戈慶明，劉秀春，渠弘毅，呂 蒙，劉成國(guó)

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

高速飛行器頭罩分離設(shè)計(jì)方案研究

戈慶明，劉秀春，渠弘毅，呂 蒙，劉成國(guó)

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京，100076）

隨著飛行器飛行速度的提高，飛行器頭部力熱環(huán)境十分惡劣，需采用頭罩分離技術(shù)才能保障飛行器精確制導(dǎo)。對(duì)高速飛行器的頭罩設(shè)計(jì)及防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，同時(shí)提出了采用導(dǎo)爆索、推沖器的2種頭罩分離方案，并進(jìn)行了拋罩的試驗(yàn)驗(yàn)證和理論仿真計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性。

頭罩分離技術(shù)；導(dǎo)爆索；推沖器；拋罩

0 引 言

隨著飛行器飛行速度的提高，飛行器頭部的導(dǎo)引頭力熱環(huán)境十分惡劣，需采用防護(hù)罩來(lái)進(jìn)行有效保護(hù)，以提高自身的生存力和突防能力。在飛行器到達(dá)攻擊區(qū)域后拋開(kāi)防護(hù)罩，啟動(dòng)導(dǎo)引頭搜尋目標(biāo)。

飛行器頭罩再入機(jī)動(dòng)飛行中，飛行動(dòng)壓和橫向過(guò)載大、馬赫數(shù)高，頭罩前端的再入力、熱環(huán)境惡劣，氣動(dòng)加熱量非常大。而導(dǎo)引頭必須安裝于頭罩前端，為了使導(dǎo)引頭能夠在預(yù)定高度正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行防護(hù)；在導(dǎo)引頭工作時(shí)將防護(hù)罩拋開(kāi)。

1 頭罩分離技術(shù)

1.1 中國(guó)頭罩分離技術(shù)[1]

由于飛行器頭部的防護(hù)罩尺寸小，防護(hù)罩分離時(shí)考慮采用空氣來(lái)提供分離動(dòng)力，采用空氣動(dòng)力進(jìn)行頭罩分離的優(yōu)點(diǎn)在于減少了結(jié)構(gòu)分離時(shí)的連接結(jié)構(gòu)和安裝沖量裝置的空間。西北工業(yè)大學(xué)對(duì)低空、跨聲速飛行狀態(tài)下的飛行器頭罩拋射設(shè)計(jì)了2種分離方案：內(nèi)沖壓四分旋轉(zhuǎn)式分離和四分平推式分離。

內(nèi)沖壓四分旋轉(zhuǎn)式分離結(jié)構(gòu)如圖1所示。該方案的基本原理為整流罩頭部在分離前進(jìn)行拋罩，在氣動(dòng)力的作用下對(duì)整流罩頭部殼體內(nèi)部進(jìn)行增壓，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到飽和時(shí)整流罩解鎖，沿中心軸分離成4個(gè)殼體，沿每個(gè)殼體根部的鉸鏈進(jìn)行分離，當(dāng)殼體到達(dá)預(yù)定角度后與鉸鏈分離。

內(nèi)沖壓四分平推式分離結(jié)構(gòu)如圖2所示。該方案的基本原理在于整流罩頭部在分離前進(jìn)行拋罩，在氣動(dòng)力的作用下而非由沖量裝置來(lái)提供動(dòng)力，對(duì)整流罩頭部殼體內(nèi)部進(jìn)行增壓，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到飽和時(shí)整流罩解鎖，沿中心軸四分分離。在氣動(dòng)力的作用下沿每片整流罩殼體的質(zhì)心作平動(dòng)與旋轉(zhuǎn)分離運(yùn)動(dòng)。該方案的目的在于減少整流罩根部鉸鏈結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證其可行性，進(jìn)而應(yīng)用在工程方案設(shè)計(jì)中。

1.2 國(guó)外頭罩分離技術(shù)[2]

1.2.1 被動(dòng)式分瓣拋罩

高速飛行器頭罩的雷達(dá)導(dǎo)引頭開(kāi)始工作之前，由防護(hù)罩進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)罩并未粘接在雷達(dá)導(dǎo)引頭上。當(dāng)雷達(dá)導(dǎo)引頭工作時(shí)，位于雷達(dá)導(dǎo)引頭頂端鼻錐處的一個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)推動(dòng)一個(gè)錐形體向外運(yùn)動(dòng)，在錐形體外面設(shè)置的刀片將防護(hù)罩切開(kāi)。防護(hù)罩切開(kāi)的條狀帶根部設(shè)置一個(gè)擴(kuò)張器，繼續(xù)把錐形體與雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行分離，防護(hù)罩外面的高速氣流能夠把錐形體的條狀帶繼續(xù)撕裂到防護(hù)罩根部。錐形體條狀帶根部設(shè)置一個(gè)金屬環(huán)，防止條狀帶在完全脫離時(shí)，雷達(dá)導(dǎo)引頭被氣流破壞。這樣當(dāng)雷達(dá)導(dǎo)引頭工作時(shí)，雷達(dá)天線罩完全暴露出來(lái)了[3]。被動(dòng)式分瓣拋罩示意如圖3所示。

