同心发射筒系留盖体燃气开启技术

吴利民，宋向涛

(郑州机电工程研究所，河南 郑州 450015)

0 引 言

同心筒式垂直发射装置相较于公共排导发射装置，有其突出的优势和特点，已成为潜载和舰载导弹发射系统的重要发展方向[1-2]。同心发射筒由内外2层圆筒组成的发射筒,内筒为导弹贮存、发射空间，内外筒之间环形空间为导弹燃气的排导通道，底部设有端盖。导弹发射时，燃气流在半球形端盖的作用下流转180°进入环形空间，从环形空间排出[3-4]。在舰载导弹垂直发射领域，发射筒竖直贮存于弹库内，发射筒上方设有装甲盖用于对发射筒和筒内导弹进行防护。由于筒弹贮存密度高，发射反应时间快以及空间有限等因素，不能采取人工开盖或采用复杂的机械开盖方式打开发射筒前盖，多利用导弹点火后的燃气压力实现自动开盖或导弹直接刺穿/撞破前盖。对于弹头不允许碰撞的导弹，首选利用燃气压力实现自动开盖[5-6]。早期易碎前盖利用导弹发射的燃气为动力，将盖体整体吹走，或将盖体破碎为小片吹走[6]。然而，对于舰载发射环境，整体飞走的盖体碎片或分为小块飞走的盖体碎片均可能掉落在甲板面上，存在损坏甲板面设备的风险。因此，有必要研究盖体裂片系留在发射筒上的利用燃气压力实现开启的开盖方式。

1 燃气吹开盖体方案

某舰载导弹在同心发射筒上发射，要求导弹出箱前，利用导弹发射的燃气吹开盖体裂片，导弹出箱后，盖体裂片仍系留在发射筒上。前盖破裂后被燃气吹开方案可采用盖体破为多块（以4块为研究对象）后被吹开方案或盖体整体被吹开方案。

盖体被分为4块方案被吹开的方案见图1(a)。盖体破裂为4块裂片，每块裂片根部均设有一系留根部。裂片在燃气作用下，能绕根部转动。盖体整体被吹开方案见图1(b)。盖体破裂后裂片为一整体，在根部设置一个系留根部。盖体整体在燃气作用下可绕系留根部转动。在燃气吹开裂片过程中，裂片是否能被燃气吹开90°，燃气被裂片反射到发射筒内对导弹的影响，是关系燃气吹开盖体方案可行性的关键问题，因此需对燃气吹开盖体过程进行模拟计算。

图1 燃气吹开方式简图Fig.1 Two different opening methods of the reserved cover

2 燃气开盖过程计算

研究对象为某型舰载导弹发射筒，筒体结构为同心筒结构。为便于比较，导弹、发射筒参数均相同，盖体整体密度分布相同，盖体分为4片后，存在4处系留根部（转轴），每块裂片系留根部结构均相同，且与整体盖片系留根部参数一致。

2.1 盖体裂片运动计算

盖体破裂后，裂片之间完全断开，裂片张开过程可简化为裂片绕根部O点作刚体转动（见图2）。对单个裂片，由动量矩定理：

式中：θ为裂片张开角度；I为转动的系留盖体裂片绕根部转轴O的转动惯量；为盖体裂片绕根部转轴O的转动角加速度；r为盖体裂片上一点到绕根部转轴O的距离；P为燃气流作用在r点的压强；S为盖体裂片转动部分的面积（扇形面积）；Mg为盖体裂片重力产生的力矩；M(θ)为盖体裂片绕根部转轴O转动过程中的阻力矩，是裂片张开角度θ的函数。裂片张开阻力矩实验测量数值如图3所示。

图2 系留盖体裂片张开状态受力图Fig.2 Force analytical graph on the opened reserved cover

图3 转动阻力矩与盖体裂片绕根部转动角度的关系Fig.3 Variation of resistance moment with the rotation angle of the reserved cover

2.2 燃气打开裂片流场仿真[7]

流体计算使用有限体积法，对控制单元的任意标量 φ建立积分形式的三维可压缩非定常N-S方程。设控制体的体积为V，周围面积为A，向量dA表示周边的微元表面积，指向界面的外法线方向。流体控制方程有通用的形式：

