王 珩，程 棟，張 強

(1.鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015；2.河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015)

0 引 言

潛射導(dǎo)彈具有機動性強、隱蔽性好、突防能力強等優(yōu)點，是軍事強國重要的武器。隨著現(xiàn)代反潛和反導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，保持潛艇隱蔽性和提高武器系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力特別重要。對于水下發(fā)射潛射彈道導(dǎo)彈來講，在盡可能短的時間內(nèi)完成發(fā)射，縮短導(dǎo)彈齊射的間隔時間，在敵方來不及反應(yīng)之前，迅速撤離發(fā)射區(qū)，這對保障潛艇的安全和導(dǎo)彈成功突防十分關(guān)鍵。要達(dá)到這一目的，潛射導(dǎo)彈必須實現(xiàn)大深度、大范圍變深度發(fā)射。

燃?xì)狻羝桨l(fā)射動力系統(tǒng)是目前技術(shù)最為成熟的發(fā)射動力[1]，發(fā)射動力組件由燃?xì)獍l(fā)生器、冷卻室等組成，燃?xì)獍l(fā)生器使用固體推進劑，其燃燒規(guī)律靠型面設(shè)計，能夠在燃燒室形成穩(wěn)定的燃燒流量規(guī)律；冷卻室利用液態(tài)水的相變吸熱原理，可以實現(xiàn)發(fā)射能量調(diào)節(jié)的功能，同時降低了發(fā)射筒筒底溫度，改善了發(fā)射環(huán)境，燃?xì)狻羝l(fā)射動力系統(tǒng)可以很好的完成發(fā)射任務(wù)。隨著發(fā)射能量變化范圍不斷加大，調(diào)節(jié)能力要求不斷提高，大深度、大范圍變深度發(fā)射技術(shù)對發(fā)射動力提出了新的更高的要求。

新型固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器采用膏體推進劑作為主裝藥，通過改變輸入膏體推進劑流量進行發(fā)射能量管理，可在發(fā)射前對裝藥能量進行調(diào)節(jié)，裝藥量可調(diào)比例大，是一種具備大深度、大范圍發(fā)射能量調(diào)節(jié)能力的新型發(fā)射動力系統(tǒng)。

1 固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器工作原理

固-膏體發(fā)射動力系統(tǒng)技術(shù)是一種新型的高能量大范圍調(diào)節(jié)的發(fā)射技術(shù)。利用固體推進劑燃燒時產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)?，將膏體推進劑擠入燃燒室，擠入燃燒室的膏體推進劑燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)馀c固體推進劑燃燒產(chǎn)生的燃?xì)庖黄鹆魅氚l(fā)射筒底，將導(dǎo)彈發(fā)射出筒。

當(dāng)接到指令需發(fā)射導(dǎo)彈時，點火器點燃固體推進劑，固體推進劑在固體燃燒室內(nèi)燃燒，其燃燒的一部分燃?xì)膺M入擠壓活塞上部的擠壓壓力室形成高壓，擠壓壓力室的高壓氣體擠壓活塞，將膏體推進劑通過輸運管道擠入膏體燃燒室，同時固體推進劑燃燒的主燃?xì)庖策M入膏體燃燒室，點燃擠入膏體燃燒室的膏體推進劑，膏體推進劑燃燒生成的燃?xì)夂凸腆w推進劑燃燒生成的燃?xì)饣旌虾筮M入發(fā)射筒底部，氣體膨脹做功將導(dǎo)彈彈射出發(fā)射筒。

圖1 固-膏體推進劑發(fā)射動力系統(tǒng)示意圖Fig.1 Solid-pasty propellant emission power system schematic diagram

2 固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

2.1 燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道模型基本假設(shè)

燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道建立的基本假設(shè)[2]如下：

1）壓力室燃?xì)獍赐耆珰怏w處理，燃?xì)庠趪姽軆?nèi)的流動為一維、準(zhǔn)定常、等熵的；

2）燃?xì)饬鳛閮鼋Y(jié)流，固體推進劑和膏體推進劑燃燒生成的燃?xì)獬煞窒嗤?，物理化學(xué)性質(zhì)認(rèn)為是固定不變的；

3.深圳的信貸結(jié)構(gòu)不均衡。雖然深圳金融體系已初具規(guī)模，但是各種金融組織仍處于起步發(fā)展階段不夠成熟，銀行信貸仍然是各類大中小企業(yè)主要的融資方式，大中小企業(yè)對于銀行信貸過于依賴，長期以往，銀行將不得不提高授信水平，信貸業(yè)務(wù)的增多也會增加銀行的經(jīng)營風(fēng)險，企業(yè)也將面臨融資難，成本高等問題，融資結(jié)構(gòu)多樣性明顯不足；另外，各種金融服務(wù)機構(gòu)仍然處于起步階段，像外資銀行、評級公司、律師事務(wù)所等金融服務(wù)公司的數(shù)量和資金規(guī)模都還較小。

