張曉航+李立翰+何勇攀

摘要：隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，整體式液體沖壓發(fā)動機成為新型空射導(dǎo)彈動力系統(tǒng)的優(yōu)選方案。本文對空射導(dǎo)彈用整體式液體沖壓發(fā)動機不同形式的進氣道出口堵蓋進行了比較，重點介紹了一種易碎式堵蓋，并對其受力和破碎性情況進行了分析和驗證，結(jié)果表明該易碎式堵蓋可以滿足整體式液體沖壓發(fā)動機對進氣道出口堵蓋設(shè)計時的強度、密封等要求，可為其在未來先進空射導(dǎo)彈上的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：空射導(dǎo)彈；液體沖壓發(fā)動機；進氣道出口；堵蓋

中圖分類號：V434 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0032-05

0 引言

新型空射導(dǎo)彈多任務(wù)、遠射程、輕重量的特點對動力裝置提出了更高的要求。沖壓發(fā)動機沒有壓氣機及渦輪等轉(zhuǎn)動部件，質(zhì)量輕，超聲速（Ma 1.5～Ma7.0）飛行時，比沖和航程參數(shù)上有明顯的優(yōu)越性（比沖可由固體火箭發(fā)動機的2200～2500N·s/kg提高到10000N·s/kg左右），是一種結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性較好的吸氣式發(fā)動機[1-3]，特別適合作為超聲速、高超聲速、遠航程飛行器的動力裝置。

沖壓發(fā)動機的上述優(yōu)點可以使新型中遠程空射導(dǎo)彈擁有以飛行馬赫數(shù)3.5～4.0攻擊400km以外大空域范圍內(nèi)有相當(dāng)機動性能空中目標的能力。

沖壓發(fā)動機由進氣道、燃燒室、尾噴管、燃料供應(yīng)和控制系統(tǒng)等主要部件組成[4]，高速氣流經(jīng)進氣道減速增壓，再進入燃燒室與燃料混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣經(jīng)尾噴管膨脹加速后排出，從而產(chǎn)生推力，其工作原理如圖1所示。液體沖壓發(fā)動機采用靈活的燃油流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，根據(jù)彈道的需求進行推力大小的調(diào)節(jié)，發(fā)動機燃燒效率高，特別適合高速巡航，因此在世界各國空射導(dǎo)彈中得到了廣泛應(yīng)用，如美國的先進戰(zhàn)略空中發(fā)射導(dǎo)彈（ASALM）、空射小體積沖壓發(fā)動機（ALVRJ）、先進攔截空空導(dǎo)彈（AIAAM）、法國的常規(guī)中程空地導(dǎo)彈（ASMP）等。

整體式液體沖壓發(fā)動機是將固體助推器與巡航用液體沖壓發(fā)動機組合成為一個整體的動力裝置，其結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。其主要部件有：作為沖壓發(fā)動機系統(tǒng)，有進氣道和沖壓燃燒室；作為附屬系統(tǒng)有燃油排放系統(tǒng)、燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)和整體式助推器。將固體助推火箭發(fā)動機安置于沖壓燃燒室內(nèi)，共用一個殼體，固體助推藥柱燒完后空出的空間就作為沖壓發(fā)動機的燃燒室使用[5]。固體助推器與沖壓發(fā)動機的一體化設(shè)計使得發(fā)動機容積效率得到重大突破，與外掛式和串聯(lián)式?jīng)_壓發(fā)動機相比，在阻力、重量和體積上有明顯的優(yōu)越性，特別適合作為空射導(dǎo)彈的動力裝置。

整體式液體沖壓發(fā)動機將固體火箭助推器發(fā)動機與液體沖壓發(fā)動機一體化設(shè)計，因此沖壓燃燒室具有雙重功能。當(dāng)助推器工作時，燃燒室壓力高，前端需用進氣道出口堵蓋密封進氣道與燃燒室界面，以防止高壓燃氣沿進氣道逆流；而當(dāng)沖壓發(fā)動機工作時，進氣道出口堵蓋應(yīng)及時打開，以便讓空氣流入燃燒室。

因此進氣道出口堵蓋是整體式液體沖壓發(fā)動機轉(zhuǎn)級過程中的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計要求如下：

