赫美琳，高明慧

(1.中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島125001；2.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái)264001)

0 引言

多管火箭炮武器系統(tǒng)是第二次世界大戰(zhàn)期間主要火力突擊力量[1]，成為世界各國爭先研制和發(fā)展的武器系統(tǒng)[2]，在艦船上也應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)役艦載火箭炮能形成快速有效的火力打擊速度和密度，且其能攜帶多用途、大威力戰(zhàn)斗部。多管火箭炮具有瞬時(shí)提供強(qiáng)大壓制火力、發(fā)射多種不同性能的火箭彈、快速再裝填等特點(diǎn)[3]，廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)作戰(zhàn)中?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭要求艦載火箭炮能具備小空間發(fā)射能力，減少火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)后排尾焰，有必要研究新型發(fā)射管改善火箭炮武器系統(tǒng)性能。

目前艦載火箭炮發(fā)射方式主要采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)敞口發(fā)射，如圖1所示?；鸺诎l(fā)射時(shí)，火箭彈的發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰通過定向器尾部向后噴射，會(huì)產(chǎn)生很大的聲光信號(hào)，不利于火箭炮的隱蔽，同時(shí)火箭炮根據(jù)發(fā)射任務(wù)，需要有一定的發(fā)射空間，不利于小空間發(fā)射。

一些學(xué)者針對(duì)火箭炮在安裝平臺(tái)耦合干擾下的輸出調(diào)節(jié)問題[4]、火箭炮發(fā)射系統(tǒng)輕量化[5]、船載火箭炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真[6]、防空火箭炮剛?cè)狁詈习l(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真[7]、多管火箭炮密閉發(fā)射內(nèi)彈道仿真[8]等問題進(jìn)行了探討。對(duì)新型發(fā)射管的研究還較少見諸論文中。

針對(duì)此問題，本文研究火箭彈在方形發(fā)射管中發(fā)射的可行性，設(shè)計(jì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)排導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)?，在方形發(fā)射管內(nèi)部安裝定向器，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)饨?jīng)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)導(dǎo)向前部，從發(fā)射管和定向器邊角進(jìn)行燃?xì)馀艑?dǎo)，根據(jù)工作條件進(jìn)行流場仿真分析，為改進(jìn)火箭炮性能提供參考。

1 火箭炮方形發(fā)射管模型

目前艦載火箭炮發(fā)射管采用圓形定向器、敞口發(fā)射，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馔ㄟ^定向器排導(dǎo)到后方，需要較大的排導(dǎo)空間。由此設(shè)計(jì)新型發(fā)射管，如圖2所示，方形發(fā)射管內(nèi)部安裝定向器，用來約束火箭彈，提供制止力、定向發(fā)射等功能。定向器與發(fā)射管4個(gè)角之間的通道作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馀艑?dǎo)通道。

方形發(fā)射管尾部作為火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庹坜D(zhuǎn)點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，保證燃?xì)饬髌交瑢?dǎo)向發(fā)射管燃?xì)馀艑?dǎo)通道，降低內(nèi)部壓強(qiáng)，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)如圖3所示，由導(dǎo)流錐和導(dǎo)流塊組成。

發(fā)射箱技術(shù)指標(biāo)：

1)發(fā)射箱外形尺寸：200 mm×200 mm×1 900 mm；

2)定向器口徑：130 mm；

3)定向器長度：1 600 mm。

發(fā)射箱結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積?。?/p>

2)單管能夠自身解決發(fā)射燃?xì)饬髋艑?dǎo)(各自具有獨(dú)立的燃?xì)饬髋艑?dǎo)系統(tǒng))，省去了集中、公用燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)，使發(fā)射裝置占用空間小、適裝性強(qiáng)，火箭彈的發(fā)射互不影響，可滿足火箭彈齊射；

3)定向器長度：1 600 mm。

2 發(fā)射管內(nèi)流場仿真模型

應(yīng)用數(shù)值模擬方法，通過ICEM CFD軟件繪出方形發(fā)射管的三維流場網(wǎng)格，開展發(fā)射管內(nèi)流場三維非穩(wěn)態(tài)研究，利用FLUENT軟件進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果及其相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過數(shù)值模擬，研究發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)射管內(nèi)的尾流場特性，獲取方形發(fā)射管的壓力分布規(guī)律等數(shù)據(jù)，為新型發(fā)射管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

