范　健，翟章明，林　崧，王旭剛，楊　春

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京　100076)

大水深點火水下助推發(fā)動機設計要素研究

范健，翟章明，林崧，王旭剛，楊春

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

摘要：潛射航行體采用大水深發(fā)射方案，能夠有效提高發(fā)射的隱蔽性，但同時也會對航行體水中段運動控制帶來挑戰(zhàn)；通過采用助推發(fā)動機水下點火結合推力矢量控制，能夠對航行體在水中段和出水過程中的彈道和姿態(tài)進行有效控制；通過分析水下助推發(fā)動機設計需求，對發(fā)動機水下點火工作的原理、特點和設計要素開展研究，并給出了明確結論。

關鍵詞：水下點火；固體發(fā)動機；設計要素

潛射航行體具有隱蔽性好、機動性強的優(yōu)點，在傳統(tǒng)水下動力裝置彈射“無控”發(fā)射方式的基礎上，采用發(fā)動機水下點火并結合推力矢量控制技術，可有效控制水下彈道的姿態(tài)，從而可增大航行體的發(fā)射深度，使得航行體的使用性能進一步提升[1-3]。

但由于水和空氣兩種介質的顯著差異，使得水下點火固體發(fā)動機設計存在較大難度，發(fā)動機水下工作時，高溫高速燃氣流射入水中與水發(fā)生強烈的剪切和摻混，相伴著水被高溫高壓燃氣加熱迅速汽化、沸騰。流場速度跨越低速至亞、跨、超聲速，流體為包含燃氣、水汽和液態(tài)水的復雜多相流。發(fā)動機在大水深狀態(tài)下點火，不但水和燃氣相互作用，會發(fā)生翻卷、頸縮、斷裂等現(xiàn)象，而且高背壓也會導致發(fā)動機噴口的激波振蕩，進一步甚至會將激波推入噴管內部，導致流動分離和推力損失。

因此，水下點火發(fā)動機設計應考慮復雜的水下發(fā)射環(huán)境，并兼容陸上工作狀態(tài)。本文從系統(tǒng)角度對水下點火發(fā)動機工作原理、特點和設計要素進行研究，并給出了明確結論。

1設計需求分析

水下助推發(fā)動機設計需根據(jù)總體方案論證時提出的水下和空中飛行段推力和控制力需求及結構安裝空間、工作剖面等約束條件開展方案論證和分析，選取合適的發(fā)動機直徑和長度、結構形式、藥型、噴管形式、喉徑、擴張比等特征參數(shù)。

經(jīng)梳理，主要設計要素可分為如下6類：發(fā)動機外形尺寸設計；水下載荷設計；內彈道設計；推力矢量控制設計；噴管設計；表面凸起物控制。

水下助推發(fā)動機的各設計要素之間的主要邏輯關系見圖1，可以看出，各設計要素之間存在較為復雜的交聯(lián)耦合關系，在選取每個設計特征參數(shù)時需要綜合考慮多方面影響，在滿足設計約束條件的前提下給出綜合性能最優(yōu)的方案。

圖1　水下助推發(fā)動機設計關系

2設計要素分析

2.1　外形尺寸設計

水下助推發(fā)動機根據(jù)設計需求，既可以作為潛射航行體的Ⅰ級動力參與水下和空中一級飛行，也可以僅作為其水中段、出水過程中和出水后空中飛行段助推級分離前的動力裝置，根據(jù)總體性能指標優(yōu)劣分析，國內外潛射航行體一般采用后一種方式。在此情況下，由于潛艇發(fā)射筒尺寸為固定值，為提高航行體總體性能，水下助推發(fā)動機軸向長度應盡可能縮短，因此在長徑比選擇上需要向小長徑比(L/D<1)方向發(fā)展(圖2)。

通過高推進劑的裝填分數(shù)，提高固體火箭發(fā)動機的質量比，在體積尺寸受到限制的情況下，保持或提高動力裝置的總體性能。

圖2　水下動力裝置與有效載荷結構關系

同時，由于采用水下助推發(fā)動機點火形式的潛射航行體一般采用無尾罩發(fā)射方式，因此助推發(fā)動機噴管可以伸入發(fā)射裝置初容室內部，不占用有效載荷寶貴的軸向尺寸空間，噴管長度可在空中飛行狀態(tài)發(fā)動機噴管基礎上大幅度延長，通過結構布局優(yōu)化設計，還可在長尾噴管四周布置推力矢量控制裝置等儀器設備，在軸向長度嚴格受限的前提下可有效提高動力裝置的裝填密度，進而提高運載性能。

