陳慶貴,齊強,周源,趙汝巖
(海軍航空工程學(xué)院,山東煙臺 264001)
燃?xì)猓羝l(fā)射動力系統(tǒng)是潛射導(dǎo)彈實施冷發(fā)射的關(guān)鍵設(shè)備之一。它是以火藥氣體作動力源,以水作冷卻劑和調(diào)節(jié)工質(zhì),形成燃?xì)庹羝旌瞎べ|(zhì)作為推動導(dǎo)彈運動的工質(zhì)。這種發(fā)射動力系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、內(nèi)彈道性能穩(wěn)定,且內(nèi)彈道參數(shù)還可以隨著噴入冷卻水的多少進行調(diào)節(jié),具有廣泛的應(yīng)用范圍[1-2]。
本文從發(fā)射內(nèi)彈道方程出發(fā),并在其基本假設(shè)的基礎(chǔ)上,做了進一步的假設(shè)和簡化處理,建立燃?xì)猓羝麖椛鋬?nèi)彈道優(yōu)化設(shè)計的基本關(guān)系式[1]。
假設(shè)導(dǎo)彈在發(fā)射筒內(nèi)作勻加速運動,則燃?xì)獍l(fā)生器工作時間為

式中:tM為從點火到彈動所需時間;le為導(dǎo)彈行程;ve為導(dǎo)彈出筒速度;ε為選擇較好彈道性能的修正量。
平均加速度系數(shù)


式中:z為摩擦力系數(shù);xk為能量系數(shù);fp為摩擦系數(shù);Pt為發(fā)射筒內(nèi)工質(zhì)氣體壓力;P0為大氣壓力; St為彈橫截面積;ρ為海水密度;h為發(fā)射深度。

燃?xì)夂屠鋮s水的流量規(guī)律以及它們之間的混合比對內(nèi)彈道參數(shù)及其性能的好壞有直接的影響。下面對汽化過程和過熱過程分別推導(dǎo)燃?xì)夂屠鋮s劑的流量規(guī)律以及它們之間的流量關(guān)系。為此,再作如下假設(shè)。

2)使汽化過程的干度滿足如下關(guān)系:

5)發(fā)射筒內(nèi)的燃?xì)狻⒖諝狻⑺魵饩蠢硐霘怏w處理。在上述假設(shè)基礎(chǔ)上,分別討論汽化過程和過熱過程燃?xì)夂屠鋮s水的流量規(guī)律。
1.4.1 汽化過程
冷卻水流量方程為:

式中:Pt為工質(zhì)氣體壓力;St為導(dǎo)彈橫截面積;l0為初始容積當(dāng)量長度;xp為壓力系數(shù);Ts=ts+ 273.15,ts為Pt壓力下的沸騰溫度;Rg為火藥氣體常數(shù);Ra為空氣氣體常數(shù);Rl為過熱水蒸氣氣體常數(shù)。燃?xì)饬髁糠匠虨?

式中:x為干度系數(shù);l為彈運動行程;A1~A7為相關(guān)系數(shù),具體計算公式見參考文獻[1],在此不作詳細(xì)說明。
1.4.2 過熱過程

式中,B1~B7為相關(guān)系數(shù),具體計算公式見參考文獻[1],在此不作詳細(xì)說明。
彈射內(nèi)彈道優(yōu)化設(shè)計是在給定內(nèi)彈道設(shè)計要求和已知彈體參數(shù)、筒體參數(shù)、發(fā)射環(huán)境條件等情況下,通過對發(fā)射系統(tǒng)的工作過程以及導(dǎo)彈系統(tǒng)對發(fā)射系統(tǒng)提出的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能要求進行分析,并綜合考慮內(nèi)彈道設(shè)計方案優(yōu)劣的各項標(biāo)準(zhǔn),確定出最佳發(fā)射內(nèi)彈道的方案,在此基礎(chǔ)上初步確定出發(fā)射動力系統(tǒng)裝置基本設(shè)計參數(shù),然后用內(nèi)彈道方程組來檢驗內(nèi)彈道的主要設(shè)計指標(biāo),并修改有關(guān)結(jié)構(gòu)諸元,直至滿足設(shè)計要求[3]。
對于燃?xì)庹羝l(fā)射動力系統(tǒng),基本設(shè)計參數(shù)如下:
1)燃?xì)獍l(fā)生器有效工作時間t'e;
2)導(dǎo)彈離筒時進入發(fā)射筒的有效燃?xì)饬縨ge及其流量方案mg(t);
3)導(dǎo)彈離筒時進入發(fā)射筒的有效冷卻劑量mle及其流量方案ml(t)。
本文針對某型導(dǎo)彈發(fā)射裝置有關(guān)參數(shù)及內(nèi)彈道指標(biāo)要求進行了內(nèi)彈道設(shè)計并得出了相應(yīng)的參數(shù)。
根據(jù)內(nèi)彈道指標(biāo)要求和內(nèi)彈道設(shè)計的一些參數(shù),利用Matlab語言[4-5]編程進行內(nèi)彈道設(shè)計計算,得到進入發(fā)射筒的燃?xì)饬颗c冷卻水量變化規(guī)律,如圖1和圖2所示。
通過仿真曲線可以得到以下結(jié)論:燃?xì)饬颗c冷卻水量近似呈二次曲線規(guī)律變化,且二者變化趨勢一致。
將所得燃?xì)饬亢屠鋮s水量隨時間的變化規(guī)律代入內(nèi)彈道方程,即可得到導(dǎo)彈在發(fā)射筒內(nèi)的位移、運動速度、加速度隨時間的變化規(guī)律以及發(fā)射筒內(nèi)壓力、溫度隨時間的變化規(guī)律,如圖3~圖7所示。


圖3 位移-時間曲線Fig.3Displacement-time curve
從仿真結(jié)果看,可以得到以下結(jié)論:
1)位移近似呈二次曲線規(guī)律變化,速度近似呈線性規(guī)律變化,說明導(dǎo)彈在筒內(nèi)近似作加速運動。
2)發(fā)射筒內(nèi)的加速度先增大到達(dá)峰值后逐漸減小最后穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。
3)壓力變化規(guī)律與加速度變化規(guī)律相一致,說明加速度主要受筒內(nèi)壓力的影響。
4)發(fā)射筒內(nèi)的溫度一直在升高,這是因為不斷有燃?xì)膺M入筒內(nèi)對導(dǎo)彈做功的緣故。

本文對燃?xì)猓羝l(fā)射動力系統(tǒng)進行了內(nèi)彈道設(shè)計,并對某型導(dǎo)彈進行了內(nèi)彈道設(shè)計計算。所得內(nèi)彈道參數(shù)變化規(guī)律曲線與試驗結(jié)果相吻合,驗證了該內(nèi)彈道設(shè)計模型的正確性,對燃?xì)猓羝l(fā)射動力系統(tǒng)的內(nèi)彈道設(shè)計及發(fā)射動力系統(tǒng)的研制具有一定的參考價值。
[1]趙險峰,王俊杰.潛地彈道導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)彈道學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000.
[2]李咸海,王俊杰.潛地導(dǎo)彈發(fā)射動力系統(tǒng)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1999.
[3]張仁軍.集中注水式發(fā)射動力系統(tǒng)內(nèi)彈道CAD研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2005.
[4]劉衛(wèi)國.Matlab程序設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2006.
[5]周品,何正風(fēng),等.MATLAB數(shù)值分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.