某導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

羅欣健，王輝，樂貴高，張英琦

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094;2.航天科技集團(tuán)第七研究院研發(fā)中心，四川成都 610100）

武器系統(tǒng)的發(fā)射一般包括3個(gè)方面的內(nèi)容:發(fā)射基點(diǎn)、發(fā)射姿態(tài)以及發(fā)射動(dòng)力。垂直發(fā)射指的是發(fā)射姿態(tài)，而彈射則是指發(fā)射動(dòng)力。垂直發(fā)射方式以前應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)，由于應(yīng)用垂直發(fā)射技術(shù)使得導(dǎo)彈系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力好、發(fā)射效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉等特點(diǎn)，自20世紀(jì)60年代起，各國(guó)爭(zhēng)相展開該系統(tǒng)的研究［1］。本文根據(jù)導(dǎo)彈尺寸及相關(guān)要求對(duì)垂直發(fā)射裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中避免了發(fā)射導(dǎo)彈對(duì)鄰箱導(dǎo)彈的觸發(fā)式點(diǎn)火等情況的發(fā)生，并依據(jù)有限元軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核。

1 垂直發(fā)射的背景與發(fā)展

1.1 艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射的背景

導(dǎo)彈的垂直發(fā)射并不是新概念。多年來，“北極星”和“海神”導(dǎo)彈就是由潛艇從水下拋出，并垂直發(fā)射的［2］。陸基的洲際彈道式導(dǎo)彈也是直立于地下井中，準(zhǔn)備隨時(shí)發(fā)射。有人和無人操縱的人造地球衛(wèi)星也都是垂直發(fā)射。然而，垂直發(fā)射通常用在大型、戰(zhàn)略或航天的導(dǎo)彈，這些導(dǎo)彈既不需要、也不適合用可熟練操縱的機(jī)械發(fā)射裝置。最近，由于慣性儀表靈敏度的改進(jìn)及其尺寸的減小和成本的降低，使得垂直發(fā)射應(yīng)用在較小的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上的可行性大大增加［3］。現(xiàn)在看來，垂直發(fā)射高性能的導(dǎo)彈，在發(fā)射速度和戰(zhàn)術(shù)靈活性方面均將獲得明顯的提升。由于敵人高性能的飛機(jī)和導(dǎo)彈飽和襲擊的威脅，以及縮減軍事預(yù)算的現(xiàn)狀，在降低成本的同時(shí)，改進(jìn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的快速反應(yīng)能力已成為當(dāng)務(wù)之急。

1.2 艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射的優(yōu)勢(shì)

a）節(jié)約時(shí)間

由于垂直發(fā)射裝置用不著把時(shí)間花費(fèi)在裝填或瞄準(zhǔn)上，因此可以預(yù)料，發(fā)射速度會(huì)是相當(dāng)快的。這種發(fā)射方法不僅幾乎能同時(shí)發(fā)射幾枚導(dǎo)彈，而且直到彈倉(cāng)用完，能夠始終維持這樣快的發(fā)射速度。

b）定位范圍廣

導(dǎo)彈垂直發(fā)射具有無發(fā)射盲區(qū)、空間緊湊、模塊化裝填等優(yōu)點(diǎn)，是大型艦載平臺(tái)比配的武器裝備。

c）安全性高

發(fā)射裝運(yùn)箱垂直地隱藏在艦體中，直到發(fā)射時(shí)，它們對(duì)來自敵方的破壞都可得到最大的保護(hù)。

1.3 艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射的發(fā)展趨勢(shì)

目前，各海軍強(qiáng)國(guó)不斷加大對(duì)艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)的科研投入。以通用化和模塊化為方向，使垂直發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、全壽命周期費(fèi)用少，實(shí)現(xiàn)多種彈型共架發(fā)射，冷、熱發(fā)射方式的導(dǎo)彈共架發(fā)射。主要有以下幾種:1）共架發(fā)射技術(shù);2）大傾角冷發(fā)射技術(shù);3）同心筒發(fā)射技術(shù)。

2 垂直發(fā)射機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 垂直發(fā)射方式的方案選擇

根據(jù)導(dǎo)彈的尺寸主要技術(shù)參數(shù):導(dǎo)彈長(zhǎng)7 m、彈半徑320 mm、彈重850 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)推力85 kN，以4聯(lián)裝為一個(gè)單元，安裝總高度不大于8 m，導(dǎo)彈模型見圖1。

圖1 導(dǎo)彈模型圖

實(shí)現(xiàn)艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射目前有兩種方式:同心筒發(fā)射和公共排導(dǎo)發(fā)射。燃?xì)饬鞴才艑?dǎo)是當(dāng)今艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置最為常用的一種燃?xì)馀艑?dǎo)模式，而同心筒技術(shù)則是近年來新興的一種垂直發(fā)射技術(shù)。從結(jié)構(gòu)特性入手，對(duì)兩種類型發(fā)射裝置的多項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析和比較，同心筒技術(shù)在燃?xì)馀艑?dǎo)性能、可靠性、安全性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，而采用公共排導(dǎo)技術(shù)的發(fā)射裝置在備彈量、適裝性等指標(biāo)方面占優(yōu)［4］。兩種技術(shù)各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用要求以及不同的裝艦對(duì)象區(qū)別應(yīng)用。本文選擇公共排導(dǎo)垂直發(fā)射方式。