（1）在環(huán)境溫度為-55～70℃，壓力為14 MPa情況下，必須保證燃燒室和進氣道之間界面的密封；

（2）堵蓋必須能承受助推器內(nèi)7～14MPa的壓力，必須質(zhì)量小，拋出時發(fā)動機結(jié)構(gòu)無任何損壞；

（3）必須能準確、迅速地打開（<300ms），所需開啟壓差盡量小，作動過程簡單、可靠[5]。

1 進氣道出口堵蓋1.1 國外堵蓋應(yīng)用情況

進氣道出口堵蓋主要有可拋式堵蓋和不可拋式堵蓋兩大類。

可拋式堵蓋方案有整塊式、易碎式和拼合式等幾種形式，如圖3所示。

等均采用整體式堵蓋。整塊式堵蓋用高強度的輕合金或模壓玻璃鋼作堵蓋材料，安裝時用O形圈或壓力密封墊密封。助推級工作結(jié)束后，利用進氣道與燃燒室的壓差打開。整塊式堵蓋優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、打開過程易于實現(xiàn)，缺點是當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)級工作時，拋出相當(dāng)大的物塊，有可能損壞沖壓燃燒室和噴管。整塊式堵蓋適用于進氣道尺寸比噴管喉道尺寸小得多的發(fā)動機。

ANS、AMPT等均采用了易碎式堵蓋[6，8-9]。易碎式堵蓋由經(jīng)過處理的高強度易碎玻璃或易碎陶瓷制成（或在堵蓋內(nèi)部預(yù)制應(yīng)力集中網(wǎng)紋），堵蓋需打開時，用一個小型起爆裝置使堵蓋破裂成微小顆粒。

拼合式堵蓋由若干個板條模塊彼此用斜面搭接拼合而成，用彈性材料制成固定套固定，使之只能單向受力。當(dāng)助推發(fā)動機工作結(jié)束，進氣道空氣壓力高于燃燒室壓力時，堵蓋被分散吹落[10]。

不可拋式堵蓋有可消耗式堵蓋、機械式堵蓋和機械-可消耗式堵蓋三種方案。

可消耗式堵蓋由覆蓋在進氣口格柵上的可燒蝕材料（金屬復(fù)合層或固體推進劑）制成。如圖4所示。格柵上帶有多個縱向分布的葉片，堵蓋固定在格柵上，助推器工作結(jié)束時，堵蓋在極短時間內(nèi)燒蝕掉，空氣流把燒蝕后的殘渣吹掉。

EURAAM[6]，METEOR[11]，HSAD[12]等采用機械式堵蓋。

機械式堵蓋有多種方案，其主要特點是使用可控制的機械機構(gòu)控制堵蓋的開合，多數(shù)機械式堵蓋打開后不拋出而留在沖壓燃燒室內(nèi)，如百葉窗式、鉸接式、滑動式和活塞式（中心進氣）等，也有整塊拋出的，如突進式，如圖5所示。機械式堵蓋利用沖壓空氣或作動器打開[6，10-11，13]。

機械-可消耗式堵蓋兼有機械式堵蓋與可消耗式堵蓋的功能，其主要形式是使用可控制的機械機構(gòu)控制堵蓋的開合，如鉸接式等，利用沖壓空氣或作動器打開，堵蓋打開后在短時間內(nèi)燒掉，如圖6所示。

1.2 國內(nèi)堵蓋應(yīng)用情況

不可拋式堵蓋方面。中國空空導(dǎo)彈研究院開展過可燒蝕堵蓋的研究[14]。堵蓋由鈀（Pd）和鋁（Al）組成的層狀結(jié)構(gòu)的薄板，包括6個Pd-Al交接面，Pd層在外表面。也可以認為堵蓋是由3個夾心層（T1，T2和T3）焊接或擴散粘結(jié)在一起制成。T1，T2和T3均為Pd-Al-Pd的結(jié)構(gòu)。通過點火片將堵蓋引燃，生成鈀鋁化合物。堵蓋燃燒完成后，空氣流把燒蝕后的殘渣吹掉，而格柵仍留在原位。格柵上帶有多個縱向分布的葉片，對進氣道出口氣流起到整流和穩(wěn)定作用。結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

可拋式堵蓋方面。北京動力機械研究所在20世紀80年代進行了整體式火箭沖壓發(fā)動機試飛器的研制，并進行了試飛，試飛器采用整體式模壓玻璃鋼堵蓋[15]，試飛獲得了圓滿成功。現(xiàn)在主要開展易碎式堵蓋的研究。

