一種固定能量變深度發(fā)射動力系統(tǒng)

李鵬永，吳戰(zhàn)勝，劉 科，強新偉

(1. 鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015；3. 中國人民解放軍91515部隊，海南 三亞 572016)

0 引 言

1 發(fā)射動力技術(shù)方案

目前國內(nèi)外潛載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)主要通過能量可調(diào)發(fā)射動力系統(tǒng)實現(xiàn)變深度垂直發(fā)射，其中美國潛地導(dǎo)彈“三叉戟Ⅱ”（D5）使用的燃?xì)?蒸汽式動力系統(tǒng)是能量可調(diào)發(fā)射動力的代表[1-3]，同時國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了雙燃?xì)獍l(fā)生器調(diào)能、燃?xì)獍l(fā)生器變喉徑調(diào)能、二次燃燒調(diào)能、氣缸式平衡發(fā)射和電磁彈射等可實現(xiàn)變深度發(fā)射方式的可行性研究[4-6]，上述不同類型變深度發(fā)射動力系統(tǒng)均存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和必須采取主動控制措施實施調(diào)控的問題。國內(nèi)在開展能量可調(diào)發(fā)射動力系統(tǒng)研究的同時，有學(xué)者對固定能量發(fā)射動力系統(tǒng)開展了研究，論證了固定能量發(fā)射動力系統(tǒng)實現(xiàn)變深度發(fā)射的可行性[7-8]。本文在國內(nèi)外變深度發(fā)射技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，開展固定能量變深度發(fā)射動力可行性研究。

1.1 工作原理

1.2 結(jié)構(gòu)組成

基于上述變深度發(fā)射技術(shù)工作原理，同時考慮到燃?xì)?蒸汽式具有發(fā)射環(huán)境好和推進劑可選擇范圍廣的優(yōu)點，結(jié)合集中注水式發(fā)射動力系統(tǒng)，開展固定能量變深度發(fā)射技術(shù)方案研究。發(fā)射動力技術(shù)方案主要由電發(fā)火器、前封頭、燃燒室、后封頭等組成，如圖1所示。后封頭設(shè)計時，將冷卻器與后封頭進行了一體化設(shè)計。后封頭儲水腔起到了集中注水冷卻器的功能，而且具有導(dǎo)流和穩(wěn)定氣流的功能。發(fā)射動力可根據(jù)實際工作布置需求，實現(xiàn)與發(fā)射筒外置并聯(lián)布置、外置串聯(lián)布置方式和內(nèi)置串聯(lián)布置。

1.3 技術(shù)特點

與能量可調(diào)發(fā)射動力系統(tǒng)相比，具有以下特點：

1）發(fā)射動力系統(tǒng)裝藥和冷卻水量固定，通過時間匹配實現(xiàn)自適應(yīng)發(fā)射能量調(diào)節(jié)，無需燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)裝置或冷卻水流量調(diào)節(jié)裝置等復(fù)雜調(diào)能機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單；

2）發(fā)射動力系統(tǒng)無復(fù)雜的調(diào)能結(jié)構(gòu)，占用空間小，可充分利用空間實現(xiàn)與發(fā)射筒外置并聯(lián)布置、外置串聯(lián)布置方式和內(nèi)置串聯(lián)布置等布置方式，亦可實現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生器與水室分開布置；

3）發(fā)射動力系統(tǒng)無復(fù)雜的調(diào)能結(jié)構(gòu)，使用過程中無調(diào)能動作，系統(tǒng)總體可靠性、保障性更好。

2 發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型

2.1 發(fā)射內(nèi)彈道模型建立

為研究固定能量發(fā)射動力系統(tǒng)變深度發(fā)射能力，使用成熟、經(jīng)過試驗驗證的燃燒室壓力方程、流量方程、能量方程、氣體狀態(tài)方程和運動方程，建立發(fā)射內(nèi)彈道方程組[11]。