2.2　水下載荷設計

與陸態(tài)發(fā)射的航行體不同，潛射航行體彈射出筒后，在水下高速運動過程中，其表面某些部位的壓力會因繞流的作用而降低，當流場中這些部位水的壓力低于飽和蒸汽壓時，流場局部將呈現(xiàn)水汽兩相流動，這標志著流場中發(fā)生了空化現(xiàn)象[4，5]。由于空化現(xiàn)象的發(fā)生，以及空泡形成的不對稱性，會使水下發(fā)動機力學環(huán)境條件發(fā)生變化，需要承受較大載荷；同時在航行體出水過程中，攜帶的空泡外側水層，在大氣壓力和泡內壓力共同作用下，向彈體表面加速運動，在沖擊彈體表面的瞬間形成空泡潰滅壓力脈沖(圖3)?？张轁鐗毫Ψ植紝Πl(fā)動機表面受力及力學環(huán)境產生重要影響[6]。

圖3　空化對發(fā)動機受力影響示意圖

為解決水下載荷問題，工程上一般采用兩種解決方案，一是采用“無保護發(fā)射”，通過對發(fā)動機殼體加強提高其承載能力，但殼體的加強會帶來發(fā)動機質量比的下降，進而影響全彈性能；二是助推發(fā)動機增加保護罩，利用保護罩承受水下載荷，在出水后有效載荷本體與保護罩分離，該方案的好處是發(fā)動機殼體不用直接承受外載荷，可以實現(xiàn)高質量比，提高性能，但同時也會損失部分徑向尺寸。兩種方案各有優(yōu)劣，需根據(jù)總體性能指標要求在設計過程中綜合權衡。

圖4為分別采用“水下保護罩”和“無保護罩”兩個不同潛射航行體方案示意，前者的動力裝置助推發(fā)動機暴露在水環(huán)境中，后者的助推發(fā)動機則在保護罩中。兩個方案的助推發(fā)動機在水下大水深發(fā)射所承受的水下載荷對比見圖5，采用“水下保護罩”方案的載荷明顯低于“無保護罩”方案。

圖4　無保護罩和水下保護罩動力裝置方案

圖5　兩種方案的發(fā)動機水下載荷比值

2.3　內彈道設計

對于小長徑比水下助推發(fā)動機，由于軸向長度較短，為保證水下推力需求，一般采用在發(fā)動機底部端面開翼槽以增大燃面的方式，通過調節(jié)燃速確保水下發(fā)動機工作時間滿足設計要求。

固體發(fā)動機在水下工作，噴管出口背壓遠高于地面環(huán)境壓力。根據(jù)推力

(1)

而在潛射航行體總體設計中為了避免水下運動速度過高產生空化現(xiàn)象，要求發(fā)動機工作推力保持在較小的水平。因此，在發(fā)動機內彈道設計時需充分考慮噴管背壓變化帶來的影響，并且為了保持較為平穩(wěn)的推力輸出，中和水深減小帶來推力增大，一般采用減面燃燒的藥型設計(圖7)。

圖6　水下10 m發(fā)動機推力(推力較小)

圖7　減面燃燒裝藥設計

此外，由于水的阻滯作用，發(fā)動機點火瞬間會產生推力將急劇增大，并在達到峰值后迅速回落[7，8]，可能導致航行體運動的不穩(wěn)定，噴管和推力矢量控制裝置在設計時需避免推力振蕩帶來的沖擊，姿控力設計時也應該將影響考慮在內。

2.4　推力矢量控制設計

潛射航行體控制一般分為水動舵面控制和推力矢量控制兩種。水動舵面控制主要是通過操控航行體外表面的水動舵面獲取水下控制力，該方式不涉及本文內容，在此不再贅述。固體發(fā)動機推力矢量控制主要是通過改變發(fā)動機噴流方向獲取控制力，主要分類如圖8所示。

