大水深點(diǎn)火水下助推發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要素研究

范　健，翟章明，林　崧，王旭剛，楊　春

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京　100076)

大水深點(diǎn)火水下助推發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要素研究

范健，翟章明，林崧，王旭剛，楊春

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

摘要：潛射航行體采用大水深發(fā)射方案，能夠有效提高發(fā)射的隱蔽性，但同時(shí)也會對航行體水中段運(yùn)動控制帶來挑戰(zhàn)；通過采用助推發(fā)動機(jī)水下點(diǎn)火結(jié)合推力矢量控制，能夠?qū)叫畜w在水中段和出水過程中的彈道和姿態(tài)進(jìn)行有效控制；通過分析水下助推發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)需求，對發(fā)動機(jī)水下點(diǎn)火工作的原理、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要素開展研究，并給出了明確結(jié)論。

關(guān)鍵詞：水下點(diǎn)火；固體發(fā)動機(jī)；設(shè)計(jì)要素

潛射航行體具有隱蔽性好、機(jī)動性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)水下動力裝置彈射“無控”發(fā)射方式的基礎(chǔ)上，采用發(fā)動機(jī)水下點(diǎn)火并結(jié)合推力矢量控制技術(shù)，可有效控制水下彈道的姿態(tài)，從而可增大航行體的發(fā)射深度，使得航行體的使用性能進(jìn)一步提升[1-3]。

但由于水和空氣兩種介質(zhì)的顯著差異，使得水下點(diǎn)火固體發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)存在較大難度，發(fā)動機(jī)水下工作時(shí)，高溫高速燃?xì)饬魃淙胨信c水發(fā)生強(qiáng)烈的剪切和摻混，相伴著水被高溫高壓燃?xì)饧訜嵫杆倨⒎序v。流場速度跨越低速至亞、跨、超聲速，流體為包含燃?xì)狻⑺鸵簯B(tài)水的復(fù)雜多相流。發(fā)動機(jī)在大水深狀態(tài)下點(diǎn)火，不但水和燃?xì)庀嗷プ饔茫瑫l(fā)生翻卷、頸縮、斷裂等現(xiàn)象，而且高背壓也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)噴口的激波振蕩，進(jìn)一步甚至?xí)⒓げㄍ迫雵姽軆?nèi)部，導(dǎo)致流動分離和推力損失。

因此，水下點(diǎn)火發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮復(fù)雜的水下發(fā)射環(huán)境，并兼容陸上工作狀態(tài)。本文從系統(tǒng)角度對水下點(diǎn)火發(fā)動機(jī)工作原理、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要素進(jìn)行研究，并給出了明確結(jié)論。

1設(shè)計(jì)需求分析

水下助推發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)需根據(jù)總體方案論證時(shí)提出的水下和空中飛行段推力和控制力需求及結(jié)構(gòu)安裝空間、工作剖面等約束條件開展方案論證和分析，選取合適的發(fā)動機(jī)直徑和長度、結(jié)構(gòu)形式、藥型、噴管形式、喉徑、擴(kuò)張比等特征參數(shù)。

經(jīng)梳理，主要設(shè)計(jì)要素可分為如下6類：發(fā)動機(jī)外形尺寸設(shè)計(jì)；水下載荷設(shè)計(jì)；內(nèi)彈道設(shè)計(jì)；推力矢量控制設(shè)計(jì)；噴管設(shè)計(jì)；表面凸起物控制。

水下助推發(fā)動機(jī)的各設(shè)計(jì)要素之間的主要邏輯關(guān)系見圖1，可以看出，各設(shè)計(jì)要素之間存在較為復(fù)雜的交聯(lián)耦合關(guān)系，在選取每個(gè)設(shè)計(jì)特征參數(shù)時(shí)需要綜合考慮多方面影響，在滿足設(shè)計(jì)約束條件的前提下給出綜合性能最優(yōu)的方案。

圖1　水下助推發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)系

2設(shè)計(jì)要素分析

2.1　外形尺寸設(shè)計(jì)

