基于能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)的變深度冷發(fā)射技術(shù)

申 鵬，吳新躍，安晨亮

?

基于能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)的變深度冷發(fā)射技術(shù)

申 鵬，吳新躍，安晨亮

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)的變深度冷發(fā)射技術(shù)是指通過對輸入發(fā)射筒的燃氣量進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)導(dǎo)彈在水下的變深度發(fā)射。首先研究了能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)的設(shè)計及仿真計算方法；針對某變深度發(fā)射條件，進行兩種調(diào)節(jié)流量特性下的彈射內(nèi)彈道設(shè)計、計算與分析。通過以上研究表明，動力系統(tǒng)及調(diào)節(jié)動力裝置點火時間通過合理設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)變深度發(fā)射對內(nèi)彈道的需求，且點火時間越滯后，出筒速度越低。

能量調(diào)節(jié)；彈射動力裝置；變深度發(fā)射；流量特性

0 引 言

變深度發(fā)射主要是指潛艇發(fā)射導(dǎo)彈時，可以根據(jù)其所處的海洋環(huán)境條件和敵我態(tài)勢，靈活選擇不同的潛航深度實施發(fā)射。變深度發(fā)射可大大縮短發(fā)射前的準備時間，對于提高潛艇的快速反應(yīng)能力、生存能力及戰(zhàn)斗力具有重要意義。由于該項技術(shù)比較復(fù)雜，因此成為了水下發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。具有潛射技術(shù)的國家都很重視變深度發(fā)射技術(shù)，美國、法國都已成功將此項技術(shù)應(yīng)用到各自最新的潛射導(dǎo)彈型號中。以美國為例，在實施變深度發(fā)射技術(shù)后，潛艇能夠在10 min內(nèi)發(fā)射出24枚三叉戟Ⅱ型導(dǎo)彈，發(fā)射率大為提高[1~3]。

變深度發(fā)射技術(shù)隨著彈射動力系統(tǒng)的不同具有不同的調(diào)節(jié)方案，可歸納為以下幾種：

a）固定能量發(fā)射方案。該方案動力系統(tǒng)在不同發(fā)射深度下保持不變，但出筒速度將隨發(fā)射深度的增加而減小。因此，固定能量發(fā)射動力系統(tǒng)能否實現(xiàn)變深度發(fā)射，關(guān)鍵在于導(dǎo)彈對出筒速度要求范圍是否較寬。美國的北極星A3及海神導(dǎo)彈均采用該種方案。

b）水冷卻器能量調(diào)節(jié)方案。該方案是一種針對燃氣-蒸汽式彈射動力系統(tǒng)的變深度發(fā)射技術(shù)方案。燃氣-蒸汽式彈射動力系統(tǒng)主要由燃氣發(fā)生器和冷卻器兩部分組成。在實現(xiàn)變深度發(fā)射時，根據(jù)發(fā)射深度的不同，向燃氣流中噴入不同數(shù)量的冷卻水，即發(fā)射深度較深時，噴入較少冷卻水；發(fā)射深度較淺時，噴入較多冷卻水。噴入水量的多少可通過改變噴水孔數(shù)實現(xiàn)。美國的三叉戟Ⅱ型潛射導(dǎo)彈就采用了此種方案。

c）更改噴喉直徑調(diào)節(jié)方案[4]。該方案是通過在彈射動力裝置燃燒室噴管處設(shè)計一個調(diào)節(jié)錐，以調(diào)節(jié)噴喉通氣面積的大小，進而控制燃氣流量特性。當在最小深度發(fā)射導(dǎo)彈時，喉部截面調(diào)節(jié)至最大值；隨著發(fā)射深度的增大，喉部截面逐漸減?。欢谧畲笊疃劝l(fā)射導(dǎo)彈時，喉部截面調(diào)節(jié)至最小。

以上3種方案均有應(yīng)用先例，具備如下特點：a）固定能量發(fā)射方案簡單，但幾乎無調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)彈需具備較強的適應(yīng)能力；b）水冷卻器能量調(diào)節(jié)發(fā)射方案調(diào)節(jié)范圍有限，且調(diào)節(jié)控制機構(gòu)較為復(fù)雜；c）更改噴喉直徑調(diào)節(jié)方案需增設(shè)一套截面調(diào)節(jié)控制機構(gòu)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了可靠性?；诖耍疚奶岢瞿芰空{(diào)節(jié)動力系統(tǒng)的發(fā)射方案，對于無水的燃氣式彈射動力系統(tǒng)，該方案調(diào)節(jié)控制簡易。本文深入研究了該種方案彈射內(nèi)彈道的設(shè)計及仿真方法，通過算例證明該種方案的可行性，對比遞增流量及恒定流量特性調(diào)節(jié)方案下的內(nèi)彈道性能，為后續(xù)工程實踐進行了理論探索。