式中： Γ 为耗散系数；Sφ为源项； ρ为流体密度；u为燃气速度，裂片网格节点的运动速度为裂片转动速度 θ˙按式（1）计算。

3 计算结果及分析

3.1 燃气压力波运动[8]

3.1.1 盖体分 4 块被吹开

导弹发射过程中，盖体分4块被燃气流吹开过程如图4所示。导弹点火后，燃气流压力波主要经同心筒内外筒之间的环形通道，由下到上作用到盖体上。在盖体中心聚集，形成向发射筒下部运动的反射波。该反射波从上向下运动，作用到弹头上，并沿弹体向下运动。在此过程中，盖体受中心压力波作用，中心拱起。中心压力波持续作用下，4片裂片均绕各自根部向外旋转。随着裂片继续向外翻转，裂片之间的空间足够大，压力波从裂片之间的空间消散，发射筒内压强开始降低。裂片完全打开后，内筒、内外筒之间环形区域压强均降低。仿真结果表明，盖体裂片能被燃气吹开到90°，裂片从初始角度0°到打开90°时间大概需 11 ms。

3.1.2 盖体整块被吹开

导弹发射过程中，盖体整体被燃气流吹开过程如图5所示。导弹点火后，燃气流压力波主要经同心筒内外筒之间的环形通道，由下到上作用到盖体上。在盖体中心聚集，形成向发射筒下部运动的反射波。该反射波从上向下运动，作用到弹头上，并沿弹体向下运动。在此过程中，盖体受中心压力波推动，向外整体翻转。由于盖体翻转，盖体上压力波汇聚点不在是盖体中心，开始向开盖方向移动。而被盖体反射的压力波也开始向盖体开口处偏移。作用在内筒壁面，经内筒壁面反射作用在弹体上。随着裂片继续向外翻转，盖体与发射筒之间的开口足够大，盖体中心的压力波从开口处消散，发射筒内压强开始降低。盖体完全打开后，内筒、内外筒之间环形区域压强均降低。仿真结果表明，盖体整体能被燃气吹开到90°，盖体裂片从初始状态的0°到打开90°时间大概需31 ms。

图4 盖体分4块开启过程发射筒内燃气压力变化过程Fig.4 Variation of the pressure in concentric canister launcher with time during the opening of the reserved cover which is divided into 4 pieces

图5 盖体整体开启过程发射筒内燃气压力变化过程Fig.5 Variation of the pressure in concentric launching canister with time during the opening of the reserved cover which is as a whole

3.2 导弹头部承受的压强

仿真过程中，导弹头部压强测点位置图如图6所示。导弹头部在燃气吹开盖体过程中，导弹头部受到的压强如图7和图8所示。在盖体被吹开过程中，盖体处于初始位置时，压力波在盖体聚集，并反射，作用到导弹头部。该过程在2种方式开盖过程中一致，故导弹头部第1个峰值相同。在盖体分为4块开启的方案中，裂片打开速度快，发射筒内压强降低速度快，作用在弹头上的第2个压强峰值持续时间短，峰值低。在盖体整体开启的方案中，整体裂片打开速度慢，发射筒内压强降低速度慢，作用在导弹头部的第2个压强峰值持续时间长，峰值高。

图6 导弹头部压强测点布置图Fig.6 Arrangement of pressure measuring points on missile head

图7 导弹头部顶端压强（测点 1）Fig.7 The pressure on the top point of missile head

图8 导弹头部两不同侧边点压强Fig.8 The pressure on two different side points of missile head

4 结 语

2种方案燃气均能将裂片吹开到90°。盖体分为4块被燃气吹开方案，裂片打开速度快，导弹头部受压持续时间短，发射筒内压强降低速度快。盖体分为4块被燃气吹开方案优于盖体整体被吹开方案。本文仅从燃气流场角度对以上2种方案进行评估。在盖体设计过程中，还需考虑盖体裂片对导弹出箱过程的影响，盖体裂片生产工艺、可靠性等诸多因素，有待进一步研究。