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        艦船導彈發(fā)射系統(tǒng)導流裝置設計方法與研究*

        2019-08-22 06:18:26康文俊劉曉燕齊紅亮
        彈箭與制導學報 2019年2期
        關鍵詞:發(fā)射筒發(fā)射裝置誘餌

        高 昱,康文俊,周 航,劉曉燕,齊紅亮

        (中國航天科技集團公司第四研究院第41所, 西安 710025)

        0 引言

        在海裝某課題的牽引下,課題組根據(jù)國內成熟的擾流片式推力矢量固體發(fā)動機,先后完成多發(fā)軸向調節(jié)冷試、軸向調節(jié)熱試、六分力熱試等性能試驗,取得了豐富的試驗數(shù)據(jù),掌握了該型矢量發(fā)動機的控制規(guī)律和推力調節(jié)模型,并通過了一發(fā)懸浮干擾彈原理性飛行試驗的考核,具備了開展演示驗證的條件。懸浮誘餌干擾彈在國際上競爭也比較激烈,美國的Mk53快速箔條和誘餌干擾系統(tǒng)是和澳大利亞聯(lián)合研制的一種具備快速反應能力的主動式干擾系統(tǒng),可以為作戰(zhàn)艦艇提供有效的反導保護。該系統(tǒng)是在現(xiàn)役的MK36系統(tǒng)上加裝“NULKA”(澳大利亞土著語“快速”)誘餌發(fā)射系統(tǒng)升級而成的,目標是干擾來襲的反艦導彈雷達和敵艦艦艇上的火控雷達[1]。誘餌發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射筒部分提供了導彈電氣連接,其側壁可為導彈提供燃氣排導。另外,這種儲運發(fā)射筒可在軍艦艦艇上任何部位靈活安裝。目前已經(jīng)獲得MICA導彈垂發(fā)系統(tǒng)的列裝[2]。

        在 “艦載舷外有源運動誘餌關鍵技術”研究課題的支持下,開展了艦載舷外運動誘餌干擾彈的設計、樣機研制和原理性飛行試驗工作。誘餌干擾彈總體、推力矢量發(fā)動機、復合控制等關鍵技術均通過了試驗驗證,懸浮型誘餌干擾彈總體技術已經(jīng)成熟,具備了開展系統(tǒng)集成演示驗證的技術條件。

        為促進國內新型艦載舷外誘餌系統(tǒng)的研制進程,并為該型產品的立項研制做好技術鋪墊,據(jù)海軍裝備研究院的計劃安排,擬在后續(xù)期間開展新型艦載舷外誘餌系統(tǒng)的演示驗證工作。

        文中依據(jù)誘餌載荷的使用要求,開展了新型艦載舷外誘餌系統(tǒng)發(fā)射方案的設計工作。

        1 懸浮誘餌干擾彈總體技術條件及要求

        懸浮誘餌干擾彈總體技術指標要求滿足傾斜式向外發(fā)射;順序離軌;全系統(tǒng)實現(xiàn)快速連接,適應快速操作技戰(zhàn)術要求;快速捕捉發(fā)射窗口發(fā)射,提高出筒發(fā)射能力;滿足多彈齊發(fā)能力;具有與戰(zhàn)術彈共架發(fā)射的能力;采用熱發(fā)射方式時,需做好發(fā)動機尾焰的導流,防止對艦艇甲板造成損傷等要求。

        2 發(fā)射系統(tǒng)設計

        眾所周知,艦船上的發(fā)射裝置較陸地上有很大的不確定性,發(fā)射坐標原點不確定,發(fā)射瞄準也存在不確定因素等,這樣給發(fā)射裝置設計帶來了一定的難度和復雜程度,為了解決好這個問題,將分以下幾個方面進行選擇和設計[3]。

        2.1 發(fā)射裝置在艦船上的位置選擇

        發(fā)射裝置在艦船上選擇位置很關鍵,理論上應選在艦船的艉端或左、右外舷上,以不影響駕駛艙操作人員的視線為好。根據(jù)本課題的應用特點,放置在左右外舷上,其中關鍵是要解決燃氣流的導流問題,需要設計增加導流裝置,以減少燃氣流對艦船的燒蝕。

