程洪杰, 陳 力, 林 睿

(火箭軍工程大學兵器發(fā)射理論與技術(shù)國家重點學科實驗室, 西安 710025)

0 引言

隨著現(xiàn)代空間偵察技術(shù)的快速發(fā)展,對導彈隱蔽生存和機動性也提出了更高的要求,彈射相對于自力發(fā)射能有效提高導彈速度和射程,簡化陣地設(shè)備以提高地面機動能力,減少燒蝕和沖擊,降低陣地紅外特征[1],因而對滿足導彈特定作戰(zhàn)需求有巨大優(yōu)勢。

早期的導彈彈射技術(shù)主要采用液壓式彈射和壓縮空氣式彈射,20世紀50年代末期以來,由于固體火箭發(fā)動機相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展以及內(nèi)彈道學理論的更新和完善,使彈射裝置小型化成為可能,燃氣彈射技術(shù)和燃氣蒸汽彈射技術(shù)應(yīng)運而生[2]。

1 基于零維內(nèi)彈道模型的研究方法

零維內(nèi)彈道模型在定量分析內(nèi)彈道性能變化趨勢及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化上具有明顯優(yōu)勢。文獻[2]和文獻[3]給出了經(jīng)典內(nèi)彈道學的整套計算和分析方法,為內(nèi)彈道設(shè)計及優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。

1.1 內(nèi)彈道性能影響因素研究

高、低壓室壓強曲線及最大壓強、導彈的最大加速度及出筒速度是衡量內(nèi)彈道性能的重要特征量。影響內(nèi)彈道性能的主要因素有:

1)高壓室裝藥?；鹚幍娜妓僦苯記Q定了高壓室壓強曲線的形狀及其最大值,影響火藥燃速的主要因素如表1所示。

2)低壓室初始容積。當?shù)蛪菏业某跏既莘e減小時,低壓室壓強上升速度加快,沖擊振動效應(yīng)變強,彈底燃氣溫度逐漸增大,初始容積的殘余空氣具有阻隔高溫燃氣減少彈底燒蝕的作用[7];倘若初始容積過大,低壓室壓力上升緩慢,將嚴重影響導彈出筒速度。此外,初容較小還將會導致噴管流動狀態(tài)為非臨界狀態(tài),對高壓室形成反壓作用,導致高壓室壓力出現(xiàn)波紋狀波動[4]。

3)噴喉截面積。喉部直徑是彈射器內(nèi)彈道設(shè)計中的重要參數(shù),喉部通氣面積直接決定燃氣的流量大小,從而影響對導彈的做功能力。噴口越小,離筒速度越大,但噴管過小則后噴不足,導彈過載和后座加大,嚴重影響發(fā)射精度[8]。

4)環(huán)境溫度。文獻[9]通過燃氣發(fā)生器在高溫(+60 ℃)、常溫(+20 ℃)和低溫(-40 ℃)的熱試車實驗和高、常、低溫的彈射實驗,發(fā)現(xiàn)燃氣發(fā)生器的壓強峰隨溫度升高而變大,低溫彈射后勁不足,影響導彈加速度和出筒速度。

表1 影響高壓室壓強變化的因素

1.2 內(nèi)彈道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

彈射裝置的結(jié)構(gòu)尺寸對工質(zhì)的流場形態(tài)有重要影響,所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為研究內(nèi)彈道性能的重要方向。合理選擇裝藥和噴管尺寸,可以消除發(fā)射過程中導彈的加速度高頻脈沖過載[10],而推遲后噴、增加發(fā)射筒端面積和減小尾噴管喉部面積可以提高導彈出筒速度[8]。

文獻[11]針對低壓室峰值壓強過大的問題,采用增大低壓室初始容積、減小主裝藥初始燃面和增大噴管喉徑的方法,有效的解決了低壓室壓強過大的問題。文獻[12]改進單活塞氣缸式彈射裝置,設(shè)計了雙級提拉式彈射裝置,增加導彈有效加速行程,在保證低過載的情況下,提高了導彈出筒速度。