易碎式堵蓋的兩側(cè)承擔(dān)不同的功能：沖壓燃燒室一側(cè)承受封堵空間內(nèi)的高壓，起到堵蓋作用；進氣道側(cè)在需要打開時能容易地破碎打開。因此，易碎式堵蓋材料應(yīng)具有高抗壓強度、低抗拉強度和高彈性模量的特性；可通過熱處理獲得較大的表面殘余應(yīng)力以儲存較大的彈性應(yīng)變能；具有良好的成形、加工性。

易碎式堵蓋打開方式有兩種：一種是采用硬質(zhì)金屬針撞擊堵蓋，使堵蓋從撞擊點處擴展破碎，是一種單點到面的破碎模式；另一種是在堵蓋表面鋪設(shè)導(dǎo)爆索或切割索，引爆導(dǎo)爆索，使堵蓋從每處炸點擴展破碎，是一種多點到面的破碎模式。本文主要就后一種模式的一種易碎式堵蓋進行分析研究。

2 易碎式堵蓋

2.1 材料特性及結(jié)構(gòu)形式

該易碎式堵蓋是一種高強度玻璃堵蓋，其材料特性見表1。其安裝結(jié)構(gòu)如圖8所示，堵蓋安裝在上下兩層金屬結(jié)構(gòu)之間，與金屬之間采用端面密封。助推級工作結(jié)束之后，引爆導(dǎo)爆索，使堵蓋迅速破碎，空氣流入燃燒室，從而完成轉(zhuǎn)級。

2.2 受力分析

進氣道出口堵蓋在火箭助推器工作時承受燃燒室內(nèi)7～14MPa的高壓負荷，同時由于堵蓋采用端面密封方式，因此堵蓋的變形對界面密封可靠性影響很大，所以，對其進行受力分析十分必要，本文用有限元法對易碎式堵蓋模型進行了強度校核，劃分網(wǎng)格后的模型如圖9所示。計算了堵蓋的應(yīng)力場和變形情況，結(jié)果如圖10所示。

圖9的計算結(jié)果表明，當(dāng)對模型施加14MPa的壓力時，堵蓋所受最大拉應(yīng)力為654.3MPa，小于材料的強度極限，可以安全使用；堵蓋的變形很小，只有0.08mm，能夠滿足端面密封要求。

2.3 地面試驗驗證

2.3.1 承壓能力檢驗

為了進一步驗證進氣道出口堵蓋的承壓能力，對同一批次材料制成的6件易碎堵蓋進行水壓爆破試驗，試驗結(jié)果見表2，試驗結(jié)果表明易碎堵蓋承壓能力滿足設(shè)計要求。2.3.2 破碎性檢驗

對堵蓋進行導(dǎo)爆索爆破試驗，驗證爆破試驗后堵蓋的破碎情況。導(dǎo)爆索布置如圖11所示。

堵蓋破碎物照片如圖12，大部分破碎物呈粉末狀，少數(shù)尺寸較大，但質(zhì)地松軟、無硬質(zhì)尖角，線性尺寸小于2.2mm的碎片在80%以上，破碎效果理想。

2.3.3 地面轉(zhuǎn)級試驗

單項試驗完成后，進行了地面轉(zhuǎn)級試驗驗證，轉(zhuǎn)級試驗前后進氣道出口堵蓋情況如圖13所示，可以看出，試驗完成后，堵蓋完全被吹除，進氣道出口無多余物殘留。堵蓋破碎時間<100ms，地面轉(zhuǎn)級試驗表明，易碎式堵蓋滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 束 語

本文對空射導(dǎo)彈用整體式液體沖壓發(fā)動機不同形式的進氣道出口堵蓋進行了比較，重點介紹了一種易碎式堵蓋，從受力分析、破碎情況、打開時間等方面進行了分析，結(jié)果表明，該堵蓋可以滿足整體式液體沖壓發(fā)動機助推級的強度、密封和轉(zhuǎn)級過程打開時間的要求，同時，它還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、拋出物尺寸小等特點，滿足空射彈用整體式液體沖壓發(fā)動機轉(zhuǎn)級要求，具備工程應(yīng)用條件。

可拋式堵蓋方面。北京動力機械研究所在20世紀80年代進行了整體式火箭沖壓發(fā)動機試飛器的研制，并進行了試飛，試飛器采用整體式模壓玻璃鋼堵蓋[15]，試飛獲得了圓滿成功。現(xiàn)在主要開展易碎式堵蓋的研究。

