空空導(dǎo)彈雙脈沖固體火箭發(fā)動機能量分配研究

張翼，鄭哲

空空導(dǎo)彈雙脈沖固體火箭發(fā)動機能量分配研究

張翼，鄭哲

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

空空導(dǎo)彈是奪取制空權(quán)的關(guān)鍵武器。在有限尺寸重量約束下，如何不斷提高空空導(dǎo)彈的射程始終是總體性能的一個重點研究方向，具有重要的現(xiàn)實意義。動力優(yōu)化是實現(xiàn)空空導(dǎo)彈增程的主要手段之一。介紹了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的原理和特點，明確了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的總體設(shè)計約束，結(jié)合彈道仿真開展了雙脈沖發(fā)動機能量分配問題的仿真研究。

空空導(dǎo)彈；雙脈沖發(fā)動機；能量分配；動力優(yōu)化

1 引言

空空導(dǎo)彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭奪取制空權(quán)的重要武器裝備。誰擁有了性能先進的空空導(dǎo)彈，誰就獲得了空戰(zhàn)的主動權(quán)，擁有決定空戰(zhàn)勝負的重要力量[1]。正如美國著名智庫蘭德公司在研究報告《空戰(zhàn)的過去、現(xiàn)在和未來》中總結(jié)：“空中優(yōu)勢是美國所有常規(guī)軍事行動的基礎(chǔ)，而當(dāng)前的空中優(yōu)勢依賴于具有先進的態(tài)勢感知、隱身和超視距能力的空空導(dǎo)彈?！?/p>

自從空空導(dǎo)彈出現(xiàn)后，空戰(zhàn)的發(fā)展大概經(jīng)過了四個階段：起步階段、發(fā)展階段、超視距階段、信息化對抗階段。美國戰(zhàn)略與預(yù)測評估中心在2015年發(fā)布的《空空作戰(zhàn)趨勢及未來空中優(yōu)勢的影響》中分析認為，從1965年的空戰(zhàn)數(shù)據(jù)表明空空導(dǎo)彈的常用交戰(zhàn)距離在不斷增加，近距交戰(zhàn)的機會在不斷變小[2]。

在有限尺寸重量約束下，不斷增加射程是空空導(dǎo)彈的重要發(fā)展方向。研究如何提高空空導(dǎo)彈的攻擊距離具有重要的現(xiàn)實意義[3]。

2 雙脈沖固體火箭發(fā)動機介紹及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 雙脈沖固體火箭發(fā)動機介紹

固體火箭發(fā)動機是一種使用固體推進劑的化學(xué)火箭發(fā)動機。固體火箭發(fā)動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。固體推進劑點燃后在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的燃氣，即把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能；燃氣經(jīng)噴管膨脹加速，熱能轉(zhuǎn)化為動能，以極高的速度從噴管排出從而產(chǎn)生推力推動導(dǎo)彈向前飛行。

不斷提高導(dǎo)彈的射程是空空導(dǎo)彈始終不變的發(fā)展需求。固體火箭發(fā)動機維護簡單、可靠性高、操作簡便，自誕生起就被廣泛用作空空導(dǎo)彈的主要動力系統(tǒng)。固體火箭發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展也極大地推動了空空導(dǎo)彈武器性能的升級換代。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能量管理技術(shù)已成為固體火箭發(fā)動機的重要發(fā)展方向，雙脈沖固體火箭發(fā)動機在工程中也逐漸得到應(yīng)用。根據(jù)空空導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用需求，在雙脈沖發(fā)動機工作過程中實時有效地控制發(fā)動機能量輸出，實現(xiàn)推力間隔、推力形式實時可調(diào)，可以有效提高發(fā)動機能量的利用效率，為增加導(dǎo)彈的射程提供基本條件。在進行空空導(dǎo)彈總體設(shè)計時，對雙脈沖固體火箭發(fā)動機的能量分配進行研究十分必要。

