李鵬飛，黃利亞，夏智勛，孟 梁，肖 帆

(國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410000)

0 引言

跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈在高空以超聲速巡航，經(jīng)掠海飛行后進(jìn)入水下超高速巡航并打擊目標(biāo)，可大幅提高導(dǎo)彈的突防能力[1]?？缃橘|(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用富燃料固體推進(jìn)劑，與沖壓進(jìn)入的外部空氣或海水燃燒生成高溫燃?xì)?，并通過(guò)噴管產(chǎn)生推力，具有比沖高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)空中和水中的一體化工作，是跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈的理想動(dòng)力裝置[2]。

跨介質(zhì)飛行器概念已出現(xiàn)近百年，最早由前蘇聯(lián)鮑里斯·烏沙可夫提出“LPL”方案[3]，該方案在空中采用熱動(dòng)力螺旋槳推進(jìn)，水下采用電機(jī)推進(jìn)。為提高特種作戰(zhàn)能力，美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局(DARPA)提出了一種潛水飛機(jī)方案[4]，該潛水飛機(jī)在空中采用螺旋槳?jiǎng)恿?，在水下采用噴水推進(jìn)動(dòng)力。SIDDALL等[5]從仿生角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一種采用螺旋槳?jiǎng)恿Φ淖凅w跨介質(zhì)無(wú)人飛行器。北卡羅來(lái)納州立大學(xué)和Teledyne科學(xué)與成像公司[6]研發(fā)了一種以電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳為動(dòng)力的跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)，并多次完成了全飛行/航行階段的試驗(yàn)。JOSEPH MOORE等[7]設(shè)計(jì)制造了一種三角翼無(wú)人跨介質(zhì)飛行器，利用慣性實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)飛行。以上所提到的動(dòng)力裝置巡航速度較低、系統(tǒng)較為復(fù)雜，無(wú)法滿足跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈對(duì)動(dòng)力裝置的要求。

跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將目前先進(jìn)的超聲速導(dǎo)彈動(dòng)力和超高速魚雷動(dòng)力技術(shù)[8-9]相結(jié)合，在空中采用固體火箭沖壓工作模式，在水下采用水沖壓工作模式，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的跨介質(zhì)高速航行。富燃料固體推進(jìn)劑具有密度大，體積能量密度高，容積熱值高的特點(diǎn)，可作為跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑使用。目前，富燃料固體推進(jìn)劑已經(jīng)在超聲速導(dǎo)彈固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超高速魚雷水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得了應(yīng)用[10]。富燃料固體推進(jìn)劑主要為含硼富燃料推進(jìn)劑、含鋁富燃料推進(jìn)劑和含鎂富燃料推進(jìn)劑等[11]，其中含鎂、鋁富燃料推進(jìn)劑完全燃燒釋放出來(lái)的熱值約為19～22 MJ/kg，其比沖為 5000～8000 N·s/kg；而高能含硼富燃料推進(jìn)劑完全燃燒釋放出來(lái)的熱值大約為 30～34 MJ/kg，其比沖約為含鋁富燃料推進(jìn)劑的1.6～1.8 倍[12-14]。目前，含硼富燃料固體推進(jìn)劑已經(jīng)成為固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的首選推進(jìn)劑[15]。由于鎂、鋁能夠與水燃燒釋放熱量，含鎂、鋁富燃料推進(jìn)劑現(xiàn)已應(yīng)用于水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[16]。

本文探索將硼基富燃料固體推進(jìn)劑應(yīng)用于跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，針對(duì)所提出的跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈外形及彈道，通過(guò)理論計(jì)算獲得不同彈道條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)推力，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能對(duì)比分析提出一種新型硼基富燃料推進(jìn)劑配方，并對(duì)跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本工作參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

1 跨介質(zhì)導(dǎo)彈阻力特性分析

1.1 導(dǎo)彈基本尺寸與彈道

本文跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈彈徑為0.533 m，彈長(zhǎng)5.56 m。彈道分為高空巡航段、掠海飛行段、入水過(guò)渡段以及水下巡航與機(jī)動(dòng)段，表1是跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈在各個(gè)彈道階段的性能參數(shù)。

1.2 阻力特性計(jì)算

在計(jì)算跨介質(zhì)導(dǎo)彈在高空巡航段以及掠海飛行段的阻力特性時(shí)，只考慮零升阻力的影響，零升阻力包括底部阻力、摩擦阻力、激波阻力，采用文獻(xiàn)[17]方法計(jì)算零升阻力。

