發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率對(duì)易碎蓋開(kāi)蓋的影響

郭錦炎1,趙衡柱1,吳新躍1,李博2

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所,北京 100076;2.航天材料及工藝研究所,北京 100076)

摘要:為了研究導(dǎo)彈箱式熱發(fā)射中導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率對(duì)發(fā)射箱易碎蓋開(kāi)蓋的影響,通過(guò)對(duì)動(dòng)力源進(jìn)行假設(shè),建立了發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率與易碎蓋開(kāi)蓋能量之間的關(guān)系,分析了發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率對(duì)易碎蓋開(kāi)蓋的影響;利用數(shù)值仿真得到不同速率下的箱內(nèi)壓力曲線,仿真結(jié)果表明,建壓速率越高前蓋開(kāi)蓋風(fēng)險(xiǎn)越大。對(duì)比分析了不同導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)中發(fā)射箱內(nèi)壓力數(shù)據(jù),試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。該研究為前、后易碎蓋開(kāi)蓋壓力指標(biāo)的優(yōu)化提供了參考。

關(guān)鍵詞:箱式發(fā)射;易碎蓋;發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率

中圖分類號(hào):TJ768.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:2015-02-21

作者簡(jiǎn)介:宮鵬涵(1981- ),男,講師,博士研究生,研究方向?yàn)椴奖淦鹘Y(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、人機(jī)工效。E-mail:gongpenghan@126.com。

收稿日期:2014-12-01

作者簡(jiǎn)介:練永慶(1973- ),男,副研究員,博士,研究方向?yàn)樗斜靼l(fā)射技術(shù)。E-mail:lianperson@126.com。

Research on Effect of the Rising Rate of Rocket Motor’s Pressure on Friable Lid Opening Process

GUO Jin-yan1,ZHAO Heng-zhu1,WU Xin-yue1,LI Bo2

(1.Beijing Institute of Space Launch Technology,Beijing 100076,China;2.Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology,Beijing 100076,China)

Abstract:In order to research the influence of rising rate of rocket motor’s pressure on opening gas-opening fragile cover in box-launching process,the assumption about power source was carried out,and the relationship between power source and the rising rate of motor’s pressure was also established.The effect of the rising rate of rocket motor’s pressure on opening fragile cover was analyzed.The box-launching pressure curve was achieved by numerical simulation.The result shows that the perils of pre-cover’s opening are augmented with the increase of the rising rate of motor’s pressure.Comparing with the box-launching pressure curve in different flight test,the simulation result was validated.The study results offer reference for the optimizing pre-and-post fragile cover opening-pressure.

Key words:box-launching;friable lid;rising rate of rocket motor’s pressure

箱式熱發(fā)射是常用的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射方式,為了降低設(shè)備復(fù)雜度、簡(jiǎn)化發(fā)射流程,其發(fā)射箱往往采用易碎蓋,其中又以燃?xì)忾_(kāi)蓋式前、后易碎蓋最為簡(jiǎn)潔。箱蓋開(kāi)蓋的動(dòng)力源來(lái)自導(dǎo)彈點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的能量,其中后蓋主要依靠封閉憋壓,而前蓋的開(kāi)蓋動(dòng)力源來(lái)自后蓋憋壓產(chǎn)生的壓力波[1]。前人為提出合理的前、后蓋開(kāi)蓋壓力,利用數(shù)值仿真的方法對(duì)其開(kāi)蓋過(guò)程進(jìn)行研究[2],并對(duì)前、后蓋的壓力匹配情況進(jìn)行了相關(guān)的研究[3],為該技術(shù)的工程化提供了指導(dǎo)。

在該技術(shù)的工程運(yùn)用中,開(kāi)蓋利用的是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期的能量,而發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期的建壓速率存在一定的離散,目前還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率對(duì)開(kāi)蓋影響的研究。為了更準(zhǔn)確地制定前、后蓋的開(kāi)蓋壓力指標(biāo),需研究清楚建壓速率的上偏差還是下偏差對(duì)易碎蓋的開(kāi)蓋更為不利,提高工程運(yùn)用中的發(fā)射安全性。本文以此為背景展開(kāi)相關(guān)研究。

1分析研究

1.1　前、后蓋開(kāi)蓋原理

通常認(rèn)為導(dǎo)彈點(diǎn)火瞬間燃?xì)庀葲_擊后蓋,隨后形成彈箱構(gòu)形間的倒流,該二次流壓縮空氣形成強(qiáng)間斷——起始沖擊波,形成初始?jí)毫Ψ?接著,起始沖擊波從后向前傳播,掃過(guò)箱體到達(dá)前蓋[1]。如圖1所示。