        根據(jù)國外同類型的發(fā)射裝置設計經(jīng)驗,采用同心圓發(fā)射筒實現(xiàn)向上排導燃氣流(如圖3所示)。

        圖1 干擾彈裝填

        圖2 干擾彈發(fā)射出箱

        圖3 燃氣流排導設計圖

        2.2 燃氣導流設計

        為進一步改善發(fā)射內筒與外筒間的燃氣流,采用加大擴散段擴散角的方法,應用CFD軟件進行流場計算,借鑒成熟發(fā)射系統(tǒng)設計經(jīng)驗,采用"錐形"發(fā)射筒球窩控制導流燃氣流時,需要調試最佳導流球窩參數(shù)。數(shù)值計算結果表明,不加設導流球窩時,擴散段存在嚴重回流旋渦,對主流產生擠壓作用,使主流產生不可預測的橫向擺動,影響發(fā)射筒球窩的高效性和安全穩(wěn)定性;加設導流球窩并將其調整至最佳參數(shù)后,擴散段兩側旋渦的強度和范圍大幅減小,對主流的擾動作用明顯減弱,燃氣流能夠實現(xiàn)平穩(wěn)均衡過渡,因此達到了設計的目的。

        用數(shù)值仿真方法來驗證其正確性。首先基于Amilton原理和Von-Karman大變形理論,建立發(fā)射筒壁板的熱氣動彈性運動方程,假設其中壁板受熱后溫度均勻分布,熱激波前后區(qū)域的氣動力模型采用當?shù)匾浑A活塞流理論;其次利用Galerkin方法將具有連續(xù)參數(shù)系統(tǒng)的偏微分顫振方程離散為有限個自由度的常微分方程,基于李雅普諾夫間接法將非線性顫振方程組在平衡位置處進行線化,再用Routh-Hurwits判據(jù)來判斷線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而推論出非線性顫振系統(tǒng)的氣動彈性穩(wěn)定性。在時域中采用龍格-庫塔法對非線性顫振方程進行數(shù)值積分,得到壁板非線性顫振響應的時間歷程,與理論分析結果進行對比。結果表明,壁板受到斜激波沖擊時,更容易發(fā)生顫振失穩(wěn),并且激波強度越大,極限環(huán)幅值和頻率越大;激波主導流場中的壁板失穩(wěn)邊界不同于傳統(tǒng)單純超聲速氣流中壁板顫振的失穩(wěn)邊界;只有在斜激波前后不同的動壓值都滿足顫振穩(wěn)定性邊界的條件下,壁板才可能保持其氣動彈性穩(wěn)定性。

        2.3 精度問題

        海上發(fā)射系統(tǒng)最重要的技術難點就是全系統(tǒng)的瞄準精度。?;l(fā)射與陸基發(fā)射不同。船在海上航行還尚不穩(wěn)定,有時甚至船本身所處的瞄準姿態(tài)都不很清楚,另外由于海浪的作用,導致發(fā)射裝置的三軸位置也會經(jīng)常發(fā)生變化。如果采用了單純的慣性制導,將造成瞄準精度降低和瞄準時間過長,失去最佳發(fā)射窗口,變主動成被動,使懸浮誘餌彈失去了列裝意義。瞄準精度和瞄準時間在陸基上比較容易實現(xiàn),但在艦船上發(fā)射就比較困難。美國采用了技術復雜,成本高的潛艇慣性導航系統(tǒng),目前國內通常采用差分GPS定位定向系統(tǒng),該系統(tǒng)定位精度1.5 m,定向精度不大于9′,最主要的是測量速度快,在某種程度上解決了精度問題,還能縮短瞄準時間,抓住戰(zhàn)機窗口發(fā)射。蘇聯(lián)采用陀螺儀保持發(fā)射裝置平穩(wěn)性方法,可將圓概率偏差精度保持在7 m[4]。

        3 關鍵技術

        根據(jù)系統(tǒng)要求采用熱發(fā)射方式。陸基發(fā)射可以將燃氣流直接排導在地面上;艦船上則不能將燃氣流排導在艦船上,對艦船造成燒蝕,必須要設計導流裝置對燃氣流進行排導,因此排導燃氣流顯得尤其關鍵。

