基于熱發(fā)射技術(shù)的垂直發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)分析*

任克亮,熊言義

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第713研究所,鄭州 450015)

0 引言

燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)是垂直發(fā)射裝置的重要組成部分,能將導(dǎo)彈產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)饬髋湃氪髿狻?duì)于同類型號(hào)的發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)性能已有研究,其計(jì)算結(jié)果定性的描述了燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的各項(xiàng)力學(xué)性能[1-2],但是并未結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)值對(duì)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比,工程應(yīng)用上不能進(jìn)一步對(duì)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

為改善燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和工程經(jīng)濟(jì)性,文中以某型艦載發(fā)射裝置為基礎(chǔ),研究了導(dǎo)彈在正常發(fā)射和意外點(diǎn)火情況下發(fā)射裝置燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的性能。建立流體仿真模型,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)其性能進(jìn)行分析。

1 組成與功能

燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)由壓力室和排氣道組成,基體為金屬材料,金屬基體上敷設(shè)有耐燒蝕材料,可以承受高溫、高壓燃?xì)饬鞯臎_刷和燒蝕。

壓力室與排氣道為型腔結(jié)構(gòu),兩者相通,導(dǎo)彈發(fā)射時(shí),產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)饬鳑_刷壓力室,經(jīng)導(dǎo)流后由排氣道排入大氣。完成燃?xì)馀艑?dǎo)過程。

2 仿真模型

2.1 結(jié)構(gòu)描述

為詳細(xì)描述燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)之間的關(guān)系,導(dǎo)彈與發(fā)射裝置及發(fā)射箱分布如圖1所示。

圖1 燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)分布圖

正常發(fā)射情況下,排氣蓋打開,導(dǎo)彈在發(fā)射箱內(nèi)點(diǎn)火,產(chǎn)生的燃?xì)饬飨驂毫κ?經(jīng)排氣道將燃?xì)馀懦?意外點(diǎn)火情況下,排氣蓋未打開,燃?xì)饬鹘?jīng)壓力室進(jìn)入排氣道,將排氣蓋漲破排出。

2.2 模型假設(shè)

a)發(fā)射箱簡(jiǎn)化為規(guī)則空間,導(dǎo)彈作為規(guī)則幾何體,忽略其它部分對(duì)燃?xì)饬饔绊?

b)燃?xì)饬鳛樾再|(zhì)單一、均勻混合氣體,各成分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且與空氣無化學(xué)反應(yīng);

c)燃?xì)饬鞅葻岜群愣?物理粘性系數(shù)符合Sutherland定律。

控制方程主要由非定常守恒型N-S方程組和k-ε湍流方程組成。N-S方程統(tǒng)一為:

在直角坐標(biāo)系下,三個(gè)方向的控制方程離散為:

2.3 邊界條件及初始條件

a)入口總溫為氣體的定壓燃燒溫度,總壓為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒室內(nèi)的壓強(qiáng);

b)取無窮遠(yuǎn)處大氣環(huán)境狀態(tài)作為燃?xì)饬鞒隹跔顟B(tài),出口壓強(qiáng)為環(huán)境壓強(qiáng),其它所有區(qū)域?yàn)楸诿孢吔鐥l件,初始?jí)簭?qiáng)、溫度、速度為周圍環(huán)境條件;

c)流體與固體相互作用的邊界滿足經(jīng)典邊界層函數(shù),壁面邊界條件為絕熱條件。

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果

仿真幾何模型見圖2,以硅酚醛材料為耐燒蝕基體,仿真結(jié)果云紋圖見圖3、圖4,仿真數(shù)值見表1。

圖2 仿真幾何模型圖

圖3 正常發(fā)射情況下仿真結(jié)果云紋圖

圖4 意外點(diǎn)火情況下仿真結(jié)果云紋圖

位置最大值正常發(fā)射意外點(diǎn)火壓力室底部0.441.08壓力室周圍0.190.23排氣道0.110.24

3 試驗(yàn)情況

3.1 試驗(yàn)方法

制作等厚度硅酚醛I型、硅酚醛II型、碳酚醛試樣。采用小發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行燒蝕,其中燃燒室壓力(2±0.05) MPa,試樣至噴口距離110 mm,測(cè)得其線燒蝕率,具體形式見圖5。