易碎式堵蓋的兩側(cè)承擔(dān)不同的功能：沖壓燃燒室一側(cè)承受封堵空間內(nèi)的高壓，起到堵蓋作用；進氣道側(cè)在需要打開時能容易地破碎打開。因此，易碎式堵蓋材料應(yīng)具有高抗壓強度、低抗拉強度和高彈性模量的特性；可通過熱處理獲得較大的表面殘余應(yīng)力以儲存較大的彈性應(yīng)變能；具有良好的成形、加工性。

易碎式堵蓋打開方式有兩種：一種是采用硬質(zhì)金屬針撞擊堵蓋，使堵蓋從撞擊點處擴展破碎，是一種單點到面的破碎模式；另一種是在堵蓋表面鋪設(shè)導(dǎo)爆索或切割索，引爆導(dǎo)爆索，使堵蓋從每處炸點擴展破碎，是一種多點到面的破碎模式。本文主要就后一種模式的一種易碎式堵蓋進行分析研究。

2 易碎式堵蓋

2.1 材料特性及結(jié)構(gòu)形式

該易碎式堵蓋是一種高強度玻璃堵蓋，其材料特性見表1。其安裝結(jié)構(gòu)如圖8所示，堵蓋安裝在上下兩層金屬結(jié)構(gòu)之間，與金屬之間采用端面密封。助推級工作結(jié)束之后，引爆導(dǎo)爆索，使堵蓋迅速破碎，空氣流入燃燒室，從而完成轉(zhuǎn)級。

2.2 受力分析

進氣道出口堵蓋在火箭助推器工作時承受燃燒室內(nèi)7～14MPa的高壓負荷，同時由于堵蓋采用端面密封方式，因此堵蓋的變形對界面密封可靠性影響很大，所以，對其進行受力分析十分必要，本文用有限元法對易碎式堵蓋模型進行了強度校核，劃分網(wǎng)格后的模型如圖9所示。計算了堵蓋的應(yīng)力場和變形情況，結(jié)果如圖10所示。

圖9的計算結(jié)果表明，當(dāng)對模型施加14MPa的壓力時，堵蓋所受最大拉應(yīng)力為654.3MPa，小于材料的強度極限，可以安全使用；堵蓋的變形很小，只有0.08mm，能夠滿足端面密封要求。

2.3 地面試驗驗證

2.3.1 承壓能力檢驗

為了進一步驗證進氣道出口堵蓋的承壓能力，對同一批次材料制成的6件易碎堵蓋進行水壓爆破試驗，試驗結(jié)果見表2，試驗結(jié)果表明易碎堵蓋承壓能力滿足設(shè)計要求。2.3.2 破碎性檢驗

對堵蓋進行導(dǎo)爆索爆破試驗，驗證爆破試驗后堵蓋的破碎情況。導(dǎo)爆索布置如圖11所示。

堵蓋破碎物照片如圖12，大部分破碎物呈粉末狀，少數(shù)尺寸較大，但質(zhì)地松軟、無硬質(zhì)尖角，線性尺寸小于2.2mm的碎片在80%以上，破碎效果理想。

2.3.3 地面轉(zhuǎn)級試驗

單項試驗完成后，進行了地面轉(zhuǎn)級試驗驗證，轉(zhuǎn)級試驗前后進氣道出口堵蓋情況如圖13所示，可以看出，試驗完成后，堵蓋完全被吹除，進氣道出口無多余物殘留。堵蓋破碎時間<100ms，地面轉(zhuǎn)級試驗表明，易碎式堵蓋滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 束 語

本文對空射導(dǎo)彈用整體式液體沖壓發(fā)動機不同形式的進氣道出口堵蓋進行了比較，重點介紹了一種易碎式堵蓋，從受力分析、破碎情況、打開時間等方面進行了分析，結(jié)果表明，該堵蓋可以滿足整體式液體沖壓發(fā)動機助推級的強度、密封和轉(zhuǎn)級過程打開時間的要求，同時，它還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、拋出物尺寸小等特點，滿足空射彈用整體式液體沖壓發(fā)動機轉(zhuǎn)級要求，具備工程應(yīng)用條件。

