張 晶，金 玲，張 程,2，許俊偉，宋 磊

（1．中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2．國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410073）

0 引 言

目前，同心筒發(fā)射裝置（Concentric Canister Launcher，CCL）是國(guó)內(nèi)外正在研究的一種新型艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)[1]，采用同心布置的內(nèi)外筒作為導(dǎo)彈的貯存、運(yùn)輸、發(fā)射容器。同心筒式發(fā)射裝置技術(shù)為導(dǎo)彈、發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)提供了新的通用性，不僅質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，而且可以顯著地提高發(fā)射系統(tǒng)的性能。

1 導(dǎo)流錐

導(dǎo)流錐是同心筒發(fā)射裝置中的重要組成部分，用于發(fā)射過程中對(duì)燃?xì)饬鬟M(jìn)行導(dǎo)流，主要作用是改變發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的燃?xì)饬鞯牧鲃?dòng)方向，避免在筒底產(chǎn)生較大的沖擊[1]。對(duì)于熱發(fā)射的導(dǎo)彈，發(fā)射過程中發(fā)動(dòng)機(jī)噴管噴出的高溫燃?xì)饬鹘?jīng)導(dǎo)流錐導(dǎo)流后反流向上，利用同心筒內(nèi)外筒之間的環(huán)形間隙作為排導(dǎo)通道向上排出。

為了研究導(dǎo)流型面對(duì)燃?xì)馀艑?dǎo)的影響，文獻(xiàn)[2]選取常見的半球型和圓錐型兩種導(dǎo)流形式的同心筒作為研究對(duì)象，對(duì)發(fā)射過程中的溫度和壓力進(jìn)行深入的計(jì)算和分析，得到圓錐型導(dǎo)流錐較半球型導(dǎo)流錐明顯地減小了發(fā)射時(shí)筒底部的壓力和溫度，對(duì)發(fā)射環(huán)境起到一定改善作用。

本文以圓錐型導(dǎo)流錐為研究對(duì)象，對(duì)導(dǎo)流錐的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足發(fā)射要求的前提下，簡(jiǎn)化工藝流程、降低生產(chǎn)加工成本。

2 正交試驗(yàn)

2.1 基本概念

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表安排與分析多試驗(yàn)變量的一種設(shè)計(jì)方法。該方法在試驗(yàn)變量的全部參數(shù)值組合中，挑選部分有代表性的參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的參數(shù)組合[3]。

2.2 設(shè)計(jì)流程

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析流程如圖1所示，首先選取對(duì)試驗(yàn)影響大的因素，確定因素位級(jí)；其次根據(jù)因素和位級(jí)的多少，合理設(shè)計(jì)正交表，制定試驗(yàn)方案；最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析并得出最優(yōu)方案。

圖1 正交試驗(yàn)分析流程Fig.1 Analysis Process of Orthogonal Test

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 確定試驗(yàn)因素、因素位級(jí)

本文設(shè)計(jì)的同心筒導(dǎo)流錐要求在發(fā)射過程中底部壓力值小于0.2 MPa。針對(duì)圓錐型導(dǎo)流錐，在導(dǎo)流錐底部與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口距離以及外廓尺寸一定的條件下，影響底部壓力值的因素有導(dǎo)流錐高度 H、導(dǎo)流錐角度θ和導(dǎo)流錐底部半徑R，如圖2所示。

圖2 圓錐型導(dǎo)流錐Fig.2 Conical Guide Cone

根據(jù)理論計(jì)算并考慮外廓尺寸約束范圍，確定導(dǎo)流錐高度為400～600 mm，導(dǎo)流錐角度為15～25°，導(dǎo)流錐底部半徑為130～150 mm。對(duì)以上參數(shù)選取3個(gè)位級(jí)，綜合形成因素位級(jí)表，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)的因素位級(jí)Tab.1 Factor Level of Orthogonal Test

3.2 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表并實(shí)施試驗(yàn)

根據(jù)因素位級(jí)選取結(jié)果，選用L9（34）表設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)，對(duì)每項(xiàng)試驗(yàn)組合進(jìn)行燃?xì)饬鲌?chǎng)仿真計(jì)算，得到導(dǎo)流錐底部壓力仿真結(jié)果，如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)表及仿真結(jié)果Tab.2 Orthogonal Test Table and Simulation Results

3.3 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由表2可以看出，底部壓力最低的為第2號(hào)試驗(yàn)，其底部壓力值為0.199 MPa，3個(gè)參數(shù)（高度H、角度θ和半徑R）的組合為H2θ1R1。

