垂直發(fā)射裝置排氣道極限承壓性能分析

任克亮，吳利民

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垂直發(fā)射裝置排氣道極限承壓性能分析

任克亮，吳利民

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015）

目的研究導(dǎo)彈在意外點(diǎn)火時(shí)排氣道的力學(xué)性能及導(dǎo)彈發(fā)射的安全性，對(duì)排氣道的極限承壓性能進(jìn)行研究。方法建立排氣道的極限承壓的仿真模型，通過水壓試驗(yàn)及發(fā)射試驗(yàn)，獲取排氣道不同種試驗(yàn)方式下的極限承壓數(shù)據(jù)。結(jié)果排氣道在導(dǎo)彈正常發(fā)射時(shí)承壓設(shè)計(jì)值為0.3 MPa。極限承壓仿真試驗(yàn)過程中，排氣道在受到0.5 MPa壓強(qiáng)時(shí)，所受應(yīng)力超過材料最大抗拉極限。水壓試驗(yàn)過程中，排氣道受0.58 MPa壓強(qiáng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。意外點(diǎn)火試驗(yàn)過程中，排氣道所受最大壓強(qiáng)值為0.24 MPa。結(jié)論排氣道的極限承壓能力可以滿足正常發(fā)射及意外點(diǎn)火的發(fā)射要求，排氣道的設(shè)計(jì)裕量充足。

熱發(fā)射；排氣道；正常發(fā)射；意外點(diǎn)火；極限承壓；

熱發(fā)射技術(shù)[1-2]可以應(yīng)用到多種發(fā)射平臺(tái)上，基于熱發(fā)射技術(shù)的垂直發(fā)射裝置是導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)的一種，可兼容多型號(hào)導(dǎo)彈的發(fā)射。燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)是垂直發(fā)射裝置的重要組成部分，將導(dǎo)彈產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)饬髋湃氪髿狻Ｒ詿岚l(fā)射為基礎(chǔ)的燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)可分為公共排導(dǎo)方式和獨(dú)立排導(dǎo)方式[3-4]。其中同類型號(hào)的以公共排導(dǎo)為主要方式的發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)性能已有研究，其計(jì)算結(jié)果定性地描述了燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)力學(xué)性能[5-13]，但只描述了導(dǎo)彈正常發(fā)射情況下的燃?xì)馀艑?dǎo)力學(xué)性能，未對(duì)導(dǎo)彈意外點(diǎn)火時(shí)燃?xì)馀艑?dǎo)的力學(xué)性能進(jìn)行定量的分析和研究[14]。

排氣道是燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的組成部分，導(dǎo)彈在正常發(fā)射情況下，排氣道自身的設(shè)計(jì)裕度可滿足發(fā)射要求。在意外點(diǎn)火情況下，排氣道的極限承壓能力可能影響發(fā)射裝置的安全性。研究排氣道的極限承壓性能有著重要意義。

通過建立某垂直發(fā)射裝置的排氣道的仿真計(jì)算模型，根據(jù)不同工況，計(jì)算出排氣道所能承受的極限壓力值。通過水壓試驗(yàn)，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行分析，最后與發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而得到排氣道的極限承壓性能。為發(fā)射裝置的安全性提供工程設(shè)計(jì)參考。

1 仿真試驗(yàn)

導(dǎo)彈正常發(fā)射時(shí)，排氣蓋打開，燃?xì)饬鹘?jīng)排氣道排入大氣。意外點(diǎn)火時(shí)，排氣蓋關(guān)閉，燃?xì)饬骶奂僚艢馍w，將排氣蓋漲破，然后燃?xì)饨?jīng)排氣道排入大氣。排氣道結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

1.1 基本假設(shè)

排氣道金屬基體焊接而成，成分為Q345，材料的抗拉極限為470 MPa。

1）排氣道為型腔結(jié)構(gòu)，所有焊縫聯(lián)接可靠，通過焊縫聯(lián)接的各部件為一整體。

2）排氣道由上、中、下三段組成，由法蘭與外蒙皮焊接而成，各段之間用螺接方式進(jìn)行連接，計(jì)算過程中，各段排氣道上下法蘭采用實(shí)體模型。

1.2 邊界條件

采用ANSYS軟件，采用SHELL188殼單元，材料的彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。

1）排氣道內(nèi)腔上分別均勻分布0.3，0.4，0.5 MPa壓強(qiáng)，共三種計(jì)算工況。

2）將排氣道出口和入口法蘭約束，其變形為0。

1.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如3—5所示，可以看出，排氣道在承受0.5 MPa壓強(qiáng)作用工況下，排氣道所受最大應(yīng)力為570 MPa，大于材料的抗拉極限值。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，初步分析出排氣道在承受0.5 MPa壓強(qiáng)情況下承壓性能可能失效。