可拋式堵蓋方面。北京動力機械研究所在20世紀80年代進行了整體式火箭沖壓發(fā)動機試飛器的研制，并進行了試飛，試飛器采用整體式模壓玻璃鋼堵蓋[15]，試飛獲得了圓滿成功?，F(xiàn)在主要開展易碎式堵蓋的研究。

易碎式堵蓋的兩側(cè)承擔(dān)不同的功能：沖壓燃燒室一側(cè)承受封堵空間內(nèi)的高壓，起到堵蓋作用；進氣道側(cè)在需要打開時能容易地破碎打開。因此，易碎式堵蓋材料應(yīng)具有高抗壓強度、低抗拉強度和高彈性模量的特性；可通過熱處理獲得較大的表面殘余應(yīng)力以儲存較大的彈性應(yīng)變能；具有良好的成形、加工性。

易碎式堵蓋打開方式有兩種：一種是采用硬質(zhì)金屬針撞擊堵蓋，使堵蓋從撞擊點處擴展破碎，是一種單點到面的破碎模式；另一種是在堵蓋表面鋪設(shè)導(dǎo)爆索或切割索，引爆導(dǎo)爆索，使堵蓋從每處炸點擴展破碎，是一種多點到面的破碎模式。本文主要就后一種模式的一種易碎式堵蓋進行分析研究。

2 易碎式堵蓋

2.1 材料特性及結(jié)構(gòu)形式

該易碎式堵蓋是一種高強度玻璃堵蓋，其材料特性見表1。其安裝結(jié)構(gòu)如圖8所示，堵蓋安裝在上下兩層金屬結(jié)構(gòu)之間，與金屬之間采用端面密封。助推級工作結(jié)束之后，引爆導(dǎo)爆索，使堵蓋迅速破碎，空氣流入燃燒室，從而完成轉(zhuǎn)級。

2.2 受力分析

進氣道出口堵蓋在火箭助推器工作時承受燃燒室內(nèi)7～14MPa的高壓負荷，同時由于堵蓋采用端面密封方式，因此堵蓋的變形對界面密封可靠性影響很大，所以，對其進行受力分析十分必要，本文用有限元法對易碎式堵蓋模型進行了強度校核，劃分網(wǎng)格后的模型如圖9所示。計算了堵蓋的應(yīng)力場和變形情況，結(jié)果如圖10所示。

圖9的計算結(jié)果表明，當(dāng)對模型施加14MPa的壓力時，堵蓋所受最大拉應(yīng)力為654.3MPa，小于材料的強度極限，可以安全使用；堵蓋的變形很小，只有0.08mm，能夠滿足端面密封要求。

2.3 地面試驗驗證

2.3.1 承壓能力檢驗

為了進一步驗證進氣道出口堵蓋的承壓能力，對同一批次材料制成的6件易碎堵蓋進行水壓爆破試驗，試驗結(jié)果見表2，試驗結(jié)果表明易碎堵蓋承壓能力滿足設(shè)計要求。2.3.2 破碎性檢驗

對堵蓋進行導(dǎo)爆索爆破試驗，驗證爆破試驗后堵蓋的破碎情況。導(dǎo)爆索布置如圖11所示。

堵蓋破碎物照片如圖12，大部分破碎物呈粉末狀，少數(shù)尺寸較大，但質(zhì)地松軟、無硬質(zhì)尖角，線性尺寸小于2.2mm的碎片在80%以上，破碎效果理想。

2.3.3 地面轉(zhuǎn)級試驗

單項試驗完成后，進行了地面轉(zhuǎn)級試驗驗證，轉(zhuǎn)級試驗前后進氣道出口堵蓋情況如圖13所示，可以看出，試驗完成后，堵蓋完全被吹除，進氣道出口無多余物殘留。堵蓋破碎時間<100ms，地面轉(zhuǎn)級試驗表明，易碎式堵蓋滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 束 語

本文對空射導(dǎo)彈用整體式液體沖壓發(fā)動機不同形式的進氣道出口堵蓋進行了比較，重點介紹了一種易碎式堵蓋，從受力分析、破碎情況、打開時間等方面進行了分析，結(jié)果表明，該堵蓋可以滿足整體式液體沖壓發(fā)動機助推級的強度、密封和轉(zhuǎn)級過程打開時間的要求，同時，它還具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、拋出物尺寸小等特點，滿足空射彈用整體式液體沖壓發(fā)動機轉(zhuǎn)級要求，具備工程應(yīng)用條件。