對(duì)正交試驗(yàn)仿真結(jié)果進(jìn)行極差計(jì)算（以高度因素為例：位級(jí)1底部壓力之和為表2中高度400 mm對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)號(hào)1、4、7試驗(yàn)底部壓力之和），計(jì)算結(jié)果如表3所示，由表3可知：對(duì)于導(dǎo)流錐高度，位級(jí)3最好；對(duì)于導(dǎo)流錐角度，位級(jí) 2最好；對(duì)于導(dǎo)流錐底部半徑，位級(jí)1最好，從而得最好方案為H3θ2R1。表3與表2仿真結(jié)果存在差距，需要進(jìn)一步開展補(bǔ)充仿真計(jì)算。按照極差 R的大小，把因素的影響主次順序以及優(yōu)先選用的位級(jí)進(jìn)行了排列，極差 R越大，因素的影響作用越大，如表4所示。

表3 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果極差計(jì)算分析Tab.3 Extreme Analysis of the Simulation Results of Orthogonal Test

表4 因素主次順序排列Tab.4 Sequence Arrangement of Factors

3.4 補(bǔ)充仿真計(jì)算

由于直接得出的仿真結(jié)果和極差分析結(jié)果存在差距，H2θ1R1方案和 H3θ2R1方案比較，分別為高度 H因素和角度 θ因素有差距，因此進(jìn)行補(bǔ)充仿真計(jì)算。由表4可知，高度H因素在本次正交試驗(yàn)中起到的影響作用最大，角度 θ因素在本次正交試驗(yàn)中起到的影響作用最小，綜合考慮時(shí)間周期和成本，在進(jìn)行補(bǔ)充仿真計(jì)算時(shí)，直接選擇表4底部壓力低的角度θ和半徑R參數(shù)，如表5所示。

表5 補(bǔ)充仿真計(jì)算參數(shù)Tab.5 Supplementary Simulation Calculation Parameters

對(duì)起主要作用的高度H因素選取兩組參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步仿真計(jì)算，高度H因素參數(shù)和底部壓力仿真計(jì)算結(jié)果如表 6所示，F(xiàn)luent燃?xì)饬鲌?chǎng)仿真壓力云圖分別如圖3、圖4所示。

表6 補(bǔ)充仿真計(jì)算結(jié)果Tab.6 Supplementary Simulation Results

圖3 高度450mm壓力云圖Fig.3 Height 450mm Pressure

圖4 高度550mm壓力云圖Fig.4 Height 550mm Pressure

3.5 結(jié)果分析

由表2、表3可知，在導(dǎo)流錐底部與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口距離以及外廓尺寸一定的條件下，導(dǎo)流錐底部壓力值隨著高度H、角度θ、半徑R的增大呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，由于3個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，本次正交試驗(yàn)仿真子樣數(shù)量較少，因此該結(jié)論不具有普遍性。

由表 6可知，第 2號(hào)試驗(yàn)的底部壓力值為0.198 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以得出圓錐型導(dǎo)流錐型面的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：導(dǎo)流錐高度H為550 mm，導(dǎo)流錐角度θ為20°，導(dǎo)流錐底部半徑R為130 mm。

在補(bǔ)充仿真計(jì)算過程中僅選取了兩個(gè)不同的高度參數(shù)進(jìn)行比較，未進(jìn)行進(jìn)一步深入細(xì)化仿真，因此得到的最終設(shè)計(jì)參數(shù)僅為優(yōu)選后的結(jié)果，不一定為最優(yōu)解。

4 產(chǎn)品加工與發(fā)射試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)流錐產(chǎn)品加工，金屬件加工完成后在表面噴涂防熱涂層，產(chǎn)品實(shí)物如圖5所示。該導(dǎo)流錐產(chǎn)品參加了同心筒發(fā)射試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中對(duì)導(dǎo)流錐底部壓力進(jìn)行測(cè)量，底部壓力實(shí)測(cè)值為0.18 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 導(dǎo)流錐產(chǎn)品Fig.5 Guide Cone Product

5 結(jié) 論

本文采用正交試驗(yàn)方法對(duì)同心筒導(dǎo)流錐進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)影響底部壓力的高度、角度、底部半徑3個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算，最后通過補(bǔ)充仿真計(jì)算得到優(yōu)化參數(shù)組合，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)按照設(shè)計(jì)參數(shù)生產(chǎn)加工的導(dǎo)流錐產(chǎn)品在同心筒發(fā)射試驗(yàn)過程中進(jìn)行底部壓力值測(cè)量，結(jié)果表明滿足設(shè)計(jì)要求。