1.2.2 主動(dòng)式分瓣拋罩

在現(xiàn)代及未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)導(dǎo)引頭經(jīng)常需要在接近目標(biāo)對(duì)象時(shí)才開(kāi)始工作。高速飛行器在飛行過(guò)程中，雷達(dá)導(dǎo)引頭要經(jīng)受高速氣流和外界環(huán)境的影響，造成雷達(dá)導(dǎo)引頭透射微波性能發(fā)生改變，造成導(dǎo)引頭的性能參數(shù)和精度與要求的不一致。因此，對(duì)于遠(yuǎn)程高速飛行雷達(dá)導(dǎo)引頭的外部需要安裝一個(gè)可以拋掉的防護(hù)罩對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行防護(hù)。在飛行器起飛段和中間段飛行時(shí)雷達(dá)導(dǎo)引頭由防護(hù)罩進(jìn)行防護(hù)，當(dāng)接近目標(biāo)，雷達(dá)導(dǎo)引頭準(zhǔn)備開(kāi)始工作時(shí)，將防護(hù)罩拋掉。

防護(hù)罩殼體由多瓣拼接而成，在防護(hù)罩內(nèi)側(cè)設(shè)有縱向的削弱槽，在凹槽內(nèi)側(cè)設(shè)導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索根部與雷達(dá)天線罩之間安裝一個(gè)連接環(huán)，防止導(dǎo)爆索工作時(shí)損壞雷達(dá)天線罩。引爆器放置在防護(hù)罩鼻錐處和根部。需要拋罩時(shí)，引爆器引爆導(dǎo)爆索，將防護(hù)罩拋切開(kāi)[4]。

1.2.3 主動(dòng)式破碎拋罩

該拋罩方式與氣動(dòng)熱無(wú)關(guān)，主要用于保護(hù)飛機(jī)機(jī)載飛行器的頭罩導(dǎo)引頭在飛行過(guò)程中免受雨的侵蝕以及起降過(guò)程中風(fēng)沙的撞擊。

這種防護(hù)罩外側(cè)由剛性聚乙烯材料外殼交錯(cuò)拼接而成，內(nèi)側(cè)是半剛性聚乙烯泡沫襯里，在外殼和襯里間設(shè)置導(dǎo)爆索，在防護(hù)罩的頂部安裝引爆器，在飛行器發(fā)射前啟動(dòng)引爆器引爆導(dǎo)爆索，把防護(hù)罩拋切開(kāi)[5]。

1.2.4 主動(dòng)式整體拋罩

飛行器在高速飛行時(shí)，采用一個(gè)可以整體拋掉的防護(hù)罩來(lái)保護(hù)精密且易碎的雷達(dá)頭罩或其他高靈敏度要求的探測(cè)儀器。防護(hù)罩安裝在飛行器的頭部，用于改善飛行器的氣動(dòng)外形，與此同時(shí)還可保護(hù)飛行器的雷達(dá)頭罩或者其他精密探測(cè)設(shè)備，該防護(hù)罩可以應(yīng)用在超聲速飛行器上或者其他空間飛行器上。防護(hù)罩通過(guò)多個(gè)安全銷釘或者可以快速分離的機(jī)構(gòu)固定在飛行器頭罩的頭部殼體上，內(nèi)部約344.75 Pa的正壓由一個(gè)低壓氣源提供。采用快速啟動(dòng)的高壓氣瓶產(chǎn)生的高壓氣體施加在防護(hù)罩的根部，快速剪短安全銷釘，使得防護(hù)罩在高速下迅速與彈體分離，露出高精度探測(cè)與目標(biāo)跟蹤的雷達(dá)導(dǎo)引頭開(kāi)始工作[6]。拋罩方式如圖4、圖5所示。

該拋罩方式已經(jīng)應(yīng)用在國(guó)外某復(fù)合制導(dǎo)空空導(dǎo)彈上，在飛行過(guò)程中保護(hù)雷達(dá)/紅外導(dǎo)引頭。同時(shí)，應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)3導(dǎo)彈上，在穿越大氣層時(shí)用于保護(hù)氣動(dòng)熱對(duì)導(dǎo)引頭造成的影響。