2.2 雙脈沖固體火箭發(fā)動機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

雙脈沖固體火箭發(fā)動機是在同一發(fā)動機內(nèi)將藥柱分成兩段，從而實現(xiàn)發(fā)動機推力的分段。從本質(zhì)上講，此種方法對發(fā)動機推力大小的改變沒有任何貢獻，主要通過改變發(fā)動機推力作用時間，可以合理分配導(dǎo)彈飛行過程中的加減速過程，從而避免阻力等因素導(dǎo)致的能量損耗[4]。另外還可以通過調(diào)整發(fā)動機推力作用時間，來改變導(dǎo)彈彈道特性，從而實現(xiàn)一些特殊的彈道要求，如更高的打擊高度、更大的打擊速度、打擊目標(biāo)前進行變速飛行等。20世紀(jì)60年代以來，美國和俄羅斯等國就開始了多脈沖固體火箭發(fā)動機的研究工作。20世紀(jì)70年代末到90年代初，是多脈沖固體火箭發(fā)動機研究的第一次高潮，2000年以后，多脈沖固體火箭發(fā)動機技術(shù)成為國內(nèi)外研究的新熱點[5-6]。雙脈沖固體火箭發(fā)動機已在諸多導(dǎo)彈型號中得到應(yīng)用。典型代表有美國的SM-3導(dǎo)彈和PAC-3導(dǎo)彈，德國的LFK-NG導(dǎo)彈和HFK2000導(dǎo)彈等[7]。

2.3 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的工作原理

常規(guī)的固體火箭發(fā)動機，燃燒室內(nèi)一般只設(shè)計有一個完整的藥柱，推進劑一旦點火工作只能連續(xù)燃燒直至燒盡，因此只能產(chǎn)生一次推力，而且推力形式一經(jīng)設(shè)計完成后即基本固定不變[8]。

多脈沖固體火箭發(fā)動機是一種新型的具備能量管理功能的固體火箭發(fā)動機。雖然多脈沖固體火箭發(fā)動機可以提供更為靈活的推力形式，但是在大多數(shù)實際應(yīng)用中，雙脈沖固體火箭發(fā)動機是一種折中的方案。雙脈沖固體火箭發(fā)動機不僅能明顯提升性能，又不會過度提升設(shè)計復(fù)雜性和大幅降低系統(tǒng)可靠性。

與傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動機不同，多脈沖固體火箭發(fā)動機的特點是通過特定設(shè)計的隔離裝置將燃燒室或藥柱分隔成幾部分或幾段，每段藥柱各自配備有獨立的點火裝置，能夠提供相對獨立的推力，共用同一個噴管。Ⅰ脈沖工作期間，隔離裝置起到阻燃、隔熱和承壓的作用，保護Ⅱ脈沖藥柱不被意外引燃；需要啟動Ⅱ脈沖工作時，隔離裝置按要求快速開啟，保證Ⅱ脈沖藥柱燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣能夠通過噴管產(chǎn)生需要的二次推力。常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機組成如圖1所示。

圖1 常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機組成示意圖

工程使用中，往往期望Ⅰ脈沖具有較大的推力，以保證導(dǎo)彈能夠在短時間獲得較大的增速，因此Ⅰ脈沖裝藥多采用星孔燃燒、貼壁澆注的方式；對于Ⅱ脈沖，大多要求能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)彈一定的續(xù)航能力，長時間小推力是一種常見的選擇，這也使得Ⅱ脈沖裝藥多采用端面燃燒、自由裝填的方式。當(dāng)然，Ⅰ脈沖、Ⅱ脈沖均采用大推力的方式在工程上也有應(yīng)用。

3 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的彈道特點

采用雙脈沖固體火箭發(fā)動機的空空導(dǎo)彈，其典型飛行過程可分為四個階段：①第一階段，Ⅰ脈沖發(fā)動機工作，將導(dǎo)彈加速至一定的高度和速度后關(guān)機；②第二階段，Ⅰ脈沖發(fā)動機和Ⅱ脈沖發(fā)動機工作間隔，空空導(dǎo)彈無動力飛行；③第三階段，Ⅱ脈沖發(fā)動機工作，對導(dǎo)彈進行二次加速，空空導(dǎo)彈穩(wěn)定飛行；④第四階段，空空導(dǎo)彈無動力滑翔飛行，直至命中目標(biāo)。采用雙脈沖固體火箭發(fā)動機導(dǎo)彈的典型彈道如圖2所示。

