射傘炮技術(shù)初探

摘 要：介紹了射傘炮的用途及工作原理，以某飛機失速改出傘為目標，進行了原理樣機設(shè)計，并對射傘炮的內(nèi)彈道特性進行了初步分析。

關(guān)鍵詞：射傘炮 動力單元 內(nèi)彈道

中圖分類號：TJ413.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0002-02

傘降技術(shù)在多種飛行器中都有廣泛應(yīng)用，諸如：載人航天飛船返回、探索行星飛船的減速和著陸、飛機失速/尾旋改出、飛行員逃逸或?qū)棸l(fā)射終止等。在這些場合，必須給傘包施加動力使其快速射離飛行器、快速通過尾部湍流區(qū)進入氣流相對平緩的區(qū)域，以保證傘衣能正常展開并充氣。

在歐美發(fā)達國家，射傘炮已屬成熟技術(shù)，并形成了系列產(chǎn)品，圖1為F-22飛機裝備基于射傘炮開傘的尾旋改出傘系統(tǒng)；圖2為IRVIN公司的系列射傘炮及其動力單元[1]。國內(nèi)鮮有關(guān)于射傘炮的研究報道，對于這種機械、傘、火工品、電氣控制等多專業(yè)高度綜合的技術(shù)，有必要展開系統(tǒng)的研究與試驗，為航空航天工程應(yīng)用提供成熟可靠的技術(shù)支撐。

1 射傘炮的工作原理

1.1 原理

射傘炮的工作原理類似于迫擊炮。通過后膛裝藥燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃氣；燃氣在封閉筒中膨脹做功，將傘包加速推出前膛，達到預(yù)定的出口速度；燃氣作用消失之后在慣性力和氣動力作用下飛越飛行器后的渦流區(qū)；依次拉出傘連接繩、傘繩、傘衣，使傘衣在穩(wěn)定氣流中可靠充氣。

1.2 特點

國內(nèi)外使用過的開傘方法不外乎射傘炮、射傘火箭、射傘槍、引導(dǎo)傘等幾種，在要求快速開傘的場合，必須利用射傘炮或射傘火箭施加動力將傘系統(tǒng)迅速展開。相對國內(nèi)已經(jīng)成功使用的射傘火箭而言，射傘炮具有附加質(zhì)量小、邏輯簡單、功能可靠、使用維護性好等優(yōu)點，但也存在沖擊載荷大的缺點。

2 原理樣機設(shè)計

2.1 技術(shù)指標

以國內(nèi)某飛機失速改出傘為實例，目標任務(wù)的技術(shù)參數(shù)為：飛行器質(zhì)量40，000 kg，傘系統(tǒng)質(zhì)量18.3 kg，飛行器負加速度9.8 m/s2，傘系統(tǒng)拉伸長度47 m。根據(jù)AIAA73-0459[2]，確定傘包的出口速度為36.5 m/s；包傘密度為0.64 kg/dm3，則傘包體積為28.6 dm3。

2.2 射傘炮結(jié)構(gòu)方案

射傘炮由筒體、活塞、壓盤、剪切銷釘及燃氣動力單元組成。射傘炮原理樣機結(jié)構(gòu)如圖3。

射傘炮實際上是一種高—低壓系統(tǒng)；推進劑燃燒使裝藥筒增壓至高壓，然后，燃氣通過噴嘴流進炮筒活塞后部，活塞后部的燃氣壓力給傘包施壓，推動壓蓋使剪切銷斷裂，傘包沿炮筒加速射出。射傘炮的筒體底部封閉，并留有燃氣動力單元安裝接口；活塞用于壓力腔的密封及保護傘包免受彈射過程中膨脹熱氣流的作用；傘包裝入筒體后，通過壓蓋和剪切銷釘固定，以承受開傘前地面及飛行過程中所受到的載荷。