        燃氣流導流問題是艦船發(fā)射裝置設計的關鍵技術。同心圓筒排導燃氣流仿真計算及發(fā)射流場分析過程如下。

        1)計算模型:

        a)發(fā)射筒模型選取圖4結構;

        b)軸對稱計算模型,湍流模型為S-A模型,采用一階迎風格式離散。

        2) 邊界條件:

        a)壓力入口邊界:10 MPa,2 200 K。

        b)壓力出口邊界:環(huán)境壓強。

        3) 收斂準則:連續(xù)方程、動量方程及能量方程的殘差下降3個數(shù)量級以上,且出入口流量達到平衡。

        4) 燃氣參數(shù):CP取定值2 000 J/(kg·K),空氣分子量取29。

        5) 計算結果:計算結果壓強云圖見圖5、圖6,馬赫數(shù)云圖和流線圖見圖7,溫度云圖見圖8。

        圖4 發(fā)射筒外形結構

        圖5 壓強云圖(范圍0~10 MPa)

        圖6 壓強云圖(范圍0~0.5 MPa)

        圖7 馬赫數(shù)云圖和流線圖

        圖8 溫度云圖

        仿真計算結果決定間隙大小,既要滿足氣流排導要求,還要滿足間隙最小。經(jīng)計算滿足燃氣流排導壓力要求。理論排導面積為5 026.55 mm2,實際設計排導面積為5 969.03 mm2,(實際設計值大于理論計算值,滿足發(fā)射燃氣流排導要求)。根據(jù)排導面積推導出尾部開孔直徑為Φ80 mm就可滿足燃氣流排導壓力和溫度要求。

        4 發(fā)射系統(tǒng)結構設計

        發(fā)射系統(tǒng)組成。一般是由發(fā)射筒,發(fā)射箱,電氣單元等系統(tǒng)組成。下面就分別敘述其功能和設計方法及注意事項。

        1)發(fā)射筒

        ①結構設計

        發(fā)射筒設計為同心圓筒,即由內筒和外筒組成(見圖4)。發(fā)射筒由發(fā)射筒體、易碎蓋、發(fā)射筒電氣組件(含筒壁電纜、筒壁電連接器、筒彈分離電連接器)、機電保險器、撥叉、球窩轉接(見圖9所示)等組成[5]。

        圖9 球窩轉接外形

        發(fā)射筒既是誘餌彈發(fā)射定向器,又是誘餌彈儲存、轉運的包裝箱。球窩轉接部分實現(xiàn)發(fā)射筒與發(fā)射箱的配合聯(lián)接。發(fā)射筒具有密封、防護功能。通過發(fā)射筒實現(xiàn)地面發(fā)控系統(tǒng)與誘餌彈之間電氣連接[5]。

        發(fā)射筒的工作原理:首先地面發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出機電保險器解鎖指令,機電保險器解鎖,發(fā)動機點火電路接通,根據(jù)發(fā)動機點火指令,發(fā)射時發(fā)動機點火,筒彈分離電連接器插頭與插座分離,誘餌彈沿著發(fā)射筒導軌運動,誘餌彈撞碎易碎蓋,然后出筒。

        誘餌彈發(fā)射時,發(fā)動機尾部火焰經(jīng)發(fā)射筒尾部的“錐形”球窩轉接導流后沿著內筒、外筒之間空腔向筒體口部運動,經(jīng)前端口部排出筒外。該發(fā)射方式可以有效減少發(fā)動機尾焰對甲板的影響。

        ②發(fā)射筒體強度分析計算

        為了減輕質量,發(fā)射筒采用薄壁金屬材料,這樣需要對其結構強度進行分析計算。

        a)計算模型:發(fā)射筒三維模型簡化為殼體,模擬復材鋪層建模,材料屬性如表1所示,復材鋪層如圖10所示,簡化后模型如圖11所示。

        圖10 復材鋪層示意圖

        參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值E1/GPa67.5v310.22E2/GPa57.5G12/GPa4.7E3/GPa11.4G23/GPa1.91v120.12G31/GPa1.91v230.22

        圖11 發(fā)射筒殼體幾何模型

        b)邊界條件:發(fā)射筒殼體一端固支,內外筒之間空腔施加壓強載荷,壓強為0.15 Pa,網(wǎng)格劃分如圖12所示。

        圖12 殼體施加載荷圖

        圖13 發(fā)射筒殼體應力云圖

        圖14 發(fā)射筒殼體位移云圖

        c)計算結果及分析

        仿真結果(見圖13、圖14)表明,殼體最大應力為89.9 MPa,發(fā)生在導軌附近,遠小于材料抗拉強度極限669 MPa。最大位移為0.072 mm,發(fā)生在內層殼體中部。發(fā)射筒殼體強度、剛度滿足設計要求[6]。