圖8　固體發(fā)動機主要矢量控制方式

國內外已有潛射航行體水下推力矢量控制主要分為固定噴管和擺動噴管兩種型式，其中，固定噴管與擾流片或燃氣舵等裝置配合使用，改變發(fā)動機噴流方向。固定噴管結構簡單，可靠性高，并且在水密設計和發(fā)動機彈射承壓防熱設計時較擺動噴管更易實現(xiàn)，因此在早期型號中使用較多，典型如美國戰(zhàn)斧的水下助推級采用擾流片控制方式。但受其工作原理限制，在推力矢量角需求較大時，擾流片和燃氣舵方案均會產生較大的推力損失，且推力矢量角達到一定程度后，噴管內部燃氣流會發(fā)生壅塞現(xiàn)象，無法建立超聲速流場，會使得發(fā)動機推力急劇降低，設計中要避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

近年來擺動噴管成為主要的發(fā)動機推力矢量控制方式，其最大優(yōu)勢在于無推力損失并且消極質量較低。柔性噴管鑒于其制造工藝的復雜性，目前主要應用于大型噴管，而球窩噴管由于其特殊的構造形式，具有很高的環(huán)境適應性，較柔性噴管更適合惡劣的水下工作環(huán)境和彈射時的噴管反向承力條件(圖9)。

圖9　球窩噴管示意圖

2.5　噴管設計

2.5.1擴張比設計

固體發(fā)動機水下點火試驗結果表明，若噴管在水下處于過膨脹工作狀態(tài)，將會出現(xiàn)噴管內的流動分離現(xiàn)象，噴管內壓力分布發(fā)生變化，近出口處的壓力脈動現(xiàn)象嚴重，流動的湍流度增加，導致噴管內壁熱流增加，發(fā)生防熱材料燒蝕現(xiàn)象。因此，要求助推發(fā)動機噴管擴張比滿足在最大水深時流動不分離的條件。因此在噴管設計時采用較小的擴張比。噴管出口壓力Pe和燃燒室總壓P*見下關系式，k為出口燃氣比熱比，Ma為出口馬赫數(shù)。

(2)

在設計選定藥型參數(shù)和出口壓力的情況下，根據(jù)下列關系式計算得到噴管擴張比。Ae和At分別為噴管出口和喉部面積。

(3)

以60 m水下點火工作，推力需求50 kN為例，噴管擴張比僅為2.4左右，若按照常規(guī)噴管設計，則噴管出口面積和外露長度都較小，與發(fā)動機后封頭的推力矢量控制系統(tǒng)安裝空間需求發(fā)生矛盾。因此，可以考慮采用長尾噴管設計以滿足伺服系統(tǒng)的安裝結構要求，但噴管過長又會引起速度損失，從而帶來噴管效率的降低，因此在內彈道設計時要綜合考慮。

此外，助推發(fā)動機需要兼顧水下段和空中段工作，為保證航行體總體性能，在空中飛行段需要大推力，而若采用小擴張比噴管，則噴管出口速度受限，由式(2)和式(3)可知，在燃燒室裝藥和噴管喉徑確定的情況下，發(fā)動機推力受到限制，無法滿足空中飛行段推力需求。

工程上通常采用兩種手段解決這一矛盾：

1) 采用延伸噴管方案。水下段采用小擴張比，空中飛行段利用延伸噴管展開，擴張比增大，提高噴管出口速度進而提高發(fā)動機推力。以60 m水下點火工作，水下推力50 kN為例，空中采用延伸噴管后擴張比由2.4增大為12，推力提高至95 kN。推力難以大幅提高的主要原因為喉徑和裝藥不變導致質量流率不變，擴張比增大后帶來的出口速度增益有限(圖10)。并且，延伸噴管技術復雜，成本較高，一般僅用于高空工作發(fā)動機。

2) 采用“單室雙推”方案。同一個燃燒室內裝填兩種推進劑，或者單一推進劑兩種藥型設計，水下工作段和空中飛行段燃燒室壓強不同，滿足不同時域內推力需求。但由于發(fā)動機殼體主要依據(jù)燃燒室壓強量值設計，大推力段燃燒室壓強高則必然導致殼體厚度增加，發(fā)動機結構質量增重，因此兩段裝藥工作壓強差異過大會給發(fā)動機設計帶來較大難度。