2.2 發(fā)射內(nèi)彈道方程組

2.2.1 燃燒室壓力方程

燃燒室內(nèi)部壓力計算方程為：

2.2.2 流量方程

進入發(fā)射筒內(nèi)的燃?xì)饬亢屠鋮s水量分別按下式計算：

2.2.3 能量方程

能量守恒方程：

2.2.4 氣體狀態(tài)方程

氣體狀態(tài)方程：

2.2.5 導(dǎo)彈運動方程

導(dǎo)彈運動方程為：

3 發(fā)射內(nèi)彈道計算分析及結(jié)論

根據(jù)上述分析建立的發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型，結(jié)合某戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射約束條件和內(nèi)彈道要求，發(fā)射內(nèi)彈道主要技術(shù)指標(biāo)計算結(jié)果如表1所示，彈道過程曲線如圖2～圖5所示。

表1 發(fā)射內(nèi)彈道特征值Tab. 1 Launching interior ballistics eigenvalue

圖2 速度-時間曲線圖Fig. 2 The velocity-time curves

圖3 加速度-時間曲線圖Fig. 3 The acceleration-time curves

圖4 壓力-時間曲線圖Fig. 4 The pressure-time curves

圖5 溫度-時間曲線圖Fig. 5 The temperature-time curves

從發(fā)射內(nèi)彈道仿真計算結(jié)果可以看出：導(dǎo)彈發(fā)射時，速度、加速度、壓力、溫度等發(fā)射內(nèi)彈道曲線平穩(wěn)。在變深度范圍達到50 m時，導(dǎo)彈出筒速度隨發(fā)射深度變淺呈增大趨勢，出筒速度落在25～30 m/s之間，偏差范圍為，出筒速度偏差范圍較??；導(dǎo)彈過載最大值變化較小，趨于穩(wěn)定，保證了導(dǎo)彈出筒過程中過載特征值的一致性；發(fā)射筒內(nèi)壓力、溫度特征值在變深度范圍內(nèi)隨發(fā)射深度變淺呈減小趨勢，且最高溫度在1 000 K以內(nèi)，發(fā)射熱環(huán)境好。根據(jù)上述內(nèi)彈道分析計算結(jié)果，變深度范圍達到50 m時，出筒速度、發(fā)射過載最大值均有一定余量，變深度能力具有一定拓展空間。同時本文固定能量變深度發(fā)射技術(shù)性能優(yōu)于相關(guān)文獻中固定能量變深度范圍16 m和“三叉戟Ⅱ”（D5）能量可調(diào)發(fā)射動力系統(tǒng)變深度范圍18 m[7-8]。

本文基于固定能量的集中注水燃?xì)?蒸汽式發(fā)射動力系統(tǒng)驗證時間匹配設(shè)計實現(xiàn)變深度發(fā)射的可行性，同時基于時間匹配設(shè)計對固定能量燃?xì)馐桨l(fā)射動力系統(tǒng)亦開展了驗證技術(shù)，可實現(xiàn)大變深度發(fā)射。本文固定能量變深度發(fā)射動力系統(tǒng)已完成設(shè)計，正在生產(chǎn)，后續(xù)將結(jié)合試驗開展實際驗證工作。

4 結(jié) 語

本文在一定假設(shè)條件下和彈道參數(shù)約束條件下對基于時間匹配的固定能量變深度發(fā)射動力系統(tǒng)發(fā)射內(nèi)彈道開展仿真計算，經(jīng)過計算可得出如下結(jié)論：

1）基于時間匹配設(shè)計的固定能量發(fā)射動力系統(tǒng)可實現(xiàn)變深度發(fā)射，變深度范圍達到50 m，且具有一定擴展性，技術(shù)具有一定先進性；

2）基于時間匹配的大變深度發(fā)射動力采用固定裝藥量和冷卻水量設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單，適裝性、可靠性、保障性好等特點，同時可擴展應(yīng)用到固定能量燃?xì)馐桨l(fā)射動力系統(tǒng)設(shè)計；

3）本文的研究基于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射開展，是否可應(yīng)用到戰(zhàn)略導(dǎo)彈，后續(xù)需開展深入論證工作，同時需結(jié)合試驗對該項技術(shù)開展綜合型驗證。