圖5 小發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)圖示

壓力室有多個(gè)隔艙位,每個(gè)隔艙位可承受多次導(dǎo)彈發(fā)射,在不同隔艙位用等量導(dǎo)彈發(fā)射后,選定一隔艙位進(jìn)行意外點(diǎn)火試驗(yàn),意外點(diǎn)火試驗(yàn)為最后進(jìn)行,為破壞性試驗(yàn)。兩種試驗(yàn)情況下獲得測(cè)試數(shù)據(jù)后,對(duì)壓力室型腔內(nèi)敷設(shè)的三種不同種類的耐燒蝕材料進(jìn)行切片處理。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3種耐燒蝕材料的小發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2,切片結(jié)果見圖6～圖8。

兩種試驗(yàn)條件下壓力室底部、周圍、排氣道特征點(diǎn)測(cè)試值見表3,各特征點(diǎn)測(cè)試值與計(jì)算值對(duì)比曲線見圖9～圖14。

表2 3種材料線燒蝕情況

圖6 硅酚醛Ⅰ型材料燒蝕情況

圖7 硅酚醛Ⅱ型材料燒蝕情況

圖8 碳酚醛材料燒蝕情況

位置最大值正常發(fā)射意外點(diǎn)火壓力室底部0.680.76壓力室周圍0.150.24排氣道0.130.24

圖9 正常發(fā)射下壓力室底部壓力變化曲線

圖10 正常發(fā)射下壓力室周圍壓力變化曲線

圖11 正常發(fā)射下排氣道壓力變化曲線

圖12 意外點(diǎn)火下壓力室底部壓力變化曲線

圖13 意外點(diǎn)火下壓力室周圍壓力變化

圖14 意外點(diǎn)火下排氣道壓力變化曲線

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2、表3可以看出,對(duì)于等厚度的耐燒蝕材料,碳酚醛燒蝕厚度最大,硅酚醛Ⅱ型燒蝕厚度次之,硅酚醛Ⅰ型燒蝕厚度最小。

兩種試驗(yàn)情況下壓力室底部、周圍、排氣道所受到的燃?xì)鈮毫ψ兓?guī)律基本一致。

意外點(diǎn)火情況下壓力室受到壓力計(jì)算值與測(cè)試值均高于正常發(fā)射試驗(yàn);正常發(fā)射情況下,壓力室底部壓力高于周圍,周圍高于排氣道;意外點(diǎn)火情況下,壓力室底部高于壓力室周圍及排氣道處,壓力室周圍與排氣道近似相同;但計(jì)算值與測(cè)試值重合度較差,因仿真模型中設(shè)置的排氣蓋漲破時(shí)間與實(shí)際測(cè)試值不同,故引起差異。

4 結(jié)論

1)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果可得出正常發(fā)射情況與意外點(diǎn)火情況下壓力室底部、周圍最大壓力、排氣道最大壓力不同,壓力室底部所受壓力最大,壓力室周圍次之,排氣道最小;各特征點(diǎn)在意外點(diǎn)火情況下較正常發(fā)射情況下高,但各特征點(diǎn)的壓力變化規(guī)律相同,可為燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)手段;

2)不同的耐燒蝕材料在發(fā)射試驗(yàn)中的燒蝕厚度不同,可以判斷出垂直發(fā)射裝置的使用次數(shù)。根據(jù)燒蝕特性,可對(duì)燃?xì)馀艑?dǎo)系統(tǒng)所敷設(shè)的耐燒蝕材料進(jìn)行優(yōu)化,提高工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性,從而提高垂直發(fā)射裝置的使用壽命。