1 工作原理

能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方案是在發(fā)射筒上增加一個能量調(diào)節(jié)動力裝置得以實現(xiàn)，組成示意見圖1。在彈射時，該裝置起到補充能量及調(diào)節(jié)導(dǎo)彈出筒速度的作用。由于燃氣的充入時刻會對彈射內(nèi)彈道產(chǎn)生影響，為了應(yīng)對不同的發(fā)射深度，選擇其不同的點火時刻，以此達到對彈射內(nèi)彈道的調(diào)節(jié)。點火時刻的不同通過彈射動力裝置發(fā)控系統(tǒng)的調(diào)控得以實現(xiàn)。

圖1 能量調(diào)節(jié)變深度發(fā)射裝置組成

2 設(shè)計及仿真方法

2.1 能量調(diào)節(jié)彈射內(nèi)彈道的設(shè)計方法[5，6]

彈射內(nèi)彈道設(shè)計的任務(wù)是依據(jù)內(nèi)彈道設(shè)計指標，提供發(fā)射動力系統(tǒng)基本設(shè)計參數(shù)，并為動力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、點火裝置設(shè)計及藥柱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，以確定動力裝置工作時間、筒內(nèi)燃氣總量、藥柱肉厚與最大燃面、動力裝置的壓力峰值及噴喉直徑等，而設(shè)計時需考慮的基本要求有：

a）彈射動力系統(tǒng)必須保證所要求的導(dǎo)彈離筒速度；

b）導(dǎo)彈在發(fā)射筒內(nèi)的加速度不大于某一允許值，且盡量使導(dǎo)彈運動平穩(wěn)；

c）發(fā)射筒內(nèi)工質(zhì)氣體壓力、溫度不大于某一允許值。

能量調(diào)節(jié)內(nèi)彈道的設(shè)計思路同單一彈射動力系統(tǒng)的基本一致，不同的是在進行主彈射動力裝置的設(shè)計時還需同時考慮調(diào)節(jié)動力裝置。結(jié)合水下變深度發(fā)射工況，彈射內(nèi)彈道的設(shè)計存在兩個設(shè)計邊界約束條件：

a）條件1：對于淺水狀態(tài)，只有主彈射動力裝置工作；

b）條件2：對于深水狀態(tài)，兩個彈射動力裝置同時工作。

而對于發(fā)射深度介于深水與淺水的其它工況，則通過控制調(diào)節(jié)動力裝置的開始工作時間實現(xiàn)。能量調(diào)節(jié)內(nèi)彈道的設(shè)計流程見圖2。

圖2 能量調(diào)節(jié)內(nèi)彈道設(shè)計流程

2.2 能量調(diào)節(jié)彈射內(nèi)彈道的仿真計算[5，7，8]

能量調(diào)節(jié)彈射內(nèi)彈道的仿真計算方法同單動力系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：由于調(diào)節(jié)動力裝置的延時點火，需求解的內(nèi)彈道微分方程組將被調(diào)節(jié)動力裝置點火時刻分為前后兩部分進行。

2.2.1 基本假設(shè)[5]

a）發(fā)射筒內(nèi)的燃氣及充壓氣體視為理想氣體，符合理想氣體狀態(tài)方程；

b）連續(xù)進入發(fā)射筒的燃氣及發(fā)射筒內(nèi)的充壓氣體隨即混合均勻，進行能量交換，形成各點狀態(tài)參數(shù)均勻一致的混合物，即視為零維狀態(tài)；

c）不考慮燃氣組分的變化及發(fā)射筒內(nèi)均壓氣體與燃氣的化學作用；

d）對于傳熱等能量損失，用能量系數(shù)考慮，并假設(shè)其值在整個過程中為一常數(shù)；

e）適配器與發(fā)射筒間的摩擦力視為常數(shù)，并假定其值在整個過程中保持不變。

2.2.2 質(zhì)量守恒方程

發(fā)射筒內(nèi)建壓過程包含3個方面氣體質(zhì)量：a）初容室初始均壓氣體質(zhì)量；b）主彈射動力裝置、調(diào)節(jié)動力裝置燃氣質(zhì)量分別為、；c）調(diào)節(jié)動力裝置在主彈射動力裝置點火時刻后開始進入發(fā)射筒。故質(zhì)量守恒方程為