2 水壓試驗(yàn)

由于排氣道由多段組成，各段之間通過螺釘與密封墊聯(lián)接，聯(lián)接處涂有密封膠，保證其密封性。抽取一段，采用排氣道工裝對(duì)其進(jìn)行固定，工裝與排氣道法蘭間采用螺釘及密封墊并涂密封膠的形式進(jìn)行聯(lián)接，對(duì)其進(jìn)行極限承壓試驗(yàn)，排選取特征測(cè)試點(diǎn)，收集承壓數(shù)據(jù)。

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒?/p>

排氣道工裝與排氣道連為一體，一端進(jìn)水，一端出水。通過壓力泵按照一定的水壓梯度將水打壓至排氣道型腔內(nèi)，待排氣道出現(xiàn)破壞時(shí)，停止打壓，得出排氣道極限承壓最大值，試驗(yàn)結(jié)束后放水。其試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6示。

2.2 試驗(yàn)條件

1）初始階段，對(duì)排氣道整個(gè)型腔注水，水注滿后保壓3 min，使排氣道保持平衡承壓狀態(tài)，材料處于受力狀態(tài)開始彈性變形。

2）待排氣道水壓保持平衡后，對(duì)排氣道繼續(xù)充水加壓至0.3 MPa，以0.3 MPa為基準(zhǔn)，每隔0.02 MPa對(duì)排氣道進(jìn)行加壓。

3）當(dāng)排氣道出現(xiàn)裂紋，各邊連接處焊縫局部出現(xiàn)開裂，排氣道本體外圍有水滲漏時(shí)可視為排氣道已出現(xiàn)破壞，此時(shí)的壓強(qiáng)值為排氣道極限承壓值。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，當(dāng)排氣道內(nèi)承壓達(dá)到0.58 MPa時(shí)，排氣道焊縫開裂，出現(xiàn)漏水，排氣道局部發(fā)生破壞。對(duì)排氣道各測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出排氣道最大應(yīng)力及應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)變化規(guī)律，結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，隨著壓強(qiáng)值的增加，排氣道所受的應(yīng)變與應(yīng)力逐漸增大，呈線性關(guān)系。排氣道金屬基體逐漸由彈性變形向塑性變形發(fā)展，直至金屬基體出現(xiàn)破壞。當(dāng)排氣道金屬基體出現(xiàn)破壞時(shí)，此時(shí)測(cè)得最大壓強(qiáng)值為1 100 MPa，最大變形為9 mm。

3 發(fā)射試驗(yàn)

對(duì)于正常發(fā)射試驗(yàn)及意外點(diǎn)火試驗(yàn)，均在相同發(fā)射裝置上進(jìn)行。在排氣道周圍布置壓力傳感器，并對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，獲取導(dǎo)彈在發(fā)射過程中排氣道所受到的壓力測(cè)試數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)主推力最小為2 kN，最大為10 kN，近似呈線性變化趨勢(shì)，穩(wěn)定后其后保持不變。在正常發(fā)射及意外點(diǎn)火情況下排氣道所承受的壓強(qiáng)變化曲線如圖9所示，其最大值分別為0.11，0.24 MPa。

排氣道在意外點(diǎn)火情況下所受的壓強(qiáng)值比正常發(fā)射情況下大，數(shù)值相差2倍。正常發(fā)射情況下，排氣蓋打開，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力短時(shí)間（幾毫秒）內(nèi)由2 kN上升至10 kN，排氣道所受的壓強(qiáng)值小于設(shè)計(jì)值，可滿足正常發(fā)射需求。在意外點(diǎn)火過程中，排氣蓋關(guān)閉，當(dāng)燃?xì)饩奂谡麄€(gè)排氣道內(nèi)，由于時(shí)間短（幾毫秒），整個(gè)排氣道形成一個(gè)密閉的壓力容器，其所受壓強(qiáng)值短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一致。當(dāng)燃?xì)鈮杭鄣酱笥谂艢馍w漲破壓強(qiáng)值時(shí)，排氣蓋漲破，燃?xì)馀懦觯藭r(shí)排氣道內(nèi)的壓強(qiáng)大于0.2 MPa，但其所受的壓變化規(guī)律在正常發(fā)射及意外點(diǎn)火中具有相應(yīng)一致性。意外點(diǎn)火時(shí)排氣道所受的壓強(qiáng)高于正常發(fā)射情況，但量級(jí)相差不大。均能滿足導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的使用要求，保證了發(fā)射裝置在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的安全性[15]。

4 結(jié)論

1）從仿真試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)、發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果可以得出，導(dǎo)彈正常發(fā)射時(shí)，排氣道的承壓能力滿足使用要求，排氣道金屬基體所受的應(yīng)變與應(yīng)力逐漸增大，符合金屬材料力學(xué)變化規(guī)律，直至破壞。

2）排氣道的承壓能力滿足導(dǎo)彈正常發(fā)射及意外點(diǎn)火情況下的使用要求，且具有足夠的設(shè)計(jì)裕度.

