艦船導彈發(fā)射系統(tǒng)導流裝置設(shè)計方法與研究*

高 昱，康文俊，周 航，劉曉燕，齊紅亮

(中國航天科技集團公司第四研究院第41所， 西安 710025)

0 引言

在海裝某課題的牽引下，課題組根據(jù)國內(nèi)成熟的擾流片式推力矢量固體發(fā)動機，先后完成多發(fā)軸向調(diào)節(jié)冷試、軸向調(diào)節(jié)熱試、六分力熱試等性能試驗，取得了豐富的試驗數(shù)據(jù)，掌握了該型矢量發(fā)動機的控制規(guī)律和推力調(diào)節(jié)模型，并通過了一發(fā)懸浮干擾彈原理性飛行試驗的考核，具備了開展演示驗證的條件。懸浮誘餌干擾彈在國際上競爭也比較激烈，美國的Mk53快速箔條和誘餌干擾系統(tǒng)是和澳大利亞聯(lián)合研制的一種具備快速反應能力的主動式干擾系統(tǒng)，可以為作戰(zhàn)艦艇提供有效的反導保護。該系統(tǒng)是在現(xiàn)役的MK36系統(tǒng)上加裝“NULKA”(澳大利亞土著語“快速”)誘餌發(fā)射系統(tǒng)升級而成的，目標是干擾來襲的反艦導彈雷達和敵艦艦艇上的火控雷達[1]。誘餌發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射筒部分提供了導彈電氣連接，其側(cè)壁可為導彈提供燃氣排導。另外，這種儲運發(fā)射筒可在軍艦艦艇上任何部位靈活安裝。目前已經(jīng)獲得MICA導彈垂發(fā)系統(tǒng)的列裝[2]。

在 “艦載舷外有源運動誘餌關(guān)鍵技術(shù)”研究課題的支持下，開展了艦載舷外運動誘餌干擾彈的設(shè)計、樣機研制和原理性飛行試驗工作。誘餌干擾彈總體、推力矢量發(fā)動機、復合控制等關(guān)鍵技術(shù)均通過了試驗驗證，懸浮型誘餌干擾彈總體技術(shù)已經(jīng)成熟，具備了開展系統(tǒng)集成演示驗證的技術(shù)條件。

為促進國內(nèi)新型艦載舷外誘餌系統(tǒng)的研制進程，并為該型產(chǎn)品的立項研制做好技術(shù)鋪墊，據(jù)海軍裝備研究院的計劃安排，擬在后續(xù)期間開展新型艦載舷外誘餌系統(tǒng)的演示驗證工作。

文中依據(jù)誘餌載荷的使用要求，開展了新型艦載舷外誘餌系統(tǒng)發(fā)射方案的設(shè)計工作。

1 懸浮誘餌干擾彈總體技術(shù)條件及要求

懸浮誘餌干擾彈總體技術(shù)指標要求滿足傾斜式向外發(fā)射；順序離軌；全系統(tǒng)實現(xiàn)快速連接，適應快速操作技戰(zhàn)術(shù)要求；快速捕捉發(fā)射窗口發(fā)射，提高出筒發(fā)射能力；滿足多彈齊發(fā)能力；具有與戰(zhàn)術(shù)彈共架發(fā)射的能力；采用熱發(fā)射方式時，需做好發(fā)動機尾焰的導流，防止對艦艇甲板造成損傷等要求。

2 發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

眾所周知，艦船上的發(fā)射裝置較陸地上有很大的不確定性，發(fā)射坐標原點不確定，發(fā)射瞄準也存在不確定因素等，這樣給發(fā)射裝置設(shè)計帶來了一定的難度和復雜程度，為了解決好這個問題，將分以下幾個方面進行選擇和設(shè)計[3]。

2.1 發(fā)射裝置在艦船上的位置選擇

發(fā)射裝置在艦船上選擇位置很關(guān)鍵，理論上應選在艦船的艉端或左、右外舷上，以不影響駕駛艙操作人員的視線為好。根據(jù)本課題的應用特點，放置在左右外舷上，其中關(guān)鍵是要解決燃氣流的導流問題，需要設(shè)計增加導流裝置，以減少燃氣流對艦船的燒蝕。

