷口距离110 mm,测得其线烧蚀率,具体形式见图5。

图5 小发动机模拟试验图示

压力室有多个隔舱位,每个隔舱位可承受多次导弹发射,在不同隔舱位用等量导弹发射后,选定一隔舱位进行意外点火试验,意外点火试验为最后进行,为破坏性试验。两种试验情况下获得测试数据后,对压力室型腔内敷设的三种不同种类的耐烧蚀材料进行切片处理。

3.2 试验数据

3种耐烧蚀材料的小发动机测试数据及试验数据见表2,切片结果见图6～图8。

两种试验条件下压力室底部、周围、排气道特征点测试值见表3,各特征点测试值与计算值对比曲线见图9～图14。

表2 3种材料线烧蚀情况

图6 硅酚醛Ⅰ型材料烧蚀情况

图7 硅酚醛Ⅱ型材料烧蚀情况

图8 碳酚醛材料烧蚀情况

位置最大值正常发射意外点火压力室底部0.680.76压力室周围0.150.24排气道0.130.24

图9 正常发射下压力室底部压力变化曲线

图10 正常发射下压力室周围压力变化曲线

图11 正常发射下排气道压力变化曲线

图12 意外点火下压力室底部压力变化曲线

图13 意外点火下压力室周围压力变化

图14 意外点火下排气道压力变化曲线

3.3 试验结果分析

表2、表3可以看出,对于等厚度的耐烧蚀材料,碳酚醛烧蚀厚度最大,硅酚醛Ⅱ型烧蚀厚度次之,硅酚醛Ⅰ型烧蚀厚度最小。

两种试验情况下压力室底部、周围、排气道所受到的燃气压力变化规律基本一致。

意外点火情况下压力室受到压力计算值与测试值均高于正常发射试验;正常发射情况下,压力室底部压力高于周围,周围高于排气道;意外点火情况下,压力室底部高于压力室周围及排气道处,压力室周围与排气道近似相同;但计算值与测试值重合度较差,因仿真模型中设置的排气盖涨破时间与实际测试值不同,故引起差异。

4 结论

1)对比试验结果与仿真计算结果可得出正常发射情况与意外点火情况下压力室底部、周围最大压力、排气道最大压力不同,压力室底部所受压力最大,压力室周围次之,排气道最小;各特征点在意外点火情况下较正常发射情况下高,但各特征点的压力变化规律相同,可为燃气排导系统的设计提供经验手段;

2)不同的耐烧蚀材料在发射试验中的烧蚀厚度不同,可以判断出垂直发射装置的使用次数。根据烧蚀特性,可对燃气排导系统所敷设的耐烧蚀材料进行优化,提高工程应用的经济性,从而提高垂直发射装置的使用寿命。