趙小剛

摘 要： 針對使用方的設(shè)計要求，設(shè)計一種脹破發(fā)射筒易碎蓋，以硬質(zhì)聚氨酯泡沫樹脂為原材料制備某發(fā)射筒易碎蓋重要組成蓋板，通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)成分析、設(shè)計計算，確定易碎蓋的成型結(jié)構(gòu)；并通過后續(xù)試驗驗證，制備出滿足性能要求的易碎蓋。

關(guān)鍵詞： 易碎蓋；結(jié)構(gòu)設(shè)計；試驗驗證

1 引言

隨著武器系統(tǒng)的更新?lián)Q代，其發(fā)射裝置也得到了迅速發(fā)展，性能直接影響整個武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。發(fā)射筒蓋不僅擔負著防止筒體內(nèi)氣體泄漏的任務(wù)，而且要求發(fā)射時能夠迅速打開，縮短發(fā)射的響應(yīng)時間，是武器貯存和發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分。

目前，我國發(fā)射筒多采用機械打開形式的金屬蓋[1-3]，它不但增加了發(fā)射筒的質(zhì)量，而且開蓋形式復(fù)雜，不利于武器系統(tǒng)發(fā)射時的應(yīng)急反應(yīng)。因此，研發(fā)以筒內(nèi)燃氣直接開蓋的易碎蓋技術(shù)成為現(xiàn)階段發(fā)射筒蓋的主流。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有質(zhì)量輕、密封易調(diào)整、比強度高、絕熱、隔音、防震、抗沖擊等優(yōu)良性能[2]，被廣泛應(yīng)用于冰箱、建筑、交通運輸、軍用航空等諸方面。近年來，以高密度（200～750g/cm3）聚氨酯硬泡材料作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用也悄悄興起[3]，這得益于其具有優(yōu)異壓縮強度、拉伸強度、沖擊強度以及彈性模量和尺寸穩(wěn)定性，因而用于制備發(fā)射筒易碎蓋（以下簡稱易碎蓋）具有其他材料無以比擬的優(yōu)勢。

2 易碎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1性能要求

根據(jù)使用方及發(fā)射筒的使用要求，易碎蓋須具有如下結(jié)構(gòu)性能：

a）發(fā)射筒前、后蓋應(yīng)能自動開蓋，便于武器系統(tǒng)發(fā)射；

b）前蓋能承受相鄰武器系統(tǒng)發(fā)射時燃氣流的沖擊；

c）前、后蓋能承受裝填、起吊和運輸?shù)冗^程中的載荷作用；

d）前、后蓋與發(fā)射筒筒體間采取密封措施，保證發(fā)射筒的氣密性；

e）發(fā)射時，前易碎蓋應(yīng)能讓開通道，且不干涉其運動；

f）前蓋周向應(yīng)齊根斷裂，斷裂后殘留物在徑向上不允許進入發(fā)射筒內(nèi)徑范圍內(nèi)；

g）后易碎蓋上預(yù)設(shè)溝槽，發(fā)射時，后易碎蓋沿周向預(yù)制溝槽斷裂。

2.2結(jié)構(gòu)組成及功能

易碎蓋由外蓋板、聚氨酯泡沫板、法蘭環(huán)和內(nèi)蓋板組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1與圖2所示。易碎蓋與筒體一起構(gòu)成一個密閉的空間，充干燥氮氣，為武器系統(tǒng)的貯存提供良好的工作環(huán)境。發(fā)射時，易碎蓋在發(fā)動機燃氣流的作用下脹破，自動開啟，讓開發(fā)射通道。其中，前蓋在相鄰?fù)舶l(fā)射時，還應(yīng)能承受發(fā)射燃氣流沖擊。

將易碎蓋設(shè)計成如圖2所示的結(jié)構(gòu)，當壓力由外向內(nèi)作用時，力通過較強的金屬蓋板直接傳遞給法蘭，承載能力較強，具有保護泡沫板的作用，充當保護蓋。當燃氣流由內(nèi)向外作用時，力則通過硬質(zhì)聚氨酯泡沫結(jié)構(gòu)傳遞給法蘭，承載能力較弱，易于開蓋。這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是可以對向內(nèi)、向外的承載能力進行分別設(shè)計。

整個前、后蓋的重量較輕，考慮易碎蓋不分瓣，整體拋出。燃氣流作用時，內(nèi)蓋板主要承擔彎曲應(yīng)力，硬質(zhì)聚氨酯板主要承擔剪切應(yīng)力。同時內(nèi)蓋板起切刀作用，硬質(zhì)聚氨酯板被切斷時斷口會比較整齊，利于出筒；同時，將金屬保護蓋與聚氨酯泡沫易碎蓋融為一體設(shè)計，減少打開保護蓋的操作步驟，縮短作戰(zhàn)反應(yīng)時間，提高武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