2.2.3 能量平衡方程

彈射過程，發(fā)射筒內(nèi)的氣體為3個方面氣體的混合氣體，根據(jù)能量守恒得到的混合氣體溫度為

2.2.4 氣體狀態(tài)方程

氣體狀態(tài)方程為

2.2.5 運動方程

導(dǎo)彈運動方程為

2.2.6 內(nèi)彈道方程組及其求解

式（1）~（4）共同組成能量調(diào)節(jié)動力裝置的彈射內(nèi)彈道計算方程組。該方程組由于調(diào)節(jié)動力裝置參數(shù)項在時刻后的加入，變?yōu)榱瞬贿B續(xù)的微分方程組。在求解時分段進行：在初始的0~時間段，求解主彈射動力裝置及發(fā)射筒相關(guān)方程，并得出時刻的狀態(tài)參數(shù)，此狀態(tài)參數(shù)連同調(diào)節(jié)動力裝置初始狀態(tài)參數(shù)作為后續(xù)段微分方程組求解的初始值進行求解。兩段求解過程的合并結(jié)果作為最終的內(nèi)彈道計算結(jié)果。

3 結(jié)果及分析

下面將基于兩種不同的調(diào)節(jié)動力裝置流量特性對彈射動力系統(tǒng)進行設(shè)計及理論計算，以驗證該系統(tǒng)設(shè)計與仿真方法的正確性，從而進一步證明該技術(shù)的可行性。這兩種流量特性分別為遞增流量及恒定流量。設(shè)計要求為導(dǎo)彈出筒速度滿足：（44±1）m/s（30.0 m水深）；（36±1）m/s（13.3 m水深）。

3.1 計算結(jié)果

3.1.1 遞增流量

遞增流量是指充入發(fā)射筒的燃氣量隨時間的變化遞增，對應(yīng)藥柱的增面燃燒，燃氣流率曲線見圖3a。根據(jù)第2節(jié)的設(shè)計仿真方法，表1為不同調(diào)節(jié)動力裝置點火時刻內(nèi)彈道仿真結(jié)果。表1結(jié)果顯示，通過合理的控制點火時間，能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)可以滿足不同的發(fā)射狀態(tài)需求（不同的出筒速度與發(fā)射深度）。調(diào)節(jié)動力裝置點火時間越滯后，對應(yīng)的出筒速度越低，發(fā)射深度越淺。當只有主彈射動力裝置工作，即調(diào)節(jié)動力裝置不點火時，滿足發(fā)射深度最淺的彈射需求。

表1 遞增流量特性下彈射內(nèi)彈道仿真計算結(jié)果

圖3b~3d為對應(yīng)的彈射內(nèi)彈道曲線。從圖3可見，在調(diào)節(jié)動力裝置燃氣加入發(fā)射筒時刻處，壓力曲線向上彎折，調(diào)節(jié)效果顯著。另外，點火時間間隔越長，發(fā)射筒壓力峰值越低，彈體速度曲線越向下發(fā)生偏斜，致使最終出筒速度降低。

a）調(diào)節(jié)動力裝置燃氣流率曲線

b）發(fā)射筒內(nèi)壓力-時間曲線

c）彈體速度-時間曲線

d）彈體位移-時間曲線

圖3 遞增流量特性下不同時間間隔情況內(nèi)彈道曲線

3.1.2 恒定流量

調(diào)節(jié)動力裝置的恒定流量特性是指其燃氣質(zhì)量流率恒定，不隨時間變化，對應(yīng)藥柱的等面燃燒，燃氣流率曲線見圖4a。表2為在不同調(diào)節(jié)動力裝置點火時刻內(nèi)彈道仿真結(jié)果。表2結(jié)果顯示通過合理的控制點火時間，恒定流量的能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)變深度發(fā)射。彈射內(nèi)彈道曲線見圖4b~4d。