3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，排氣道的金屬基體材料可進(jìn)一步優(yōu)選，優(yōu)化排氣道的重量，由于排氣道承壓性能有足夠的設(shè)計(jì)裕度，可以在一定范圍內(nèi)承受其他型號(hào)的導(dǎo)彈發(fā)射，為新型發(fā)射裝置的工程設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

[1] 鄧科, 周成康, 于殿軍, 等. 導(dǎo)彈熱發(fā)射增推效能研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2016, 36(5): 1038-1043.

[2] 鄒本貴, 曹延杰, 孫學(xué)鋒, 等. 一種新型艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射技術(shù)[J]. 固體火箭技術(shù), 2013, 36(5): 586-589.

[3] 馬艷麗, 姜毅, 王偉臣, 等. 濕式獨(dú)立自排導(dǎo)垂直發(fā)射技術(shù)研究[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2011, 312(2): 29- 33.

[4] 于勇, 徐新文, 傅德彬. 同心筒發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)的氣體動(dòng)力學(xué)原理分析[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2011, 312 (2): 29-33.

[5] 張代國(guó). 艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置燃?xì)饬鲌?chǎng)數(shù)值模擬[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2015, 37(5): 46-50.

[6] 李翔, 陳小慶, 孟令濤, 等. 艦船搖擺對(duì)艦載垂直發(fā)射導(dǎo)彈出筒影響分析[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2014, 335 (5): 19-21.

[7] 楊繼超, 楊云. 多工艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射仿真分析[J]. 飛行器測(cè)控學(xué)報(bào), 2014, 33(5): 406-409.

[8] 徐悅, 田愛梅, 張振鵬, 等. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程仿真[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2008, 28(4): 491-494.

[9] 劉方, 辜健, 邱志明, 等.基于公共燃?xì)馀艑?dǎo)結(jié)構(gòu)的共架發(fā)射系統(tǒng)武器選擇與布局方法[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 24(2): 53-56.

[10] 單時(shí)卓, 張艷. 艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射過程中甲板而燃?xì)饬鲌?chǎng)仿真分析[J]. 火力與指揮控制,2014,39(3):73-80.

[11] 汪波, 林源. 艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)饬鬟\(yùn)動(dòng)[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 27(1): 71-74.

[12] 賈正榮, 盧發(fā)興, 吳玲. 艦載共架垂直發(fā)射導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)間協(xié)調(diào)[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2015, 27(1): 59-64.

[13] 胡曉磊, 盛文成, 樂貴高, 等. 車載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)雙面導(dǎo)流器[J]. 火力與指揮控制, 2013, 11(11): 53-55.

[14] 趙賢超. 意外點(diǎn)火時(shí)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)流場(chǎng)仿真分析[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(4): 59-62.

[15] 鄭宏建, 孫有田. 艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射與安全性分析[J]. 飛航導(dǎo)彈, 2009, 14(2):17-19.

Limit Pressure Property of Vertical Launcher Exhaust Chimney

REN Ke-liang, WU Li-min

(713 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Zhengzhou, 450015, China)

Objective To study limit pressure property of exhaust chimney, mechanical property of the exhaust chimney in unexpected ignition of missile and the safety of missile launching. Methods A simulation model for limit pressures of exhaust chimney was built. Water pressure experiment and launching experiment were carried out to obtain date on limit pressure of the exhaust chimney in different types of test. Results The design pressure of the exhaust chimney in abnormal launching was 0.3 MPa. The stress of the exhaust chimney surpassed the maximum tensile limit was 0.5 MPa. The structure was destroyed at 0.58 MPa in the water pressure experiment. The limit pressure of the exhaust chimney was 0.24 MPa in unexpected ignition. Conclusion The limit pressure of exhaust chimney meets the requirements of normal launching and unexpected ignition. The design allowance of the exhaust chimney is enough.

heat launch; exhaust chimney; normal launching; unexpected ignition; limit pressure

10.7643/ issn.1672-9242.2017.09.011

TJ393

A

1672-9242(2017)09-0053-04

2017-04-19；

2017-05-26

任克亮（1985—），男，河南鄭州人，工程師，主要研究方向?yàn)榕炤d導(dǎo)彈發(fā)射裝置技術(shù)。