圖2 采用雙脈沖固體火箭發(fā)動機導(dǎo)彈的典型彈道示意圖

雙脈沖固體火箭發(fā)動機工作期間，導(dǎo)彈控制系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)彈總體需要確定每段裝藥的點火時刻，通過合理調(diào)節(jié)推力分配及兩級脈沖間隔時間，達到對空空導(dǎo)彈飛行彈道的優(yōu)化控制和發(fā)動機能量的優(yōu)化管理的目的，滿足導(dǎo)彈總體在不同攻擊條件下對推力的不同要求。

在總沖一定的前提下，雙脈沖固體火箭發(fā)動機可以提供不同的推力形式，進而產(chǎn)生不同的導(dǎo)彈速度曲線。常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機推力如圖3所示。

圖3 常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機推力示意圖

通過脈沖間隔的調(diào)整，可以有效降低導(dǎo)彈的最大速度，增加導(dǎo)彈的攻擊距離，提高空空導(dǎo)彈的末速。

4 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)研究

雙脈沖固體火箭發(fā)動機可以給導(dǎo)彈的性能提供較大的提升，但也存在著一些技術(shù)難題制約著它的發(fā)展。從導(dǎo)彈總體應(yīng)用角度需要解決雙脈沖發(fā)動機/彈道一體化設(shè)計技術(shù)、能量分配技術(shù)等技術(shù)問題，在雙脈沖固體火箭發(fā)動機實現(xiàn)上需要攻克高可靠隔離裝置設(shè)計技術(shù)、多級脈沖點火控制技術(shù)、高效噴管設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)[9]。

4.1 高可靠隔離裝置設(shè)計技術(shù)

隔離裝置是現(xiàn)實雙脈沖發(fā)動機安全性設(shè)計的關(guān)鍵，對其設(shè)計要求也極為苛刻。發(fā)動機Ⅰ脈沖工作期間，要求隔離裝置作為燃燒室結(jié)構(gòu)的組成部分，提供Ⅰ脈沖穩(wěn)定燃燒的場所，需要能夠耐受Ⅰ脈沖工作過程中高溫度、高壓力的嚴(yán)酷環(huán)境，并保證全過程的結(jié)構(gòu)完整性；更為重要的是，保證Ⅱ脈沖推進劑所受到的影響在規(guī)定的安全范圍內(nèi)，應(yīng)起到阻燃、隔熱的作用。

發(fā)動機Ⅱ脈沖激活時，要求隔離裝置能夠在Ⅱ脈沖起燃壓強作用下快速可靠打開，打開后不能產(chǎn)生有可能損害長尾噴管、燃燒室等的噴出物。如果隔離裝置功能失效，很有可能帶來發(fā)動機安全性問題。

從技術(shù)實現(xiàn)上看，目前常見的隔離裝置主要分為剛性隔離裝置和柔性隔離裝置兩類。工程實踐上，這兩類隔離裝置都存在一定的優(yōu)缺點。

剛性隔離裝置的優(yōu)點是可以把雙脈沖固體火箭發(fā)動機明確區(qū)域劃分，而且各功能區(qū)域獨立性強，Ⅰ脈沖推進劑、Ⅱ脈沖推進劑相互之間的影響很小，便于單獨設(shè)計、試驗、生產(chǎn)和儲存，易于進行發(fā)動機總裝。剛性隔離裝置的缺點是一般結(jié)構(gòu)厚度較大，消極重量大；同時受結(jié)構(gòu)布局限制，一定程度上還會帶來Ⅱ脈沖推力損失問題。剛性隔離裝置技術(shù)相對成熟，是傳統(tǒng)雙脈沖發(fā)動機采用的主要技術(shù)方案。

柔性隔離裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，因此推進劑裝填率高；柔性隔層多采用橡膠材料，通常也不存在Ⅱ脈沖推力損失問題。柔性隔離裝置的缺點是設(shè)計難度大，Ⅰ脈沖藥柱、Ⅱ脈沖藥柱、柔性隔層、Ⅱ脈沖點火器等的界面不穩(wěn)定，振動環(huán)境、高低溫等復(fù)雜使用條件下的結(jié)構(gòu)相容性是設(shè)計難點。Ⅰ脈沖工作期間，Ⅱ脈沖藥柱通常要求具有承壓功能，使得Ⅱ脈沖藥柱在燃面以及燃速等藥型設(shè)計方面受到一定限制。