1.3 零維內(nèi)彈道的“修正”方法

1)試湊法

文獻[9]通過實驗獲取了彈射器在高溫(+60 ℃)和低溫(-40 ℃)下的“壓強-時間”和“加速度-時間”曲線,并用經(jīng)典內(nèi)彈道學作出理論曲線,用試湊法修正理論曲線,使其逐步逼近試驗曲線。為經(jīng)典內(nèi)彈道學的完善提供了新的思路。

2)“半實驗半理論”的方法

文獻[13]采用燃氣發(fā)生器實驗數(shù)據(jù)繪成的高壓室的壓強-時間曲線,以此替代經(jīng)典內(nèi)彈道學從燃面理論推導的曲線,從而建立低壓室內(nèi)彈道及運動學求解方程組,經(jīng)仿真,與純理論計算相比,誤差小于2%,對于燃氣發(fā)生器的設(shè)計具有指導意義。

2 多維模型的數(shù)值仿真研究

隨著計算機性能的提高以及計算流體力學(CFD)理論尤其是動網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展,使得多維數(shù)值計算的方法在內(nèi)彈道研究中得到廣泛應(yīng)用[14-15]。如圖1所示,彈射內(nèi)彈道模型對稱特性顯著,故通常采用二維軸對稱模型。

圖1 燃氣彈射裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 零維模型與二維模型優(yōu)缺點

零維理論不考慮燃燒物之間化學反應(yīng),認為氣體在空間上是均勻的,所以并不能精確描述內(nèi)彈道變化過程和流場特性[7],但零維模型具有計算量小、速度快的優(yōu)勢。二維軸對稱模型能準確地給出高、低壓室的流動細節(jié)和壓力分布情況[16],二者計算結(jié)果相差不大[17]。

2.2 二次燃燒現(xiàn)象研究

文獻[16]和文獻[17]是單相燃氣彈射內(nèi)彈道模型,但燃氣并不是單一組分,常帶有大量富燃氣體[18],與低壓室氧氣發(fā)生二次燃燒現(xiàn)象[19],形成了初始壓強峰,造成流場溫度、壓力和荷載上升,出筒時間縮短,出筒加速度降低,出筒速度提高[20]。文獻[21]進一步研究了噴管入口燃燒產(chǎn)物壓力和組分濃度比值對內(nèi)彈道和荷載的影響,得出結(jié)論:隨著噴管入口壓力增大,低壓室氧氣消耗時間縮短,導彈出筒時間縮短,出筒速度增加,加速度峰值增大;隨著噴管入口CO與H2濃度比值變大,低壓室氧氣消耗時間變長,導彈出筒速度減小,加速度峰值減小。

2.3 結(jié)構(gòu)對二次燃燒的影響

含有環(huán)形腔結(jié)構(gòu)會改變?nèi)細饬鲾U散方向,減小燃氣與空氣的接觸面積,有效降低二次燃燒的沖擊;環(huán)形腔開口向上時,壓強和加速度變化趨于緩慢,導彈出筒速度變小,導彈出筒時間延長[22]。文獻[23]表明壁面障礙物會降低二次壓力峰的沖擊,延遲導彈出筒時間,減小出筒速度,當障礙物高度為300 mm時,荷載變化平穩(wěn),出筒時間較短且出筒速度較高。

3 縮比實驗

對于大型彈射器,由于經(jīng)濟、技術(shù)等條件的限制,使得用縮比模型試驗代替實物原型試驗的方法得到廣泛應(yīng)用[24-25]?？s比有如圖2的兩種方案,文獻[26]運用“化四維因次為三維因次”的方法,從理論上推導了模型Ⅰ(奇異相似)和模型Ⅱ(幾何相似)與原型的內(nèi)彈道參量對應(yīng)相等的條件。奇異相似方案在直觀考察裝藥、高壓室工作壓強等方面具有優(yōu)勢,宜優(yōu)先選用[2]。