2.2 垂直發(fā)射機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

a）發(fā)射箱與排焰道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)射箱如圖2所示，用于裝載和儲(chǔ)存導(dǎo)彈，垂直地隱藏在艦體中直至發(fā)射，它們對(duì)來自敵方的破壞都可得到最大的保護(hù)。排焰道用于導(dǎo)出導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)尾部射出的熱流，防止氣流干擾。

圖2 發(fā)射箱與排焰道的機(jī)構(gòu)模型

b）隔離防護(hù)裝置與導(dǎo)流錘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隔離防護(hù)裝置在鄰箱導(dǎo)彈放射時(shí)，阻隔氣流，防止對(duì)本箱導(dǎo)彈造成影響。導(dǎo)流錐設(shè)計(jì)成圓弧形，有利于將氣流導(dǎo)向排焰道，實(shí)現(xiàn)公共排導(dǎo)。

在圖3中，上圖為隔離防護(hù)裝置，下圖為導(dǎo)流錐。

圖3 隔離防護(hù)裝置與導(dǎo)流錘的機(jī)構(gòu)模型

c）閉鎖擋彈裝置與適配器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)射箱中有4個(gè)閉鎖擋彈裝置，儲(chǔ)存導(dǎo)彈時(shí)用于托住4個(gè)柱腳，起固定支撐作用。

適配器安裝在導(dǎo)彈體上，用于填充導(dǎo)彈與發(fā)射箱之間的間隙，適配器背面有凹槽，與發(fā)射箱內(nèi)導(dǎo)軌配合，導(dǎo)引導(dǎo)彈在膛內(nèi)的線路，提高精確性。

在圖4中，左圖為閉鎖擋彈裝置，右圖為適配器。

圖4 閉鎖擋彈裝置與適配器的機(jī)構(gòu)模型

d）四聯(lián)裝發(fā)射箱

圖5所示為四聯(lián)裝發(fā)射箱結(jié)構(gòu)模型。

圖5 四聯(lián)裝發(fā)射箱的機(jī)構(gòu)模型

3 垂直發(fā)射機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核

導(dǎo)彈發(fā)射瞬間，發(fā)射裝置在高溫、高壓燃?xì)庾饔玫膼毫庸r下工作，有關(guān)垂直發(fā)射裝置的燃?xì)馀艑?dǎo)問題一直受到廣泛關(guān)注，燃?xì)馀艑?dǎo)問題是該機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核的關(guān)鍵。

3.1 有限元建模

線性靜力分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)。靜力分析求解承受靜力載荷（包含由定常加速引起的平衡慣性載荷）作用于結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題，所采用的基本有限元方程為: ［k］{u}={p}

式中，［k］為結(jié)構(gòu)的彈性剛度矩陣;

{u}為結(jié)點(diǎn)廣義位移向量;

{p}為結(jié)點(diǎn)載荷向量。

上述全結(jié)構(gòu)的剛度矩陣［k］是按全部結(jié)點(diǎn)（含標(biāo)量點(diǎn)）的全部自由度裝配而成，對(duì)應(yīng)的位移集稱為g集，相應(yīng)的剛度矩陣稱之為［k］，該矩陣往往可能是奇異的，不能直接被分解。一股需進(jìn)行如下運(yùn)算:

1）多點(diǎn)約束減縮（MPC），消去線形相關(guān)自由度（可選的）;

2）M單點(diǎn)約束減縮（SPC），消去剛體運(yùn)動(dòng)自由度;

3）靜力減縮（OMIT），減少求解問題的規(guī)模（可選）;

4）自由體支持（SUPORT），分析慣性卸載問題。

三維實(shí)體模型及其有限元網(wǎng)格與材料模型仍然采用模態(tài)分析中的模型［5］。邊界條件中的邊界約束為底部固定，載荷施加根據(jù)實(shí)際工作中的條件而定。

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

導(dǎo)流錐圓弧面受導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的沖擊集中力，受力大小為80 kN，利用ABAQUS CAE計(jì)算應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 導(dǎo)流錐網(wǎng)格劃分與應(yīng)力云圖

當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，密封蓋用于防止鄰箱氣流對(duì)本箱導(dǎo)彈造成影響。密封蓋受導(dǎo)流錐反射的沖擊，極限壓強(qiáng)為8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，校核其強(qiáng)度如圖7所示。

圖7 密封蓋網(wǎng)格劃分與應(yīng)力云圖

校核結(jié)果可以從應(yīng)力圖上看出，應(yīng)力最大值為8.690 kgf/mm2，圖中各節(jié)點(diǎn)及單元的應(yīng)力大小均在可承受范圍內(nèi)，符合強(qiáng)度條件。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置，初步設(shè)計(jì)了相對(duì)較完善的垂直發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)單元。在完成裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)垂直發(fā)射裝置的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，經(jīng)校核，該機(jī)構(gòu)完全符合相關(guān)強(qiáng)度要求。

［1］徐悅，張振鵬，陳小慶.艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射技術(shù)研究進(jìn)展［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載術(shù)，2007（3）:22-25.

［2］姜毅，郝繼光，傅德彬，等.新型引射同心筒垂直發(fā)射裝置理論及試驗(yàn)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2008（1）:236-241.

［3］朱軍.艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置的新進(jìn)展［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2002（8）:40-45.

［4］西北工業(yè)大學(xué)、南京航空學(xué)院、北京航空學(xué)院合編.氣體動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

［5］莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.