3）在壓力室中推進劑的燃燒過程是絕熱的。實際計算中，用熱損失修正系數(shù)考慮熱損失；

4）擠壓壓力室燃?xì)馀蛎涀龉^程為絕熱過程。

2.2 燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道方程組

2.2.1 固體燃燒室壓力計算方程

固體燃燒室壓力分上升段、平衡段和結(jié)束段3個階段計算[3-4]：

2.2.2 擠壓壓力室壓力計算方程

擠壓壓力室內(nèi)部的壓力為燃?xì)夥謮毫εc空氣分壓力之和：

2.2.3 進入擠壓壓力室燃?xì)赓|(zhì)量計算方程

通過引流孔進入擠壓壓力室的燃?xì)饬髁縖5]可表示為：

通過引流孔的總?cè)細(xì)赓|(zhì)量：

2.2.4 膏體燃燒室壓力計算方程

假設(shè)膏體推進劑在擠出輸運管道與燃?xì)饨佑|后立刻開始燃燒。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，經(jīng)固體推進劑燃?xì)獍l(fā)生器噴管流入的燃?xì)赓|(zhì)量流率與膏體推進劑燃燒生成的燃?xì)赓|(zhì)量流率之和，減去燃?xì)馔ㄟ^發(fā)射動力系統(tǒng)噴管排出的質(zhì)量流率，應(yīng)等于燃燒室內(nèi)燃?xì)赓|(zhì)量的變化率。

整理可得：

即為計算膏體推進劑燃燒室零維內(nèi)彈道p-t曲線的微分方程。

3 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述建立的固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型，編寫了仿真計算程序，運用Matlab對固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器的工作過程進行了仿真計算，計算結(jié)果如圖2～圖5所示。

從固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道計算結(jié)果可以得出：

1）固體燃燒室、擠壓壓力室和膏體燃燒室之間的壓力需保持一定的壓力差，以保證各壓力室能夠穩(wěn)定工作；

2）擠壓壓力室的體積-時間曲線在工作起始階段緩慢爬升，隨著擠壓壓力室內(nèi)燃?xì)獠粩嗟牧魅牒透囿w燃燒室壓力的建立，兩者之間達(dá)到動態(tài)平衡，之后體積隨時間的變化呈線性增加趨勢；

圖2 壓力-時間曲線圖Fig.2 Pressure-time graph

圖3 體積-時間曲線圖Fig.3 Volume-time graph

圖4 膏體推進劑擠出質(zhì)量流率-時間曲線圖Fig.4 Pasty propellant input mass flow rate-time graph

圖5 燃?xì)赓|(zhì)量-時間曲線圖Fig.5 Fuel gas mass-time graph

3）膏體燃燒室中存在2種燃?xì)獾膿交?，計算中按照同種燃?xì)獬煞诌M行計算，通過改變膏體燃燒室噴管的大小，可以調(diào)節(jié)進入發(fā)射筒的燃?xì)饬髁恳?guī)律。

4）固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器提供的最小能量是不加入膏體推進劑時的固體推進劑能量，最大能量是將貯存的膏體推進劑全部擠出燃燒所產(chǎn)生的能量，從圖5可以看出，固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器可提供的能量范圍在0.35～0.8 kg之間，最大能量與最小能量比達(dá)到了2.3倍。

4 結(jié) 語

本文建立了固-膏體推進劑燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型，運用Matlab對固-膏體推進劑燃?xì)獍l(fā)生器工作過程進行了仿真計算，得到了各壓力室壓力曲線、擠壓壓力室體積變化規(guī)律曲線、膏體推進劑擠出質(zhì)量流率曲線和膏體燃燒室內(nèi)燃?xì)獾牧髁恳?guī)律曲線，為固-膏體燃?xì)獍l(fā)生器的設(shè)計和試驗驗證提供了一定的理論支撐。