2 新型主動(dòng)頭罩分離技術(shù)

主動(dòng)頭罩分離技術(shù)指的是不依賴氣動(dòng)力，靠主動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)頭罩分離的技術(shù)。提供主動(dòng)力的方案通常有導(dǎo)爆索和推沖器。

2.1 導(dǎo)爆索頭罩分離方案

導(dǎo)爆索的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、傳爆可靠、不怕雷電、抗雜流、可使成組裝藥同時(shí)起爆，且能實(shí)現(xiàn)毫秒微差爆破等。導(dǎo)爆索分離方案的金屬防護(hù)罩由2瓣金屬防護(hù)罩、若干枚縮頸雙頭螺柱以及火工品組件組成。2瓣金屬防護(hù)罩對(duì)接面處設(shè)有導(dǎo)爆索安裝槽，嵌入其中的導(dǎo)爆索起爆后，產(chǎn)生爆炸推力，使金屬防護(hù)罩相互作用，拉斷縮頸雙頭螺柱，實(shí)現(xiàn)金屬防護(hù)罩的分離動(dòng)作。導(dǎo)爆索分離方案的工作原理見(jiàn)圖6。

金屬防護(hù)罩底部與頭罩采用卡槽式安裝連接，以實(shí)現(xiàn)金屬防護(hù)罩的軸向和周向限位。外表面設(shè)有導(dǎo)爆索預(yù)埋槽，其中一瓣金屬防護(hù)罩法蘭上設(shè)有導(dǎo)爆索布設(shè)槽以及抗剪槽，另一瓣金屬防護(hù)罩法蘭上設(shè)有縮頸雙頭螺柱限位槽以及抗剪凸臺(tái)。

單個(gè)頭罩質(zhì)量為400 g，導(dǎo)爆索線密度為0.8 g/m，導(dǎo)爆索布設(shè)全長(zhǎng)約為350 mm。產(chǎn)品裝配完成，進(jìn)行金屬防護(hù)罩的靜態(tài)拋罩試驗(yàn)。金屬防護(hù)罩正常分離，通過(guò)高速錄像測(cè)得的金屬防護(hù)罩上、中、下的速度分別為10 m/s、9 m/s、8 m/s。

為了進(jìn)一步提高金屬防護(hù)罩的分離速度，對(duì)導(dǎo)爆索金屬防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了導(dǎo)爆索布設(shè)槽的長(zhǎng)度，抗剪槽更改為密封抗剪槽，以增大金屬防護(hù)罩的分離速度。方案改進(jìn)后，單個(gè)頭罩重量為300 g，導(dǎo)爆索布設(shè)全長(zhǎng)約為490 mm。通過(guò)金屬防護(hù)罩的靜態(tài)拋罩試驗(yàn)得到，金屬防護(hù)罩上、中、下的分離速度約為16 m/s、15 m/s、14 m/s。

2.2 推沖器頭罩分離技術(shù)

推沖器的工作原理是利用推沖器殼體內(nèi)部燃燒火藥產(chǎn)生高溫高壓氣體推動(dòng)銷桿使分離體實(shí)現(xiàn)分離。推沖器分離頭罩有前推式和橫推式，本文采用橫推式方案。推沖器方案的金屬防護(hù)罩由2瓣金屬防護(hù)罩、推沖器、縮頸雙頭螺柱以及火工品組件組成。推沖器工作時(shí)，達(dá)到一定壓力后，拉斷縮頸雙頭螺柱、銷桿運(yùn)動(dòng)并推動(dòng)外部金屬防護(hù)罩。推沖器分離方案的工作原理見(jiàn)圖7。

為提高系統(tǒng)可靠性，采用冗余的雙推沖器頭罩分離技術(shù)方案，確保在一個(gè)推沖器工作情況下就可實(shí)現(xiàn)頭罩分離，雙推沖器同時(shí)工作時(shí)分離速度更高。

單個(gè)頭罩質(zhì)量為550 g，推沖器裝藥量為380 mg。僅1個(gè)推沖器工作時(shí)，進(jìn)行金屬防護(hù)罩的靜態(tài)拋罩試驗(yàn)。金屬防護(hù)罩正常分離，通過(guò)高速錄像測(cè)得的金屬防護(hù)罩上、中、下的速度分別為16 m/s、14 m/s、12 m/s。2個(gè)推沖器同時(shí)工作時(shí)，進(jìn)行金屬防護(hù)罩的靜態(tài)拋罩試驗(yàn)。金屬防護(hù)罩正常分離，通過(guò)高速錄像測(cè)得的金屬防護(hù)罩上、中、下的速度分別為21 m/s、15 m/s、12 m/s。

