弹射装置装药增面比参数影响分析

薛潇潇，张建欣，祝庆龙，曹钦柳，王蓬勃

(上海航天动力技术研究所，上海 201109)

0 引言

在纯燃气式弹射装置中,导弹出筒速度、加速度以及高压室、低压室压强的变化规律,都与装药燃面的变化规律息息相关。通过改变装药结构从而改变燃面变化规律,是控制导弹弹射性能的有效手段。

导弹的弹射式发射是指利用导弹以外的压强源,如燃气、压缩空气等形成发射动力,将导弹发射出去,也称冷发射。弹射时,弹上发动机在导弹飞离发射装置一定距离后点火工作,不需要导流、排焰等处理措施,且便于利用地形地貌进行伪装和隐蔽[1],因此在导弹的地面、地下、空中、水下等使用环境的发射活动中得到广泛应用。

在导弹的弹射方式中,燃气式弹射最为常见。纯燃气式弹射装置结构设计简洁、数学模型简单,惠卫华等[2]基于动力学及运动学的复杂模型,利用已有燃气发生器高压室试验数据建立了低压室内弹道及运动学求解方程组并编写了系统软件;杨勇等[3]设计了一种导弹弹射用燃气发生器,对其作用过程进行了数学建模及数值仿真求解;王海清等[4]研究了燃气发生器喷管孔径对其内弹道性能的影响;刘源翔等[5]为提高燃气发生器燃气流量控制效果,建立了系统的动态模型并设计了线性自抗扰控制器对其进行控制;付文娟等[6]研究了通过药柱点火时序控制实现采用单一发射系统对不同重量及初速的导弹发射的燃气驱动方案;梁倩倩等[7]针对空空导弹的弹射发射提出了一种含挂钩机构的导弹弹射装置的刚柔耦合多体动力学模型;张新桥等[8]研究了冲压发动机地面引射燃气发生器低频非稳态燃烧现象;赵世平[9]研究了水下导弹弹射过程中火药燃烧产物水蒸气对导弹弹射弹道模型的影响;程洪杰等[10]研究了基于导弹压力冲击平滑的燃气弹射装置环形腔结构参数次序优化;李显龙等[11]研究了舰载导弹垂直冷发射过程中风载荷对导弹出筒的影响。

在导弹武器系统中,采用固相装药的纯燃气式弹射装置因其免维护、高可靠的优良特性得到广泛应用,现有研究大多对弹射器的作用过程建立数学模型并求解导弹发射初速,或针对燃气流量进行控制从而获取差异化的弹射力,但缺少关于弹射器装药结构对导弹出筒过程影响的计算与分析。文中针对采用固相装药的纯燃气式弹射装置研究高压室内弹道设计过程中装药增面比参数对导弹出筒运动特性的影响,分析了5种不同装药结构的增面比表达式,通过方程组、运用软件数值仿真求解了高压室、低压室压强及导弹出筒速度、加速度,并根据计算结果进行对比得出结论。

1 装药增面比建模及内弹道分析方法

1.1 不同装药结构的增面比

在装药设计时,常常以工作末时刻的燃面面积Sbt与工作初始时刻的燃面面积Sb0之比作为理论增面比,并以设计参数的形式予以固化。

不包覆多根单孔管状药的增面比z1、燃面积Sb1理论表达式分别为:

z1=-4npπ(D+d)

(1)

Sb1≈npπ(D+d)L

(2)

两端包覆的多根单孔管状药的增面比z2、燃面积Sb2理论表达式分别为:

z2=0

(3)

Sb2=npπ(D+d)L

(4)

两端面和外侧面包覆的多根单孔管状药的增面比z3、燃面积Sb3理论表达式分别为:

z3=2πnpL

(5)

Sb3=npπ(D+2e)L

(6)

一端面和外侧面包覆的多根单孔管状药的增面比z4、燃面积Sb4理论表达式分别为:

(7)

(8)

半球面和端面包覆的多个半球形药的增面比z5、燃面积Sb5理论表达式分别为:

z5=4πnpr

(9)

Sb5=2npπ(r+e)2

(10)

当z>0时,装药增面燃烧;当z=0时,装药恒面燃烧;当z<0时,装药减面燃烧。从式(1)～式(10)可以看出,不包覆多根单孔管状药为减面燃烧,两端包覆的多根单孔管状药为恒面燃烧,两端面和外侧面包覆的多根单孔管状药、一端面和外侧面包覆的多根单孔管状药、半球形药均为增面燃烧。

1.2 高压室及低压室内弹道分析方法

将上述5种不同装药结构的增面比z值代入经典高压室内弹道方程组及低压室内弹道方程组[1],可以计算得到高压室、低压室压强及导弹出筒速度、加速度,计算方法采用西北工业大学鲍福廷教授团队开发的发射动力系统总体设计软件完成。