表2 彈射內(nèi)彈道仿真計算結(jié)果

a）調(diào)節(jié)動力裝置燃氣流率曲線

b）發(fā)射筒內(nèi)壓力-時間曲線

圖4 恒定流量特性下不同時間間隔情況內(nèi)彈道曲線

c）彈體速度-時間曲線

d）彈體位移-時間曲線

續(xù)圖4

3.2 對比與分析

以上結(jié)果表明，調(diào)節(jié)動力裝置遞增與恒定兩種流量特性方案均可以實現(xiàn)對變深度發(fā)射內(nèi)彈道的調(diào)節(jié)，但二者也存在一定差異：

a）通過對比圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，在調(diào)節(jié)燃氣注入初始階段，遞增流量特性方案曲線過渡相對平滑，是因為其初始燃面較恒定流量方案小，注入發(fā)射筒的燃氣量小造成；

b）遞增流量方案由于最大燃面發(fā)生在其藥柱燃燒末尾時刻，故發(fā)射筒壓力也在末尾時段達到最大；而恒定流量特性方案壓力峰值則在其藥柱燃燒初始階段出現(xiàn)，并且發(fā)射筒壓力峰值小于遞增流量方案。另外，恒定流量方案由于其流量特性相對簡單，甚至可以通過氣瓶充氣代替燃氣方案來實現(xiàn)，是該方案的一個優(yōu)點。

4 結(jié) 論

通過以上的理論計算與分析，可得出以下結(jié)論：

a）能量調(diào)節(jié)動力系統(tǒng)的變深度發(fā)射方案技術(shù)可行，調(diào)節(jié)范圍廣，可適用于燃氣式彈射動力裝置。

b）調(diào)節(jié)動力裝置點火時間越滯后，出筒速度越低，對應(yīng)發(fā)射深度越淺；當其不點火時，可實現(xiàn)最淺狀態(tài)的發(fā)射狀態(tài)。

c）遞增流量特性與恒定流量特性均能作為能量調(diào)節(jié)動力裝置的方案。恒定流量特性方案發(fā)射筒壓力-時間曲線過渡不如遞增流量方案平滑，但發(fā)射筒壓力峰值較低，是一種較優(yōu)的方案。

[1] 倪火才. 變深度發(fā)射和能量可調(diào)發(fā)射動力系統(tǒng)[J]. 艦載武器, 1998(1): 16-25.

[2] 倪火才, 田秀英. 潛地彈道導(dǎo)彈水下發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)展[J]. 艦載武器, 1996(4): 1-10.

[3] 倪火才. 潛地彈道導(dǎo)彈發(fā)射裝置構(gòu)造[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 1998.

[4] 李悅, 周儒榮. 導(dǎo)彈變深度發(fā)射動力調(diào)節(jié)技術(shù)研究[J]. 南京理工大學學報, 2003, 27(1): 127-131.

[5] 陳慶貴, 齊強, 王海洋, 王斌. 潛射導(dǎo)彈發(fā)射內(nèi)彈道仿真研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運載技術(shù), 2011(6): 40-42.

[6] 趙險峰, 王俊杰. 潛射彈道導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)彈道學[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2001.

[7] 芮守禎, 邢玉明. 幾種導(dǎo)彈彈射動力系統(tǒng)內(nèi)彈道性能比較[J]. 北京航空航天大學學報, 2009, 35(6): 766-770.

[8] 吳明昌, 李淑瑛, 劉晉彥. 地面設(shè)備設(shè)計與實驗[M]. 北京: 宇航出版社, 2001.

Research on the Variable-depth Cold Launch Technology Based on the Energetic Regulating Power System

Shen Peng, Wu Xin-yue, An Chen-liang

(Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

Variable-depth cold launch technology of energetic regulating power system is a technology which can realize the variable-depth launch of missile undersea through regulating the mass of gas into the canister.Firstly, design and simulation calculation method of energetic regulating power system was discussed in the paper. Then the design, calculation and analysis of internal trajectory under two types regulated flow features in variable-depth launch condition were carried out. The analysis result showed that power system and firing time of regulating power device can meet the requirements of internal trajectory in variable-depth launch through reasonable design and the longer of the interval fire time between two gas generators, the lower of the missile speed out of the canister.

Energetic regulating; Ejection power device; Variable-depth launch; Flow characteristic

1004-7182(2016)02-0072-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160216

TJ768

A

2014-12-19；

2015-04-24

申 鵬（1987-），男，工程師，主要從事冷發(fā)射裝備及應(yīng)用技術(shù)研究