圖10　滿足伺服安裝的長尾噴管設計

2.5.2防熱設計

在某水下助推發(fā)動機推力矢量控制中采用固定噴管+擾流片方案，擾流片部分遮擋噴管出口面以產生側向控制力。為確保擾流片的擺動順暢，在擾流片與噴管出口端面之間控制一定間隙。發(fā)動機和擾流片工作過程中，噴管出口高溫燃氣和金屬粒子受到擾流片阻擋后，對該間隙進行反復沖刷，燒蝕噴管出口端面，見圖11。

圖11　擾流片后方噴管出口端面燒蝕

因此，在此類推力矢量控制方案下，噴管結構設計時應考慮將其出口端面采用和內壁面相同的耐燒蝕材料，并且在加工時嚴格控制噴管出口端面的平面度和粗糙度，考慮發(fā)動機工作后的變形量，選取合適的間隙量值。

2.5.3堵蓋設計

考慮到發(fā)射平臺的安全性，采用固體發(fā)動機水下點火助推的潛射航行體一般采用無尾罩設計，彈射時噴管堵蓋既要能夠承受一定時間、壓強和溫度的彈射燃氣作用，以避免筒內堵蓋被反向打開后導致發(fā)動機筒內誤點火等災難性后果，又要保證燃燒室建壓一定時間內堵蓋可以從正向順利打開。因此，在噴管堵蓋設計時需要考慮雙向載荷，并經(jīng)過地面試驗充分驗證其彈射和脫落的可靠性。相對于在空中點火的發(fā)動機(堵蓋位置一般在喉部)，水下點火發(fā)動機堵蓋位置一般設置在噴管擴張段，堵蓋在發(fā)動機點火建壓后脫落，不能對預深入噴管出口面的推力矢量控制裝置造成損傷(圖12)。

圖12　水下點火發(fā)動機噴管堵蓋示意

2.6　殼體表面凸起物控制

多級的潛射航行體通常在發(fā)動機表面設置電纜罩，在電纜罩內敷設電纜實現(xiàn)級間電氣連接。電纜罩在發(fā)動機表面突起，一方面會增加其與發(fā)射筒的適配方案設計難度，航行體在水下或空中飛行過程中增加滾轉干擾力矩；另一方面，電纜罩為了適應水下工作的載荷，結構強度較大，從而帶來較大的消極質量，同時電纜本身以及電纜的進出口還存在水密問題，需要額外考慮密封和防水措施。綜上，水下助推發(fā)動機在殼體設計時可適當考慮電纜罩下埋，對應部位的燃燒室藥柱開槽(圖13)。

圖13　殼體下埋電纜示意圖

3結論

由于水下環(huán)境的特殊性，水下助推固體發(fā)動機在常規(guī)固體發(fā)動機設計的基礎上，還需重點考慮水下發(fā)射帶來的水載荷、水彈道、水下推力矢量控制和防水防熱等問題。本文系統(tǒng)介紹了水下助推發(fā)動機的設計要素和關注點，提出了水下助推發(fā)動機設計準則和具體要求，對后續(xù)水下助推發(fā)動機研究具有一定指導價值。

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(責任編輯周江川)

收稿日期：2015-01-15

作者簡介：范健(1983—)，男，高級工程師，主要從事固體火箭發(fā)動機基礎理論與應用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.005

中圖分類號：V19;TJ762.4

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0016-05

本文引用格式：范健，翟章明，林崧，等.大水深點火水下助推發(fā)動機設計要素研究[J].四川兵工學報，2015(7):16-20.

Citation format:FAN Jian, ZHAI Zhang-ming, LIN Song, et al.Design Element Study on Solid Rocket Motor Working at Great Depth of Water[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):16-20.

Design Element Study on Solid Rocket Motor
Working at Great Depth of Water

FAN Jian, ZHAI Zhang-ming, LIN Song, WANG Xu-gang, YANG Chun

(Beijing Aerospace Systems Engineering Institute, Beijing 100076, China)

Abstract:Underwater-launch at great depth makes vehicle concealable, however the movement control underwater is difficult. By employing trust vector control of underwater solid rocket motor, a stable movement of underwater vehicle can be achieved. This paper studied the theory and characteristics of solid rocket motor working under the water by analyzing design elements of underwater solid motor, and finally suggestions were given on how a well-used underwater solid motor should be built.

Key words:underwater ignition; solid rocket motor; design element

【裝備理論與裝備技術】