下面对导弹弹射过程中弹射装置的装药增面比参数的影响展开仿真分析。

2 导弹出筒运动特性影响分析

2.1 减面、恒面、增面燃烧的装药结构对导弹出筒运动特性影响

选取z1=-5.28,z2=0,z3=1.76的3种装药结构(z1对应不包覆多根单孔管状药、z2对应两端包覆的多根单孔管状药、z3对应两端面和外侧面包覆的多根单孔管状药),分别对应减面、恒面、增面燃烧的装药结构。在推进剂性能参数、装药结构、装药量、燃烧室条件完全一致的情况下先后进行高压室、低压室的P-t曲线求解,固体推进剂性能参数见表1,装药结构参数见表2,燃面变化规律见图1,高压室、低压室内弹道性能计算结果见图2,相应导弹出筒性能计算结果见图3。

图1 燃面变化规律Fig.1 Change pattern of burning surface

图2 弹道性能计算结果Fig.2 Ballistic performance calculation result

图3 导弹出筒运动特性Fig.3 Missile exit motion characteristics

表1 固体推进剂性能参数Table 1 Solid propellant performance parameters

表2 装药结构参数Table 2 Charge structure parameters

从以上计算结果可以看出,弹射装置的装药燃面变化规律与高压室压强变化规律基本一致,低压室压强变化规律与导弹出筒加速度变化规律基本一致;低压室压强曲线在3种情况下均保持先升后降的趋势,但压强峰值及出现时间点存在明显差异;导弹出筒速度较为接近。

对减面、恒面、增面燃烧的装药结构进行导弹出筒运动特性计算后发现,减面、恒面、增面燃烧规律直接对高压室工作压强和工作时间产生影响,从而对低压室压强产生影响。燃气在越短的时间内流动至充满低压室,会使得发射筒内导弹越早、越快离筒。

在装药质量相同、出筒行程(筒长)相同的情况下,3种装药结构导弹出筒速度Vm接近,增面燃烧的装药结构导弹出筒加速度明显低于减面、恒面燃烧装药。

出筒加速度过大对发射设备会造成大过载,缩短设备使用寿命。由于3种增面比装药带来的出筒速度接近,因此相同条件下出筒加速度最小的增面燃烧装药结构对应的导弹出筒运动特性最佳。

2.2 增面燃烧装药结构增面比大小对导弹出筒运动特性影响

选取z4=3.96,z3=4.40,z5=5.65的三种装药结构(z4对应为一端面和外侧面包覆的多根单孔管状药、z3对应两端面和外侧面包覆的多根单孔管状药、z5对应半球面和端面包覆的多个半球形药),增面比z>0且递增。在推进剂性能参数、装药量、工作时间、燃烧室条件完全一致的情况下先后进行高压室、低压室的P-t曲线求解,推进剂性能参数见表1,2种管状药的装药结构参数见表3,半球形药的装药结构参数见表4,燃面变化规律见图4,高压室、低压室内弹道性能计算结果见图5,相应导弹出筒性能计算结果见图6。

图4 半球形装药结构燃面变化规律Fig.4 Change pattern of burning surface of hemispherical structure

图5 燃面变化规律(压强-时间曲线)Fig.5 Change pattern of burning surface(pressure-time curve)

图6 导弹出筒运动特性Fig.6 Missile exit motion characteristics

表3 管状装药结构参数Table 3 Structural parameters of tubular charges

表4 半球形装药结构参数Table 4 Structural parameters of hemispherical charges

从以上计算结果可以看出,在增面燃烧装药结构中,高压室压强变化规律与装药燃面变化规律一致,低压室压强变化规律与导弹出筒加速度变化规律一致;低压室压强曲线遵从先升后降的趋势,压强峰值及出现时间点存在差异;相同装药质量下,3种装药结构工作时间接近、出筒速度接近;在本算例中,与管状增面燃烧装药结构相比,半球形装药结构增面比提升28.4%～42.7%、导弹最大出筒加速度降低20%～40%,导弹出筒运动特性最佳。

3 结论

通过计算、分析,论证了弹射装置的装药燃面变化规律中增面比参数对导弹弹射出筒性能的影响,得出如下结论:

1)对于圆柱形单孔管状装药,增面、恒面和减面燃烧装药对导弹出筒的速度影响不大;增面燃烧装药可以显著降低导弹出筒的峰值加速度,这有助于降低发射设备的过载。

2)装药增面比可以由单孔管状装药的z=1.76提高到半球形装药的z=5.65,可见半球形装药可以在三维方向上实现更大的增面比。

3)在装药质量相同、出筒行程(筒长)相同的情况下,与管状增面燃烧装药结构相比,半球形装药结构增面比提升28.4%～42.7%、导弹最大出筒加速度降低20%～40%,导弹出筒运动性能得到明显提升。