根據(jù)國外同類型的發(fā)射裝置設(shè)計經(jīng)驗，采用同心圓發(fā)射筒實現(xiàn)向上排導燃氣流(如圖3所示)。

圖1 干擾彈裝填

圖2 干擾彈發(fā)射出箱

圖3 燃氣流排導設(shè)計圖

2.2 燃氣導流設(shè)計

為進一步改善發(fā)射內(nèi)筒與外筒間的燃氣流，采用加大擴散段擴散角的方法，應用CFD軟件進行流場計算，借鑒成熟發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，采用"錐形"發(fā)射筒球窩控制導流燃氣流時，需要調(diào)試最佳導流球窩參數(shù)。數(shù)值計算結(jié)果表明，不加設(shè)導流球窩時，擴散段存在嚴重回流旋渦，對主流產(chǎn)生擠壓作用，使主流產(chǎn)生不可預測的橫向擺動，影響發(fā)射筒球窩的高效性和安全穩(wěn)定性；加設(shè)導流球窩并將其調(diào)整至最佳參數(shù)后，擴散段兩側(cè)旋渦的強度和范圍大幅減小，對主流的擾動作用明顯減弱，燃氣流能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)均衡過渡，因此達到了設(shè)計的目的。

用數(shù)值仿真方法來驗證其正確性。首先基于Amilton原理和Von-Karman大變形理論，建立發(fā)射筒壁板的熱氣動彈性運動方程，假設(shè)其中壁板受熱后溫度均勻分布，熱激波前后區(qū)域的氣動力模型采用當?shù)匾浑A活塞流理論；其次利用Galerkin方法將具有連續(xù)參數(shù)系統(tǒng)的偏微分顫振方程離散為有限個自由度的常微分方程，基于李雅普諾夫間接法將非線性顫振方程組在平衡位置處進行線化，再用Routh-Hurwits判據(jù)來判斷線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而推論出非線性顫振系統(tǒng)的氣動彈性穩(wěn)定性。在時域中采用龍格-庫塔法對非線性顫振方程進行數(shù)值積分，得到壁板非線性顫振響應的時間歷程，與理論分析結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，壁板受到斜激波沖擊時，更容易發(fā)生顫振失穩(wěn)，并且激波強度越大，極限環(huán)幅值和頻率越大；激波主導流場中的壁板失穩(wěn)邊界不同于傳統(tǒng)單純超聲速氣流中壁板顫振的失穩(wěn)邊界；只有在斜激波前后不同的動壓值都滿足顫振穩(wěn)定性邊界的條件下，壁板才可能保持其氣動彈性穩(wěn)定性。

2.3 精度問題

海上發(fā)射系統(tǒng)最重要的技術(shù)難點就是全系統(tǒng)的瞄準精度。海基發(fā)射與陸基發(fā)射不同。船在海上航行還尚不穩(wěn)定，有時甚至船本身所處的瞄準姿態(tài)都不很清楚，另外由于海浪的作用，導致發(fā)射裝置的三軸位置也會經(jīng)常發(fā)生變化。如果采用了單純的慣性制導，將造成瞄準精度降低和瞄準時間過長，失去最佳發(fā)射窗口，變主動成被動，使懸浮誘餌彈失去了列裝意義。瞄準精度和瞄準時間在陸基上比較容易實現(xiàn)，但在艦船上發(fā)射就比較困難。美國采用了技術(shù)復雜，成本高的潛艇慣性導航系統(tǒng)，目前國內(nèi)通常采用差分GPS定位定向系統(tǒng)，該系統(tǒng)定位精度1.5 m，定向精度不大于9′，最主要的是測量速度快，在某種程度上解決了精度問題，還能縮短瞄準時間，抓住戰(zhàn)機窗口發(fā)射。蘇聯(lián)采用陀螺儀保持發(fā)射裝置平穩(wěn)性方法，可將圓概率偏差精度保持在7 m[4]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)要求采用熱發(fā)射方式。陸基發(fā)射可以將燃氣流直接排導在地面上；艦船上則不能將燃氣流排導在艦船上，對艦船造成燒蝕，必須要設(shè)計導流裝置對燃氣流進行排導，因此排導燃氣流顯得尤其關(guān)鍵。

燃氣流導流問題是艦船發(fā)射裝置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。同心圓筒排導燃氣流仿真計算及發(fā)射流場分析過程如下。