2.3 2種頭罩分離方案分離速度比較

導(dǎo)爆索頭罩分離方案、推沖器頭罩分離方案金屬防護(hù)罩分離速度對(duì)比見(jiàn)表1?？梢缘玫?，推沖器方案金屬防護(hù)罩的分離速度比導(dǎo)爆索方案的分離速度要大。導(dǎo)爆索分離方案通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)后，其分離速度與單推沖器分離方案的分離速度相當(dāng)。

表1 4種方案的金屬防護(hù)罩分離速度對(duì)比

雙推沖器的拋罩能量理論上是單推沖器拋罩能量的2倍。根據(jù)能量守恒原理，單推沖器分離速度是雙推沖器分離速度的0.7倍，通過(guò)試驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3 金屬防護(hù)罩分離模擬仿真分析及風(fēng)洞分離驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 金屬防護(hù)罩分離模擬仿真分析

為了準(zhǔn)確地模擬金屬防護(hù)罩的分離過(guò)程，用Navier-Stokes控制方法對(duì)頭罩分離過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，分析表明，在頭罩再入速度Ma=3情況下，金屬防護(hù)罩可以安全可靠分離。T=8.9 ms時(shí)金屬防護(hù)罩質(zhì)心的速度和相對(duì)位移曲線如圖8所示。金屬防護(hù)罩飛行軌跡如圖9所示。

3.2 金屬防護(hù)罩風(fēng)洞分離試驗(yàn)

金屬防護(hù)罩風(fēng)洞試驗(yàn)是為了考察在來(lái)流條件下金屬防護(hù)罩的分離運(yùn)動(dòng)情況，試驗(yàn)中風(fēng)洞模擬了飛行狀態(tài)下頭罩的表面壓力，通過(guò)高速紅外攝像得到的試驗(yàn)過(guò)程如圖10所示。試驗(yàn)取得了成功，表明頭罩分離方案可行，頭罩分離過(guò)程與理論仿真分析相一致。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)主動(dòng)頭罩分離技術(shù)的比較及仿真分析可知，導(dǎo)爆索分離方案的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單，雖然通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以增長(zhǎng)導(dǎo)爆索安裝長(zhǎng)度，但其提供的分離力有限，頭罩分離速度較低，并且導(dǎo)爆索工作后有爆炸產(chǎn)物，需針對(duì)性地采取防護(hù)手段；推沖器分離方案的優(yōu)點(diǎn)在于金屬防護(hù)罩分離速度較大、無(wú)污染；缺點(diǎn)在于推沖器產(chǎn)品稍復(fù)雜。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證和非定常模擬仿真分析，得到導(dǎo)爆索頭罩分離方案及推沖器分離方案均可行。

[1] 范慶志, 孫秦. 飛行器頭罩分離技術(shù)及設(shè)計(jì)方案分析研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2008(9): 8-10.

[2] 張科, 陳之光, 趙玉印. 國(guó)外高速導(dǎo)彈的頭罩防護(hù)技術(shù)[J]. 紅外與激光工程, 2013(1): 154-158.

[3] Rockwell International Corporation ( Seal Beach, CA). Removable radome cover: US, 5125600[P]. 1991-06-03.

[4] Rockwell International Corporation (Seal Beach, CA). Pyrotechnic removal of a radome cover: US, 5167386[P]. 1992-01-21.

[5] The United States of America as represented by the Secretary of the Air. Protective cover for a missile nose come: US, 3970006[P]. 1975-01-16.

[6] General Dynamics Corp, Pomona Division (Pomona, CA ). Jettisonable protective cover device: US, 4867357[P]. 1987-12-21.

Research of High-speed Aircraft Shroud Separation Technologies

Ge Qing-ming, Liu Xiu-chun, Qu Hong-yi, Lyu Meng, Liu Cheng-guo
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076)

The temperature and thermal stress of the dome surface increased as the rise of the aircraft. Dome protecting is needed for aircraft to target detected accurately. A summary of dome protecting technologies design of high-speed is made in this paper. Two schemes of shroud separation are designed included explosive and thruster. The removal of a dome cover test is done by the explosive cord and the theory simulation is computed which verifies the feasibility of the schemes.

Shroud separation technologies; Explosive cord; Thruster; Removal of a dome cover

TJ76

A

1004-7182(2017)03-0028-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170306

2016-07-14；

2016-10-19

戈慶明（1984-），男，工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)