3 動力單元及內(nèi)彈道特性

3.1 動力單元的設(shè)計

動力單元產(chǎn)生高壓勢能，給傘包以所需的動量。動力單元由殼體、噴口、裝藥、點火器等組成。動力單元的設(shè)計關(guān)鍵是裝藥設(shè)計，噴口形式等重要參數(shù)，既要滿足射傘炮的出口速度要求，又要盡量減小炮筒內(nèi)的壓力峰值和反作用力。

殼體采用高強度鋼以承受高溫高壓燃氣的作用，動力單元通過殼體安裝在射傘炮的筒體底部。殼體內(nèi)腔為燃燒室，壓力一般在80～100 MPa。

噴口對系統(tǒng)性能至關(guān)重要，因為它控制著使傘包加速的熱燃氣進入炮筒的速率，從而直接影響著射傘炮的性能。一般通過計算確定一個初始設(shè)計，在其后通過發(fā)火試驗修正原設(shè)計直至達到所需的性能?？蔁g噴口能夠提供漸增的噴口直徑，使燃氣質(zhì)量流量以指數(shù)規(guī)律增大，以填充傘包在筒內(nèi)加速引起的容積增量。如圖4所示，小的初始節(jié)流孔提供較低的初始燃氣質(zhì)量流量以增壓活塞后的容腔，壓縮傘包并剪斷銷釘；之后，熾熱的燃氣開始熔化黃銅節(jié)流嘴使孔變大，從而增大燃氣流量使傘包加速。研發(fā)較好的可燒蝕噴口可以達到理想狀態(tài)：當炮筒內(nèi)容積快速增大時燃氣流量能保持壓力恒定。

固體推進劑儲存在一個火藥筒中，火藥筒通常裝有一個雙橋路點火器或者二個單橋/雙橋點火器。推進劑一般選用燃燒溫度低、燒蝕小，能量高、安定性較好的發(fā)射藥。推進劑構(gòu)型應(yīng)采用增面燃燒的結(jié)構(gòu)形式。

3.2 射傘炮的典型內(nèi)彈道性能

射傘炮的主要性能參數(shù)為反作用力、炮筒壓力和動力單元壓力，三者隨時間變化的典型曲線如圖5所示。

反作用力—時間曲線顯示：一開始，存在一個持續(xù)變化的反作用力，說明傘包在壓縮過程中傘包的重心在移動，一直持續(xù)到銷釘剪切斷裂。在斷裂前瞬時，典型的載荷是趨于零或急劇減小直到炮筒中的壓力作用在活塞上的力大到足以切斷銷釘。此時，反作用力快速增大到最大值并保持恒定直到出口瞬間。通過出口后反作用力快速下降。將反作用力曲線從銷釘斷裂起積分至歸零時刻，使用動量—沖量法可計算出彈射速度。

炮筒壓力—時間曲線顯示：點火后，炮筒壓力逐漸增大至銷釘斷裂并繼續(xù)增大至最大值，然后保持恒定到出口瞬時，此后氣體散逸，壓力回零。

初始的動力單元壓力從零至最大值急劇線性上升，急劇上升表明推進劑表面顆粒被同時點燃，線性上升則說明推進劑顆粒燃燒穩(wěn)定。此后節(jié)流嘴端部開始燒熔，動力單元壓力線性下降。在接近二分之一行程時刻，節(jié)流嘴端部完全燒熔，壓力—時間曲線線性下降，直到出口時刻。

4 結(jié)論

與射傘火箭開傘方式相比，射傘炮具有開傘可靠性高，重量輕，作用迅速的優(yōu)點；通過優(yōu)化設(shè)計與試驗可以將其反作用力控制在合理的水平內(nèi)。對于這種航空航天領(lǐng)域通用的綜合性技術(shù)，建議進一步開展原理樣機的試制與試驗，為相關(guān)應(yīng)用提供一種更加成熟可靠的技術(shù)手段。

參考文獻

[1]P. （Tony） Taylo .The System Approach to Spin/Stall Parachute Recovery Systems.[R].Santa Ana，California：Irvin Aerospace Inc.2008

[2]Jamese.Pleasants. Parachute Mortar Design. [R].AIAA paper no73-0459.