圖1　導(dǎo)彈點(diǎn)火初期發(fā)射箱尾段內(nèi)流場(chǎng)示意圖

大量研究表明,起始沖擊波(或稱壓力波)呈現(xiàn)如下的客觀規(guī)律:

①起始沖擊波的大小與箱彈的幾何構(gòu)形、后蓋開(kāi)啟時(shí)間(后蓋承壓能力)以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能等有關(guān)[1];

②后蓋開(kāi)啟時(shí)間越晚(即后蓋承壓能力越強(qiáng)),起始沖擊波最大超壓值越大,隨后越趨穩(wěn)定[1];

③隨著后蓋開(kāi)蓋壓力的增大,壓力波作用在前蓋上的壓力逐漸增大[1];

④壓力波的傳播速度基本為音速[2];

⑤后蓋開(kāi)啟時(shí)間越晚(即后蓋承壓能力越強(qiáng)),沖擊波越強(qiáng)(即能量越高),持續(xù)時(shí)間逐漸增大[2-3];

⑥壓力波傳播到前蓋時(shí),作用在前蓋上的壓力呈現(xiàn)由中心向邊緣逐漸減少的分布趨勢(shì)[3]。

1.2　基本假設(shè)

根據(jù)前后蓋開(kāi)蓋原理做出如下假設(shè):

①發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期,發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)饽芰坑衋%以壓力波的形式傳遞到前蓋內(nèi)表面;

②發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期,發(fā)射箱尾部積累的燃?xì)饽芰?扣除以壓力波形式傳遞出去等相關(guān)損失)占發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)饪偰芰康谋戎迪鄬?duì)恒定,為b%;

③壓力波傳遞到前蓋的時(shí)間相對(duì)恒定,假設(shè)為Δt;

④前蓋開(kāi)蓋時(shí)所需要的壓力波能量相對(duì)恒定;

⑤后蓋開(kāi)蓋時(shí)所需要的能量相對(duì)恒定;

⑥發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火初期噴出的燃?xì)饪偰芰颗c時(shí)間相關(guān),其能量可以表示為kt,其中k表示能量功率。

1.3　影響分析

假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)建壓較快時(shí)前蓋打開(kāi)時(shí)壓力波持續(xù)時(shí)間為t1,發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的燃?xì)饪偰芰繛閗1(t1+Δt),后蓋處存有的燃?xì)饽芰繛閗1(t1+Δt)(b%),傳到前蓋處的能量為k1t1(a%);發(fā)動(dòng)機(jī)建壓較慢時(shí)前蓋打開(kāi)時(shí)壓力波持續(xù)時(shí)間為t2,發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的燃?xì)饪偰芰繛閗2(t2+Δt),后蓋處存有的燃?xì)饽芰繛閗2(t2+Δt)(b%),傳到前蓋處的能量為k2t2(a%)。由于開(kāi)蓋風(fēng)險(xiǎn)主要為前蓋無(wú)法打開(kāi),故從如下角度進(jìn)行分析。

對(duì)建壓速率較快的發(fā)動(dòng)機(jī)而言,當(dāng)前蓋打開(kāi)時(shí)后蓋處可以積聚的能量為

k1(t1+Δt)(b%)=k1t1(b%)+k1Δt(b%)=E1;

對(duì)建壓速率較慢的發(fā)動(dòng)機(jī)而言,當(dāng)前蓋打開(kāi)時(shí)后蓋處可以積聚的能量為

k2(t2+Δt)(b%)=k2t2(b%)+k2Δt(b%)=E2。

根據(jù)假設(shè)④,有k1t1(a%)=k2t2(a%),k1t1=k2t2;E2=k2t2(b%)+k2Δt(b%)=k1t1(b%)+k2Δt(b%)=k1t1(b%)+k1Δt(b%)-k1Δt(b%)+k2Δt(b%)=E1-k1Δt(b%)+k2Δt(b%)=E1+(k2-k1)Δt(b%)。

由于建壓速率不同,有k2

因此,建壓速率越快,前蓋壓力波積累到足以使前蓋破碎的能量時(shí),對(duì)應(yīng)后蓋處積累的能量越高,后蓋越容易提前破碎。

通過(guò)以上對(duì)比分析可以得出:建壓速率越快,后蓋開(kāi)蓋越早,能夠傳播到前蓋處用于開(kāi)蓋的能量越少,對(duì)前蓋的開(kāi)蓋越不利。

2數(shù)值仿真研究

2.1　數(shù)學(xué)建模

數(shù)學(xué)仿真研究時(shí)以某型號(hào)發(fā)射箱為例,根據(jù)研究目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)化,將方箱簡(jiǎn)化成圓筒,按二維軸對(duì)稱進(jìn)行簡(jiǎn)化。利用求解二維非定常Navier-Stokes方程的方法,在Fluent軟件平臺(tái)上進(jìn)行計(jì)算仿真,二維模型在Gambit前處理軟件上完成,并采用完全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,如圖2所示。