        2)發(fā)射箱

        發(fā)射裝置為箱式結構(見圖15、圖16、圖17),底座推車、箱體為龍骨外加蒙皮結構,每艘艦有兩部發(fā)射裝置分別安裝在艦船左、右外舷上。每部發(fā)射裝置具有兩個連接接口。接口1與發(fā)射筒連接,接口2通過發(fā)射箱底座與艦船連接,發(fā)射轉運推車4個支腳用螺栓固定在艦船左右外舷上。功能一是負責傾斜式發(fā)射的高低角調節(jié)設計,功能二是具有方位角調節(jié)設計。對于質量輕的懸浮誘餌彈,可以用支腳升降螺桿實現(xiàn)高低角傾斜式發(fā)射,而且傾角連續(xù)可調[7]。

        圖15 發(fā)射箱外部結構示意圖

        圖16 發(fā)射箱內部結構示意圖

        圖17 發(fā)射箱內部結構圖

        球窩轉接主要用于發(fā)動機尾焰分流導向,在裝配狀態(tài)下實現(xiàn)筒裝導彈軸向定位。

        底座呈半球狀,選用45鋼機加成型,球窩轉接基本壁厚為2 mm,半球中部設計有導流錐,發(fā)動機點火后起導流作用,球窩轉接外形如圖9所示。

        3)電氣單元

        電氣單元主要解決導彈發(fā)射時,彈上參數(shù)的裝訂、激活彈上電池、啟動點火發(fā)射等。發(fā)控系統(tǒng)通過電纜網(wǎng)由脫落電連接器與彈上通訊,選擇拉火繩式脫落電連接器,在發(fā)射時直接拽脫即可,為了便于操作將發(fā)射筒中的電連接器固定在連接法蘭上,方便發(fā)射箱中的電纜對接操作。

        5 完成的驗證試驗

        懸浮誘餌彈在研制的過程中完成總體布局和性能仿真、總體方案設計;對誘餌彈技術指標進行了分解,形成新型技術指標體系;完成發(fā)動機設計,建立了矢量推力模型;完成復合控制系統(tǒng)設計,開展了數(shù)學仿真及半實物仿真;完成旋轉控制翼設計,開展了動力學仿真;完成懸浮誘餌彈飛行試驗設計,形成了演示飛行方案。

        筒彈匹配試驗:完成了發(fā)射系統(tǒng)與懸浮誘餌彈發(fā)射系統(tǒng)結構匹配,互換性好,電氣滿足發(fā)射要求;地面聯(lián)合試驗各系統(tǒng)協(xié)調,連接快速,滿足快速反應能力;首飛試驗懸浮時間65 s達到了海軍技戰(zhàn)術要求;通過外場飛行試驗,驗證了燃氣流導流滿足艦船使用要求,不會對艦船燒蝕。

        6 創(chuàng)新性

        懸浮誘餌彈發(fā)射系統(tǒng)是針對艦船來設計的,由于艦船上存在諸多的不確定因素,設計時要用到許多新技術,新方法。進行了仿真分析和流場計算;由于要求質量輕,所以也要用到新材料、新工藝進行加工;還要了解艦船整體結構及力學分析;為了不影響戰(zhàn)艦技戰(zhàn)術性能,還需要用氣動力學分析導彈發(fā)射對艦船影響[6]。懸浮誘餌彈本身的技戰(zhàn)術性能是目前海軍需要的獵裝必要武器系統(tǒng)。整個系統(tǒng)均屬于模塊化設計,模塊化發(fā)射系統(tǒng)可發(fā)射多種武器。

        7 結論與討論

        經(jīng)過上述分析和試驗,懸浮誘餌彈發(fā)射系統(tǒng)導流裝置能夠滿足系統(tǒng)總體發(fā)射要求,發(fā)動機尾焰不會對艦船造成燒蝕,還可以和其他導彈進行共架發(fā)射,若能實現(xiàn)垂直發(fā)射,將全方位地實現(xiàn)主動干擾,發(fā)射將更快更便捷,技戰(zhàn)術性更強。這樣既不影響攻擊火力,也不影響懸浮誘餌彈的獵裝需要,可以推廣應用列裝到艦船上,成為新的火力點。

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