計(jì)算得到跨介質(zhì)導(dǎo)彈在高空巡航階段的零升阻力系數(shù)，結(jié)果如表2所示。根據(jù)阻力與阻力系數(shù)的關(guān)系，計(jì)算得到高空巡航階段彈體阻力為13.6 kN。采用同樣方法計(jì)算得到掠海飛行段彈體阻力為63.69 kN。

表2 高空巡航段阻力系數(shù)

在水下巡航中，跨介質(zhì)導(dǎo)彈采用超空泡減阻，彈體被空泡包覆，忽略摩擦阻力，只考慮壓差阻力，其航行阻力計(jì)算公式[18]為

(1)

式中A為空化器面積；CD為阻力系數(shù)。

依據(jù)水下阻力計(jì)算模型，選取空化數(shù)為0.019，計(jì)算得到水下巡航段阻力為9.58 kN。在水深10 m巡航彈道基礎(chǔ)上，計(jì)算航速不變條件下機(jī)動(dòng)爬升(至水面)與下潛(至水深100 m)彈道彈體阻力隨深度變化曲線，如圖1所示。

圖1 彈體阻力隨深度變化

2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性分析

2.1 硼基富燃料固體推進(jìn)劑性能分析

本文跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在空中和水中工作時(shí)均采用高能硼基富燃料固體推進(jìn)劑。為了使跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣沖壓與水沖壓條件下都具有較高的理論性能，在對(duì)硼基富燃料固體推進(jìn)劑性能進(jìn)行分析時(shí)，通過(guò)與水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)鋁基富燃料固體推進(jìn)劑性能對(duì)比，指導(dǎo)硼基富燃料固體推進(jìn)劑的選取。

采用典型的固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)硼基富燃料推進(jìn)劑與水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)鋁基富燃料推進(jìn)劑，推進(jìn)劑主要組分如表3、表4所示。分別對(duì)兩種推進(jìn)劑在高空巡航段和水下巡航段的發(fā)動(dòng)機(jī)比沖進(jìn)行計(jì)算，高空巡航段與水下巡航段沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工況參數(shù)如表5所示。圖2是空氣沖壓條件下和水沖壓條件下發(fā)動(dòng)機(jī)比沖隨空燃比、水燃比的變化曲線。

(a)High altitude cruise stage (b)Underwater cruise stage

表3 硼基富燃料推進(jìn)劑主要組分

表4 鋁基富燃料推進(jìn)劑主要組分

可以發(fā)現(xiàn)，按照典型配方，高空巡航條件下，硼基富燃料固體推進(jìn)劑在空燃比大于6時(shí)，比沖性能優(yōu)于鋁基固體推進(jìn)劑，但在水下巡航條件下，硼基富燃料固體推進(jìn)劑比沖性能不具優(yōu)勢(shì)。雖然硼相比鋁具有更高的熱值，但由于硼基富燃料推進(jìn)劑中硼含量相對(duì)較低，該配方體系下，其在水下巡航段的比沖低于鋁基固體推進(jìn)劑。

為提高跨介質(zhì)工作條件下發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能，本文提高了硼基富燃料固體推進(jìn)劑中的硼含量，對(duì)兩種推進(jìn)劑配方，分別為硼含量53.5%(配方一)和63.5%(配方二)，在水下巡航段的發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能進(jìn)行了計(jì)算，圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)比沖隨水燃比的變化曲線。

圖3 不同推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)比沖隨水燃比變化

由圖3可以得出，發(fā)動(dòng)機(jī)理論比沖隨推進(jìn)劑中硼含量的提高而增大。硼含量53.5%時(shí)，硼基推進(jìn)劑比沖性能和鋁含量75%的鋁基固體推進(jìn)劑比沖性能相當(dāng)；硼含量63.5%時(shí)，硼基推進(jìn)劑比沖性能在跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作水燃比范圍內(nèi)優(yōu)于鋁基固體推進(jìn)劑。因此，本文采用硼含量63.5%的硼基富燃料固體推進(jìn)劑進(jìn)行現(xiàn)階段跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能分析，硼含量提高后的藥柱制備及燃燒性能等問(wèn)題后期可通過(guò)硼顆粒的改性處理、制備工藝的改進(jìn)以及藥柱性能研究等方式解決。