水下助推發(fā)動機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)需求，既可以作為潛射航行體的Ⅰ級動力參與水下和空中一級飛行，也可以僅作為其水中段、出水過程中和出水后空中飛行段助推級分離前的動力裝置，根據(jù)總體性能指標(biāo)優(yōu)劣分析，國內(nèi)外潛射航行體一般采用后一種方式。在此情況下，由于潛艇發(fā)射筒尺寸為固定值，為提高航行體總體性能，水下助推發(fā)動機(jī)軸向長度應(yīng)盡可能縮短，因此在長徑比選擇上需要向小長徑比(L/D<1)方向發(fā)展(圖2)。

通過高推進(jìn)劑的裝填分?jǐn)?shù)，提高固體火箭發(fā)動機(jī)的質(zhì)量比，在體積尺寸受到限制的情況下，保持或提高動力裝置的總體性能。

圖2　水下動力裝置與有效載荷結(jié)構(gòu)關(guān)系

同時(shí)，由于采用水下助推發(fā)動機(jī)點(diǎn)火形式的潛射航行體一般采用無尾罩發(fā)射方式，因此助推發(fā)動機(jī)噴管可以伸入發(fā)射裝置初容室內(nèi)部，不占用有效載荷寶貴的軸向尺寸空間，噴管長度可在空中飛行狀態(tài)發(fā)動機(jī)噴管基礎(chǔ)上大幅度延長，通過結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可在長尾噴管四周布置推力矢量控制裝置等儀器設(shè)備，在軸向長度嚴(yán)格受限的前提下可有效提高動力裝置的裝填密度，進(jìn)而提高運(yùn)載性能。

2.2　水下載荷設(shè)計(jì)

與陸態(tài)發(fā)射的航行體不同，潛射航行體彈射出筒后，在水下高速運(yùn)動過程中，其表面某些部位的壓力會因繞流的作用而降低，當(dāng)流場中這些部位水的壓力低于飽和蒸汽壓時(shí)，流場局部將呈現(xiàn)水汽兩相流動，這標(biāo)志著流場中發(fā)生了空化現(xiàn)象[4，5]。由于空化現(xiàn)象的發(fā)生，以及空泡形成的不對稱性，會使水下發(fā)動機(jī)力學(xué)環(huán)境條件發(fā)生變化，需要承受較大載荷；同時(shí)在航行體出水過程中，攜帶的空泡外側(cè)水層，在大氣壓力和泡內(nèi)壓力共同作用下，向彈體表面加速運(yùn)動，在沖擊彈體表面的瞬間形成空泡潰滅壓力脈沖(圖3)。空泡潰滅壓力分布將對發(fā)動機(jī)表面受力及力學(xué)環(huán)境產(chǎn)生重要影響[6]。

圖3　空化對發(fā)動機(jī)受力影響示意圖

為解決水下載荷問題，工程上一般采用兩種解決方案，一是采用“無保護(hù)發(fā)射”，通過對發(fā)動機(jī)殼體加強(qiáng)提高其承載能力，但殼體的加強(qiáng)會帶來發(fā)動機(jī)質(zhì)量比的下降，進(jìn)而影響全彈性能；二是助推發(fā)動機(jī)增加保護(hù)罩，利用保護(hù)罩承受水下載荷，在出水后有效載荷本體與保護(hù)罩分離，該方案的好處是發(fā)動機(jī)殼體不用直接承受外載荷，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量比，提高性能，但同時(shí)也會損失部分徑向尺寸。兩種方案各有優(yōu)劣，需根據(jù)總體性能指標(biāo)要求在設(shè)計(jì)過程中綜合權(quán)衡。

圖4為分別采用“水下保護(hù)罩”和“無保護(hù)罩”兩個(gè)不同潛射航行體方案示意，前者的動力裝置助推發(fā)動機(jī)暴露在水環(huán)境中，后者的助推發(fā)動機(jī)則在保護(hù)罩中。兩個(gè)方案的助推發(fā)動機(jī)在水下大水深發(fā)射所承受的水下載荷對比見圖5，采用“水下保護(hù)罩”方案的載荷明顯低于“無保護(hù)罩”方案。

圖4　無保護(hù)罩和水下保護(hù)罩動力裝置方案

圖5　兩種方案的發(fā)動機(jī)水下載荷比值

2.3　內(nèi)彈道設(shè)計(jì)