1)計算模型：

a)發(fā)射筒模型選取圖4結(jié)構(gòu)；

b)軸對稱計算模型，湍流模型為S-A模型，采用一階迎風格式離散。

2) 邊界條件：

a)壓力入口邊界：10 MPa，2 200 K。

b)壓力出口邊界：環(huán)境壓強。

3) 收斂準則：連續(xù)方程、動量方程及能量方程的殘差下降3個數(shù)量級以上，且出入口流量達到平衡。

4) 燃氣參數(shù)：CP取定值2 000 J/(kg·K)，空氣分子量取29。

5) 計算結(jié)果：計算結(jié)果壓強云圖見圖5、圖6，馬赫數(shù)云圖和流線圖見圖7，溫度云圖見圖8。

圖4 發(fā)射筒外形結(jié)構(gòu)

圖5 壓強云圖(范圍0～10 MPa)

圖6 壓強云圖(范圍0～0.5 MPa)

圖7 馬赫數(shù)云圖和流線圖

圖8 溫度云圖

仿真計算結(jié)果決定間隙大小，既要滿足氣流排導要求，還要滿足間隙最小。經(jīng)計算滿足燃氣流排導壓力要求。理論排導面積為5 026.55 mm2，實際設(shè)計排導面積為5 969.03 mm2，(實際設(shè)計值大于理論計算值，滿足發(fā)射燃氣流排導要求)。根據(jù)排導面積推導出尾部開孔直徑為Φ80 mm就可滿足燃氣流排導壓力和溫度要求。

4 發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)射系統(tǒng)組成。一般是由發(fā)射筒，發(fā)射箱，電氣單元等系統(tǒng)組成。下面就分別敘述其功能和設(shè)計方法及注意事項。

1)發(fā)射筒

①結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)射筒設(shè)計為同心圓筒，即由內(nèi)筒和外筒組成(見圖4)。發(fā)射筒由發(fā)射筒體、易碎蓋、發(fā)射筒電氣組件(含筒壁電纜、筒壁電連接器、筒彈分離電連接器)、機電保險器、撥叉、球窩轉(zhuǎn)接(見圖9所示)等組成[5]。

圖9 球窩轉(zhuǎn)接外形

發(fā)射筒既是誘餌彈發(fā)射定向器，又是誘餌彈儲存、轉(zhuǎn)運的包裝箱。球窩轉(zhuǎn)接部分實現(xiàn)發(fā)射筒與發(fā)射箱的配合聯(lián)接。發(fā)射筒具有密封、防護功能。通過發(fā)射筒實現(xiàn)地面發(fā)控系統(tǒng)與誘餌彈之間電氣連接[5]。

發(fā)射筒的工作原理：首先地面發(fā)控系統(tǒng)發(fā)出機電保險器解鎖指令，機電保險器解鎖，發(fā)動機點火電路接通，根據(jù)發(fā)動機點火指令，發(fā)射時發(fā)動機點火，筒彈分離電連接器插頭與插座分離，誘餌彈沿著發(fā)射筒導軌運動，誘餌彈撞碎易碎蓋，然后出筒。

誘餌彈發(fā)射時，發(fā)動機尾部火焰經(jīng)發(fā)射筒尾部的“錐形”球窩轉(zhuǎn)接導流后沿著內(nèi)筒、外筒之間空腔向筒體口部運動，經(jīng)前端口部排出筒外。該發(fā)射方式可以有效減少發(fā)動機尾焰對甲板的影響。

②發(fā)射筒體強度分析計算

為了減輕質(zhì)量，發(fā)射筒采用薄壁金屬材料，這樣需要對其結(jié)構(gòu)強度進行分析計算。

a)計算模型：發(fā)射筒三維模型簡化為殼體，模擬復材鋪層建模，材料屬性如表1所示，復材鋪層如圖10所示，簡化后模型如圖11所示。

圖10 復材鋪層示意圖

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值E1/GPa67.5v310.22E2/GPa57.5G12/GPa4.7E3/GPa11.4G23/GPa1.91v120.12G31/GPa1.91v230.22

圖11 發(fā)射筒殼體幾何模型

b)邊界條件：發(fā)射筒殼體一端固支，內(nèi)外筒之間空腔施加壓強載荷，壓強為0.15 Pa，網(wǎng)格劃分如圖12所示。

圖12 殼體施加載荷圖

圖13 發(fā)射筒殼體應力云圖

圖14 發(fā)射筒殼體位移云圖

c)計算結(jié)果及分析

仿真結(jié)果(見圖13、圖14)表明，殼體最大應力為89.9 MPa，發(fā)生在導軌附近，遠小于材料抗拉強度極限669 MPa。最大位移為0.072 mm，發(fā)生在內(nèi)層殼體中部。發(fā)射筒殼體強度、剛度滿足設(shè)計要求[6]。