2.3設(shè)計計算

2.3.1 內(nèi)壓力指標的確定

易碎蓋內(nèi)壓力指標主要由使用條件確定。在貯存時，筒內(nèi)充5kPa±1kPa，氮氣置換時。筒內(nèi)相對壓強為20kPa±5kPa。發(fā)射筒的最大使用海拔高度為3500m，此高度與海平面的的壓力差為42.5 kPa。因此，可以將易碎蓋承受內(nèi)壓力的指標確定為65 kPa。

2.3.2 外壓力指標的確定

前蓋在相鄰?fù)舶l(fā)射時，需要承受發(fā)射燃氣流的壓力作用，按照其它型號的經(jīng)驗定為90 kPa。

2.3.3 外蓋板厚度計算

外蓋板主要承受相鄰燃氣流壓力?？梢砸暈槌惺芫級毫Φ闹苓吅喼У膱A板。圓板中心的應(yīng)力最大。初步取板厚為2mm，按下式進行強度校核：

2.3.4 硬質(zhì)聚氨酯板厚度計算

硬質(zhì)聚氨酯板主要承受內(nèi)壓傳遞的剪切力。根據(jù)內(nèi)壓力的指標可以計算其所承受的剪切力。

硬質(zhì)聚氨酯板的承載能力與密度有關(guān)，取已有型號易碎蓋同樣的密度0.35g/cm3，其剪切強度為[σ]=2MPa?？梢杂嬎阌操|(zhì)聚氨酯板的厚度。

為增加易碎蓋剛度，將其余部分厚度設(shè)計為4mm，剪切面預(yù)制溝槽，厚度定為2.4mm。

因為已有型號的易碎蓋為拉應(yīng)力破壞，許用剪切應(yīng)力是通過換算得到的。后續(xù)需要通過試驗測得破壞剪切力，進一步調(diào)整預(yù)制溝槽處的壁厚。

2.3.5 內(nèi)蓋板厚度計算

內(nèi)蓋板主要承受內(nèi)壓傳遞的彎曲應(yīng)力。可以視為承受集中力的周邊簡支的圓板。圓板中心的應(yīng)力最大。初步取板厚為2mm，按下式進行強度校核：

代入各參數(shù)進行強度校核，此時σ=1661MPa，遠大于[σ]，故板厚2mm不滿足要求。幾次調(diào)整后，板厚取4mm。此時σ=364MPa，小于[σ]可以滿足要求。

3 試驗驗證

3.1易碎蓋氣密試驗

將制備好的易碎蓋裝于發(fā)射筒上，將發(fā)射筒內(nèi)充入氣體至壓力為20KPa，保壓3min，檢查壓力的穩(wěn)定性。通過對五組易碎蓋分別裝配在發(fā)射筒前后進行氣密試驗，其壓力均穩(wěn)定在30KPa。說明制備的易碎蓋能夠滿足氣密要求。

3.3易碎蓋爆破試驗

制備好易碎蓋后，需進行氣壓爆破試驗，驗證易碎蓋是否滿足設(shè)計要求，分別取5組（每組3個）易碎蓋進行正、負壓爆破試驗，試驗時要求工裝氣密性好、不漏氣、充氣速度均勻。試驗過程中氣壓達到120kPa時，易碎蓋未漲破則終止試驗，試驗結(jié)果如表1所示：

從上表實驗結(jié)果，可以看出易碎蓋正、負壓均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文從易碎蓋結(jié)構(gòu)方面著手，設(shè)計一種較為理想的易碎蓋結(jié)構(gòu)形式，通過結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，試驗驗證，最終確定易碎蓋的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)，制備出符合產(chǎn)品技術(shù)要求的易碎蓋。

與傳統(tǒng)的易碎蓋相比，這種易碎蓋結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點是可以對向內(nèi)、向外的承載能力進行分別設(shè)計。在聚氨酯泡沫板成型制作上，提前將法蘭環(huán)與外蓋板放入模具，一次發(fā)泡將法蘭環(huán)、聚氨酯泡沫板、外蓋板粘接一起，減少后續(xù)裝配粘接工序，節(jié)約易碎蓋生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本。金屬保護蓋與聚氨酯泡沫易碎蓋融為一體設(shè)計，在作戰(zhàn)時，減少傳統(tǒng)易碎蓋打開保護蓋的操作步驟，縮短作戰(zhàn)反應(yīng)時間，提高武器作戰(zhàn)效能。

參考文獻

[1] 孫建中.美國海軍的新型艦載垂直發(fā)射裝置[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2001.

[2] 曹然，周光明.復(fù)合材料易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計[J].固體火箭技術(shù)，2015.

[3] 劉易軍.聚氨酯樹脂及其應(yīng)用[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2012.