2.2 空中工作特性

本文忽略跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈的發(fā)射加速階段，只計(jì)算空中巡航段的工作特性。跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈固體推進(jìn)劑藥柱藥面直徑取為500 mm，在高空巡航段與掠海巡航段巡航高度分別為10 km、5 m，飛行過(guò)程中沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)技術(shù)，噴管在兩段飛行中均按最佳膨脹比進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能計(jì)算方法[19]，以滿足跨介質(zhì)彈道各段推力為目標(biāo)，通過(guò)迭代計(jì)算，獲得跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在彈道各階段硼基富燃料固體推進(jìn)劑的質(zhì)量流量，迭代計(jì)算方法如圖4所示。

圖4 確定燃料質(zhì)量流量的迭代方法

根據(jù)來(lái)流總壓，考慮進(jìn)氣道總壓損失，選取高空巡航段、掠海巡航段補(bǔ)燃室的壓強(qiáng)分別為0.25、0.61 MPa。計(jì)算得到高空巡航段、掠海巡航段富燃料固體推進(jìn)劑質(zhì)量流量分別為1.59、7.63 kg/s，空燃比分別為9.7、6.78。

根據(jù)空燃比以及補(bǔ)燃室壓強(qiáng)，通過(guò)熱力計(jì)算獲得高空巡航段和掠海巡航段跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的特征速度分別為1223.9、1298.7 m/s，進(jìn)而計(jì)算高空巡航段、掠海巡航段發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉部、出口以及燃?xì)獍l(fā)生器喉部、出口直徑等參數(shù)，如表6所示。

表6 空中工作段發(fā)動(dòng)機(jī)工作/結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 水下工作特性

根據(jù)跨介質(zhì)導(dǎo)彈在水下巡航段的彈道參數(shù)，同時(shí)考慮進(jìn)水流道總壓損失及噴注壓降，水下巡航段補(bǔ)燃室工作壓強(qiáng)為2.5 MPa。同樣以實(shí)現(xiàn)水下推阻平衡為目標(biāo)，通過(guò)迭代計(jì)算，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)赓|(zhì)量流量為5.66 kg/s，進(jìn)而計(jì)算得到水下巡航段發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)如表7所示。

表7 水下巡航段發(fā)動(dòng)機(jī)工作/結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文對(duì)水下勻速爬升及下潛兩種機(jī)動(dòng)情況進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中假設(shè)：

(1)導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過(guò)程中速度保持不變，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水流量不發(fā)生變化；

(2)導(dǎo)彈爬升或下潛過(guò)程中環(huán)境壓強(qiáng)隨深度線性變化；

(3)跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)改變推力，以匹配彈體阻力的變化。

依據(jù)水下航行阻力公式和確定燃料質(zhì)量流量的迭代方法可得到不同深度的最佳燃?xì)饬髁?，進(jìn)而計(jì)算得到水下爬升/下潛段燃?xì)獍l(fā)生器喉部直徑隨深度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 水下機(jī)動(dòng)段燃發(fā)器喉部直徑隨深度變化

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作參數(shù)

表8給出了本文跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作參數(shù)?？梢钥闯觯缃橘|(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在空中和水中兩種工作狀態(tài)下，補(bǔ)燃室壓強(qiáng)存在較大差異，這也導(dǎo)致空中和水中工作時(shí)噴管喉部面積發(fā)生變化，需要對(duì)噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴管結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)[20]。

圖6為硼基跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)初步方案設(shè)想圖。

圖6 硼基跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)初步方案設(shè)想圖

表6 跨介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作參數(shù)

3 結(jié)論

(1)針對(duì)所提出的跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈外形及彈道，計(jì)算獲得了高空巡航段、掠海飛行段、入水過(guò)渡段以及水下巡航與機(jī)動(dòng)段的彈體阻力變化。

(2)采用硼基富燃料固體推進(jìn)劑，高空飛行條件下，硼含量33.5%時(shí)，跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖相比采用鋁基推進(jìn)劑(鋁含量75%)更具優(yōu)勢(shì)；水下工作條件下，硼含量63.5%時(shí)，在工作水燃比范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能優(yōu)于采用鋁基推進(jìn)劑。通過(guò)提高固體推進(jìn)劑硼含量，能夠提高空水工作條件下跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理論比沖性能。

(3)針對(duì)硼基富燃料推進(jìn)劑跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，完成了能夠?qū)崿F(xiàn)空水一體化工作的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)選取和主要參數(shù)計(jì)算，并給出了跨介質(zhì)彈道條件下推力變化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)所需的喉部直徑變化。

(4)相比采用鋁基推進(jìn)劑，硼基跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有更優(yōu)的理論比沖。但是，硼基跨介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展仍面臨高含量硼基藥柱制備、硼水燃燒組織以及發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等困難。