圖2 發(fā)射筒系統(tǒng)模型

4 目前仍存在的問題及發(fā)展趨勢

4.1 多變量的耦合研究

在導彈彈射過程中,藥柱質(zhì)量誤差、侵蝕燃燒、燃面燃燒規(guī)律、噴喉尺寸、低壓室端面積及初始容積均對內(nèi)彈道性能有直接影響,高壓室的長徑比也對內(nèi)彈道壓力曲線有重要影響[27],且上述因素之間互相具有耦合關(guān)系。現(xiàn)有文獻雖然有研究少量耦合現(xiàn)象,但變量數(shù)較少,多變量的耦合尚待進一步研究,如:低壓室初始容積過大,二次燃燒現(xiàn)象嚴重,彈底溫度過高,且壓力上升緩慢;低壓室初始容積過小,則對彈體沖擊效應(yīng)明顯,過載過大,且低壓室易出現(xiàn)較大壓強峰,對高壓室造成反壓,同時也給發(fā)射筒增加強度負擔。如何調(diào)整高壓室尺寸、裝藥設(shè)計、噴管尺寸和低壓室尺寸,使內(nèi)彈道性能達到最優(yōu),這具有重要意義。

4.2 現(xiàn)代智能算法在線優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于內(nèi)彈道結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合及設(shè)計方程組欠約束,傳統(tǒng)的內(nèi)彈道設(shè)計需多次試算逐步逼近可行方案,然而并不能保證為最優(yōu)方案[2]。所以修正零維模型使其正向計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合,再利用強大的現(xiàn)代智能算法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行在線優(yōu)選匹配,對使內(nèi)彈道性能、能量利用效率及空間利用效率耦合達到最優(yōu)具有重要意義。

4.3 一體化內(nèi)彈道模型

在傳統(tǒng)的CFD研究中,低壓室流場入口邊界條件通常來自燃氣發(fā)生器的實驗數(shù)據(jù),在超臨界狀態(tài)下,這種方法是可行的,但實際情況中可能出現(xiàn)亞臨界狀態(tài),此時方法就存在誤差,所以考慮推進劑的燃燒過程,并建立一體化內(nèi)彈道模型顯得非常必要。

4.4 多相流的研究

鋁粉具有高燃燒熱,加入固體推進劑中,可以提高火箭發(fā)動機的比沖,減少不穩(wěn)定燃燒[28]。添加鋁粉后的推進劑燃燒除了產(chǎn)生氣固兩相燃氣,還帶有熔融狀態(tài)的Al2O3液滴,之后Al2O3液滴放出熱量相變?yōu)楣腆w顆粒并聚集結(jié)塊[29-30],撞擊在燃燒室、發(fā)射筒上、導彈底部,形成侵蝕,鋁粉的燃燒過程還會引起一氧化碳、二氧化碳和氫氣等組分以及溫度場的變化[31]。多相流中顆粒、液滴、氣泡在壁面上的碰撞和聚集對內(nèi)彈道的溫度場、速度場及壓力場均有重要影響[32],對于多相流如何影響彈射內(nèi)彈道性能及荷載特性,尚待進一步研究。

4.5 低燃溫推進劑對內(nèi)彈道影響研究

燃氣溫度過高導致對導彈底部有燒蝕是燃氣彈射技術(shù)最大的弊端,隨著低燃溫火藥技術(shù)的成熟,燃氣發(fā)生劑燃速在15～35 mm/s可調(diào),燃燒溫度在1 000～1 500 ℃[33]。為了降低燃溫,推進劑里面添加了降速降溫劑以及多種催化劑,或者采用改變金屬(催化劑)粒徑的方法[34-35],這些物質(zhì)的添加會增加燃氣組分的復雜性,目前針對低燃溫推進劑對內(nèi)彈道性能的影響研究相對較少。

5 結(jié)束語

現(xiàn)行燃氣彈射的研究多采用理論和實驗相結(jié)合的方式,盡管已取得諸多成果,但有關(guān)文獻的研究仍然存在諸多不足。文中從多變量耦合、現(xiàn)代智能算法在線優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)、建立一體化內(nèi)彈道模型、多相流以及低燃溫推進劑5個方面指出了未來需要解決的問題及發(fā)展的趨勢。

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