4.2 多級脈沖點火控制技術(shù)

Ⅱ脈沖點火系統(tǒng)需要與Ⅱ脈沖藥柱一體化設(shè)計，在保證安全性和點火可靠性同時，還需與柔性隔層、裝藥藥型相匹配，縮短點火延遲。

Ⅱ脈沖點火系統(tǒng)工程上多采用內(nèi)埋點火技術(shù)。針對內(nèi)埋點火技術(shù)的主要特點和難點，需要進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和點火性能的研究。結(jié)構(gòu)上通過殼體材料的選擇、與端燃裝藥的一體化設(shè)計，需要解決點火器安裝、承壓以及噴出物的問題。同時，通過初始燃面、基礎(chǔ)燃速、點火藥量以及打開壓強匹配設(shè)計，提高點火可靠性、縮短點火延遲時間。

4.3 高效噴管設(shè)計技術(shù)

噴管是火箭發(fā)動機能量轉(zhuǎn)換的一個重要部件，是燃燒室內(nèi)高溫高壓燃氣的出口，主要通過改變管段內(nèi)壁的幾何形狀以加速氣流產(chǎn)生推力，直接影響火箭發(fā)動機的性能。傳統(tǒng)火箭發(fā)動機的噴管由收斂段和擴散段兩部分組成，一般采用固定喉徑比的設(shè)計方式。

雙脈沖發(fā)動機由于級間脈沖推力比（Ⅰ脈沖平均推力和Ⅱ脈沖平均推力之比）較大，使用要求上有可能達到4∶1甚至10∶1，采用固定喉徑比設(shè)計往往使得發(fā)動機整體效率不高，影響發(fā)動機總沖。技術(shù)上，可通過改變發(fā)動機噴喉大小控制燃氣的質(zhì)量流率達到控制燃燒室內(nèi)壓強的目的。

5 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的總體設(shè)計研究

5.1 總體設(shè)計約束

5.1.1 基本功能要求[10]

為導(dǎo)彈提供所需的推力，滿足導(dǎo)彈離軌速度、加速度及動力射程的要求；對于構(gòu)成導(dǎo)彈彈體的組成部分，滿足全彈氣動外形、結(jié)構(gòu)和使用維護要求；滿足全彈工作邏輯與時序要求，在收到點火信號時能夠可靠點火；確保導(dǎo)彈在地面測試、維護、運輸、貯存和掛飛中發(fā)動機不會意外點火。

5.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)約束

滿足導(dǎo)彈總體對發(fā)動機提出的長度、直徑、質(zhì)量等指標(biāo)要求。

5.1.3 總沖約束

滿足導(dǎo)彈總體對發(fā)動機提出的典型工作溫度下的總沖要求，以及對Ⅰ脈沖總沖、Ⅱ脈沖總沖分別提出的約束和 期望。

5.1.4 推力約束

推力約束包括對平均推力、推力持續(xù)時間，以及推力建立時間、最大推力峰等的約束。

5.1.5 脈沖間隔時間約束

脈沖間隔時間可調(diào)，并滿足導(dǎo)彈總體要求。

5.1.6 環(huán)境適應(yīng)性要求

環(huán)境適應(yīng)性要求包括貯存溫度范圍、工作溫度范圍、導(dǎo)彈掛飛振動、著陸沖擊、發(fā)射載荷等環(huán)境條件約束。

5.2 發(fā)動機數(shù)學(xué)模型建立

設(shè)為雙脈沖發(fā)動機的總沖，1為Ⅰ脈沖總沖，2為Ⅱ脈沖總沖。則有：

12（1）

為雙脈沖發(fā)動機的總裝藥質(zhì)量，1為Ⅰ脈沖裝藥質(zhì)量，2為Ⅱ脈沖裝藥質(zhì)量。則有：

12（2）

1為Ⅰ脈沖平均推力，1為Ⅰ脈沖推力持續(xù)時間，2為Ⅱ脈沖平均推力，2為Ⅱ脈沖推力持續(xù)時間。則有：

c1為Ⅰ脈沖工作期間的質(zhì)量流量，c2為Ⅱ脈沖工作期間的質(zhì)量流量。則有：

5.3 仿真分析

5.3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

利用數(shù)字仿真手段進行導(dǎo)彈雙脈沖能量分配的分析。仿真使用的導(dǎo)彈總體參數(shù)和發(fā)動機總體參數(shù)如下。

5.3.1.1 導(dǎo)彈總體參數(shù)