計(jì)算由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)開(kāi)始,采用壓力入口邊界條件,壓力變化輸入數(shù)據(jù)由用戶定義的壓力條件接口,總溫取為燃燒室溫度。并作如下假設(shè):仿真分析時(shí)后蓋不打開(kāi);發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉃槔硐霘怏w;湍流模型使用κ-ω模型;環(huán)境壓力95 kPa,溫度10 ℃;燃?xì)馄骄肿恿?9.65,定壓比熱容2 026 J/(kg·K)。

圖2　計(jì)算模型

2.2　仿真計(jì)算與分析

仿真計(jì)算時(shí)給定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的壓力。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率上下偏差時(shí)燃燒室內(nèi)的壓力曲線(已無(wú)量綱處理,下同)。

圖3　建壓速率上下偏差時(shí)燃燒室壓力曲線

通過(guò)仿真計(jì)算得到前后蓋內(nèi)表面的平均壓力,如圖4所示。假設(shè)當(dāng)前蓋處的壓力曲線面積達(dá)到0.09時(shí)前蓋破碎,對(duì)p1曲線而言,當(dāng)壓力波持續(xù)0.4時(shí)長(zhǎng)后面積達(dá)到0.09,對(duì)p2曲線而言需要0.32時(shí)長(zhǎng);而0.4時(shí)長(zhǎng)時(shí)p1曲線對(duì)應(yīng)的后蓋處的面積為0.043 6,而0.32時(shí)長(zhǎng)時(shí)p2曲線對(duì)應(yīng)的后蓋處的面積為0.048,大于p1曲線,因而建壓速率越低時(shí)開(kāi)蓋的風(fēng)險(xiǎn)越小。

圖4　數(shù)值仿真結(jié)果曲線

通過(guò)以上分析同樣得出:同樣后蓋的情況下,建壓速率越快前蓋開(kāi)蓋風(fēng)險(xiǎn)越高。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

在某型號(hào)導(dǎo)彈進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)對(duì)箱內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)量,分別取最靠近前、后蓋處的壓力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,如圖5所示。

圖5　試驗(yàn)曲線

根據(jù)圖5所示曲線數(shù)據(jù)可以獲得表1所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表，表中,S0f為前蓋開(kāi)蓋時(shí)前蓋處曲線面積，S0b為后蓋開(kāi)蓋時(shí)后蓋處曲線面積，Sfb為提供前蓋開(kāi)蓋壓力波時(shí)后蓋處曲線面積；tf,tb分別為前蓋開(kāi)蓋時(shí)壓力波時(shí)長(zhǎng)和后蓋開(kāi)蓋時(shí)總時(shí)長(zhǎng)；表中各量均已作無(wú)量綱化處理。表1中提供的前蓋開(kāi)蓋壓力波能量時(shí)后蓋處曲線面積0.06與0.038 5的比較結(jié)果表明,建壓速率越高,提供足夠前蓋開(kāi)蓋壓力波能量時(shí)后蓋處的能量越高,開(kāi)蓋風(fēng)險(xiǎn)越高。通過(guò)表1中前、后蓋開(kāi)蓋時(shí)曲線面積0.214與0.06及前、后蓋開(kāi)蓋時(shí)總時(shí)長(zhǎng)1.064與0.364的比較,可以得出該型導(dǎo)彈發(fā)射箱設(shè)計(jì)時(shí)后蓋開(kāi)蓋指標(biāo)留有約3倍的工程余量,并可以根據(jù)建壓速率的上偏差值進(jìn)行后蓋開(kāi)蓋指標(biāo)的優(yōu)化。與最大建壓速率時(shí)壓力p2的計(jì)算結(jié)果的比較顯示,在指標(biāo)確定時(shí)要充分考慮工程上的不確定因素。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4結(jié)論

本文通過(guò)工程分析、 數(shù)值仿真及試驗(yàn)研究等方

法,研究了發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率對(duì)前、后易碎蓋開(kāi)蓋的影響,得出了發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率越高,前蓋開(kāi)蓋風(fēng)險(xiǎn)越大的結(jié)論;指出前、后易碎蓋在前、后蓋開(kāi)蓋指標(biāo)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)應(yīng)主要以發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率的上偏差為基準(zhǔn)。但值得注意的是發(fā)動(dòng)機(jī)建壓速率高低與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火藥性能偏差、主裝藥燃速偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)堵蓋偏差等諸多因素有關(guān),加之易碎蓋本身有一定的離散性,因此在前、后蓋開(kāi)蓋指標(biāo)的確定時(shí)要留有一定的工程余量。

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