根據(jù)輸入條件建立幾何模型，如圖4所示。

根據(jù)幾何模型建立數(shù)值仿真模型，如圖5所示。

局部網(wǎng)格如圖6所示。

噴管入口邊界條件以現(xiàn)有某發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)給定為壓強(qiáng)入口，給定燃燒室總溫總壓，分別為2 350 K和9.8 MPa。外部流場出口為壓強(qiáng)出口，溫度為300 K。

求解過程采用分離顯式求解步驟，順序求解各方向上的動(dòng)量方程、壓力修正方程、能量方程等；時(shí)間采用一階顯式方案，控制方程以一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

3 發(fā)射管內(nèi)流場仿真結(jié)果

3.1 尾流場壓力分布

圖7給出了噴管尾部壓力分布云圖，從圖中可以看出在噴管的流動(dòng)中，噴管上部為高壓區(qū)，下部為低壓區(qū)，氣流在兩端壓差的作用下流動(dòng)。沿噴管軸線方向，氣流壓力逐漸降低，在噴管出口處氣壓最小。氣流在收斂段出現(xiàn)急劇轉(zhuǎn)折，伴隨著氣流的急劇壓縮，壓強(qiáng)急劇下降，因此采用方形發(fā)射管排導(dǎo)方式的尾部壓強(qiáng)在安全范圍內(nèi)，不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。

圖8給出了發(fā)射管導(dǎo)流結(jié)構(gòu)底部壓力云圖，仿真結(jié)果可為發(fā)射管的設(shè)計(jì)提供參考。在發(fā)射管導(dǎo)流結(jié)構(gòu)氣流轉(zhuǎn)折的地方壓力最大，達(dá)到約3.4 MPa，這主要是導(dǎo)流錐提供了氣流轉(zhuǎn)向力。隨后是一圈壓力較低的圓環(huán)，該處沒有受到氣流的直接沖擊，由于燃?xì)鈿饬飨蛏吓懦?，此區(qū)域壓強(qiáng)較低，說明燃?xì)馀艑?dǎo)較通暢，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)起到了燃?xì)鈿饬鲗?dǎo)向作用。

3.2 尾流場速度分布

圖9為發(fā)射管內(nèi)速度分布云圖，速度在噴管內(nèi)發(fā)生了急劇變化，從圖中可以看出，沿噴管軸線方向，速度逐漸增大，在噴管喉部速度達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，處于臨界狀態(tài)。隨著收斂段橫截面積逐漸減小，氣流速度逐漸增加，特別是在轉(zhuǎn)折處，氣流不斷加速，氣流整體速度越來越大，在出口出現(xiàn)最大值；在擴(kuò)張段轉(zhuǎn)折處，氣流繼續(xù)膨脹加速，在出口處速度達(dá)到最大。經(jīng)過發(fā)射管導(dǎo)流后從發(fā)射管流通噴出。

3.3 尾流場速度矢量圖

圖10是導(dǎo)流結(jié)構(gòu)內(nèi)流場矢量圖，表現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)尾部燃?xì)鈱?dǎo)流后流動(dòng)方向。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馕惭嫱ㄟ^導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的反射，從發(fā)射管內(nèi)部導(dǎo)流通道向上排導(dǎo)出去，導(dǎo)流通道效果明顯。

4 結(jié)束語

本文以艦載多管火箭炮為研究對(duì)象，針對(duì)現(xiàn)有艦載火箭炮尾焰大、發(fā)射空間大等問題，提出了新型發(fā)射管技術(shù)，設(shè)計(jì)了方形發(fā)射管、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和排焰通道，仿真分析了新型發(fā)射管內(nèi)燃?xì)饬鲌銮闆r。

根據(jù)方形發(fā)射管及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)模型，建立仿真模型，說明了數(shù)值模擬過程中使用的各種方程與方法，并對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果做出了分析，明確了發(fā)動(dòng)機(jī)尾流場的排導(dǎo)特性。通過仿真分析明確了新型發(fā)射管發(fā)射火箭彈時(shí)燃?xì)鈮簭?qiáng)和速度在發(fā)射管內(nèi)的分布情況。

仿真計(jì)算結(jié)果表明：該新型方形發(fā)射管不影響火箭彈的正常發(fā)射，能確保發(fā)射安全性，且導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能將燃?xì)忭樌蚯芭懦?。由此即可根?jù)實(shí)際需求，通過流場仿真，設(shè)計(jì)合理的新型發(fā)射管，滿足火箭炮無尾焰、小空間發(fā)射需求，為艦載火箭炮武器系統(tǒng)提供了參考。