2)發(fā)射箱

發(fā)射裝置為箱式結(jié)構(gòu)(見圖15、圖16、圖17)，底座推車、箱體為龍骨外加蒙皮結(jié)構(gòu)，每艘艦有兩部發(fā)射裝置分別安裝在艦船左、右外舷上。每部發(fā)射裝置具有兩個連接接口。接口1與發(fā)射筒連接，接口2通過發(fā)射箱底座與艦船連接，發(fā)射轉(zhuǎn)運推車4個支腳用螺栓固定在艦船左右外舷上。功能一是負責傾斜式發(fā)射的高低角調(diào)節(jié)設(shè)計，功能二是具有方位角調(diào)節(jié)設(shè)計。對于質(zhì)量輕的懸浮誘餌彈，可以用支腳升降螺桿實現(xiàn)高低角傾斜式發(fā)射，而且傾角連續(xù)可調(diào)[7]。

圖15 發(fā)射箱外部結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 發(fā)射箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖17 發(fā)射箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

球窩轉(zhuǎn)接主要用于發(fā)動機尾焰分流導向，在裝配狀態(tài)下實現(xiàn)筒裝導彈軸向定位。

底座呈半球狀，選用45鋼機加成型，球窩轉(zhuǎn)接基本壁厚為2 mm，半球中部設(shè)計有導流錐，發(fā)動機點火后起導流作用，球窩轉(zhuǎn)接外形如圖9所示。

3)電氣單元

電氣單元主要解決導彈發(fā)射時，彈上參數(shù)的裝訂、激活彈上電池、啟動點火發(fā)射等。發(fā)控系統(tǒng)通過電纜網(wǎng)由脫落電連接器與彈上通訊，選擇拉火繩式脫落電連接器，在發(fā)射時直接拽脫即可，為了便于操作將發(fā)射筒中的電連接器固定在連接法蘭上，方便發(fā)射箱中的電纜對接操作。

5 完成的驗證試驗

懸浮誘餌彈在研制的過程中完成總體布局和性能仿真、總體方案設(shè)計；對誘餌彈技術(shù)指標進行了分解，形成新型技術(shù)指標體系；完成發(fā)動機設(shè)計，建立了矢量推力模型；完成復合控制系統(tǒng)設(shè)計，開展了數(shù)學仿真及半實物仿真；完成旋轉(zhuǎn)控制翼設(shè)計，開展了動力學仿真；完成懸浮誘餌彈飛行試驗設(shè)計，形成了演示飛行方案。

筒彈匹配試驗:完成了發(fā)射系統(tǒng)與懸浮誘餌彈發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)匹配，互換性好，電氣滿足發(fā)射要求；地面聯(lián)合試驗各系統(tǒng)協(xié)調(diào)，連接快速，滿足快速反應能力；首飛試驗懸浮時間65 s達到了海軍技戰(zhàn)術(shù)要求；通過外場飛行試驗，驗證了燃氣流導流滿足艦船使用要求，不會對艦船燒蝕。

6 創(chuàng)新性

懸浮誘餌彈發(fā)射系統(tǒng)是針對艦船來設(shè)計的，由于艦船上存在諸多的不確定因素，設(shè)計時要用到許多新技術(shù)，新方法。進行了仿真分析和流場計算；由于要求質(zhì)量輕，所以也要用到新材料、新工藝進行加工；還要了解艦船整體結(jié)構(gòu)及力學分析；為了不影響戰(zhàn)艦技戰(zhàn)術(shù)性能，還需要用氣動力學分析導彈發(fā)射對艦船影響[6]。懸浮誘餌彈本身的技戰(zhàn)術(shù)性能是目前海軍需要的獵裝必要武器系統(tǒng)。整個系統(tǒng)均屬于模塊化設(shè)計，模塊化發(fā)射系統(tǒng)可發(fā)射多種武器。

7 結(jié)論與討論

經(jīng)過上述分析和試驗，懸浮誘餌彈發(fā)射系統(tǒng)導流裝置能夠滿足系統(tǒng)總體發(fā)射要求，發(fā)動機尾焰不會對艦船造成燒蝕，還可以和其他導彈進行共架發(fā)射，若能實現(xiàn)垂直發(fā)射，將全方位地實現(xiàn)主動干擾，發(fā)射將更快更便捷，技戰(zhàn)術(shù)性更強。這樣既不影響攻擊火力，也不影響懸浮誘餌彈的獵裝需要，可以推廣應用列裝到艦船上，成為新的火力點。