導(dǎo)彈初始質(zhì)量0=180 kg，導(dǎo)彈直徑=180 mm，彈長=3 650 mm，參考面積=0.024 m2。

5.3.1.2 發(fā)動機總體參數(shù)

發(fā)動機總沖=170 kN·s，發(fā)動機總裝藥質(zhì)量為72.5 kg，Ⅰ脈沖、Ⅱ脈沖最大推力間隔為100 s。

5.3.2 仿真條件設(shè)置

選取典型發(fā)射條件如下：①條件1。發(fā)射高度10 km，速度Ma1.2；目標(biāo)高度10 km，速度Ma0.9；進入角180°，目標(biāo)不機動。②條件2。發(fā)射高度3 km，速度Ma0.8；目標(biāo)高度3 km，速度Ma0.8；進入角180°，目標(biāo)不機動。

5.3.3 仿真結(jié)果及分析

在傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機和不同點火間隔下的雙脈沖火箭發(fā)動機的情況下進行仿真計算，對條件1、條件2的射程、末速、平均速度進行統(tǒng)計，具體如表1所示。

射程、末速、平均速度隨脈沖間隔的變化分別如圖4、圖5、圖6所示。

仿真結(jié)果表明：較傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機，通過調(diào)整脈沖間隔，雙脈沖發(fā)動機可以有效增加導(dǎo)彈的最大攻擊距離；高空彈道較低空彈道影響更為顯著。較傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機，通過調(diào)整脈沖間隔，雙脈沖發(fā)動機會影響導(dǎo)彈的末速；高空彈道導(dǎo)彈末速越來越低；低空彈道在一定條件下末速能夠有效提高。較傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機，通過調(diào)整脈沖間隔，雙脈沖發(fā)動機對導(dǎo)彈平均速度影響較??；隨著脈沖間隔的增加，低空彈道導(dǎo)彈平均速度呈下降趨勢[11]。

表1 不同脈沖間隔對彈道影響仿真結(jié)果

發(fā)動機類型序號脈沖間隔/s射程/km導(dǎo)彈末速/（m/s）平均速度/（m/s）條件1條件2條件1條件2條件1條件2 傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機1 0145179365811 102551 雙脈沖火箭發(fā)動機2 10151189195591 115549 3 20162209015641 112541 4 30182238875871 108529 5 40177268526071 107510 6 50169308336281 105500 7 60161278096421 102483

圖4 脈沖間隔對最大攻擊距離的影響

圖5 脈沖間隔對導(dǎo)彈末速的影響

圖6 脈沖間隔對導(dǎo)彈平均速度的影響

6 結(jié)論

本文以實現(xiàn)中遠距空空導(dǎo)彈增程為目標(biāo)，結(jié)合雙脈沖固體火箭發(fā)動機在某型空空導(dǎo)彈上應(yīng)用的實際問題，開展了空空導(dǎo)彈雙脈沖發(fā)動機能量分配研究。主要研究了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的工作原理、優(yōu)勢特點，介紹其關(guān)鍵技術(shù)，明確了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的總體設(shè)計約束，建立發(fā)動機數(shù)學(xué)模型，進行了發(fā)動機能量分配的研究。雙脈沖發(fā)動機能量分配是在總沖和總裝藥質(zhì)量約束下，研究Ⅰ脈沖總沖1、Ⅱ脈沖總沖2的分配問題，設(shè)計了相應(yīng)的平均推力曲線。研究其分配結(jié)果對導(dǎo)彈總體性能的影響，通過優(yōu)化設(shè)計使導(dǎo)彈總體性能到達最優(yōu)。與傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機相比，雙脈沖固體火箭發(fā)動機在增加射程、提高末速、降低平均速度上均有優(yōu)勢，在提高空空導(dǎo)彈攻擊能力方面有可觀的應(yīng)用前景。

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TJ763；V43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.002

2095－6835（2019）24－0004－04

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