對于小長徑比水下助推發(fā)動機(jī)，由于軸向長度較短，為保證水下推力需求，一般采用在發(fā)動機(jī)底部端面開翼槽以增大燃面的方式，通過調(diào)節(jié)燃速確保水下發(fā)動機(jī)工作時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求。

固體發(fā)動機(jī)在水下工作，噴管出口背壓遠(yuǎn)高于地面環(huán)境壓力。根據(jù)推力

(1)

而在潛射航行體總體設(shè)計(jì)中為了避免水下運(yùn)動速度過高產(chǎn)生空化現(xiàn)象，要求發(fā)動機(jī)工作推力保持在較小的水平。因此，在發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮噴管背壓變化帶來的影響，并且為了保持較為平穩(wěn)的推力輸出，中和水深減小帶來推力增大，一般采用減面燃燒的藥型設(shè)計(jì)(圖7)。

圖6　水下10 m發(fā)動機(jī)推力(推力較小)

圖7　減面燃燒裝藥設(shè)計(jì)

此外，由于水的阻滯作用，發(fā)動機(jī)點(diǎn)火瞬間會產(chǎn)生推力將急劇增大，并在達(dá)到峰值后迅速回落[7，8]，可能導(dǎo)致航行體運(yùn)動的不穩(wěn)定，噴管和推力矢量控制裝置在設(shè)計(jì)時(shí)需避免推力振蕩帶來的沖擊，姿控力設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該將影響考慮在內(nèi)。

2.4　推力矢量控制設(shè)計(jì)

潛射航行體控制一般分為水動舵面控制和推力矢量控制兩種。水動舵面控制主要是通過操控航行體外表面的水動舵面獲取水下控制力，該方式不涉及本文內(nèi)容，在此不再贅述。固體發(fā)動機(jī)推力矢量控制主要是通過改變發(fā)動機(jī)噴流方向獲取控制力，主要分類如圖8所示。

圖8　固體發(fā)動機(jī)主要矢量控制方式

國內(nèi)外已有潛射航行體水下推力矢量控制主要分為固定噴管和擺動噴管兩種型式，其中，固定噴管與擾流片或燃?xì)舛娴妊b置配合使用，改變發(fā)動機(jī)噴流方向。固定噴管結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，并且在水密設(shè)計(jì)和發(fā)動機(jī)彈射承壓防熱設(shè)計(jì)時(shí)較擺動噴管更易實(shí)現(xiàn)，因此在早期型號中使用較多，典型如美國戰(zhàn)斧的水下助推級采用擾流片控制方式。但受其工作原理限制，在推力矢量角需求較大時(shí)，擾流片和燃?xì)舛娣桨妇鶗a(chǎn)生較大的推力損失，且推力矢量角達(dá)到一定程度后，噴管內(nèi)部燃?xì)饬鲿l(fā)生壅塞現(xiàn)象，無法建立超聲速流場，會使得發(fā)動機(jī)推力急劇降低，設(shè)計(jì)中要避免該現(xiàn)象的發(fā)生。

近年來擺動噴管成為主要的發(fā)動機(jī)推力矢量控制方式，其最大優(yōu)勢在于無推力損失并且消極質(zhì)量較低。柔性噴管鑒于其制造工藝的復(fù)雜性，目前主要應(yīng)用于大型噴管，而球窩噴管由于其特殊的構(gòu)造形式，具有很高的環(huán)境適應(yīng)性，較柔性噴管更適合惡劣的水下工作環(huán)境和彈射時(shí)的噴管反向承力條件(圖9)。

圖9　球窩噴管示意圖

2.5　噴管設(shè)計(jì)

2.5.1擴(kuò)張比設(shè)計(jì)

固體發(fā)動機(jī)水下點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，若噴管在水下處于過膨脹工作狀態(tài)，將會出現(xiàn)噴管內(nèi)的流動分離現(xiàn)象，噴管內(nèi)壓力分布發(fā)生變化，近出口處的壓力脈動現(xiàn)象嚴(yán)重，流動的湍流度增加，導(dǎo)致噴管內(nèi)壁熱流增加，發(fā)生防熱材料燒蝕現(xiàn)象。因此，要求助推發(fā)動機(jī)噴管擴(kuò)張比滿足在最大水深時(shí)流動不分離的條件。因此在噴管設(shè)計(jì)時(shí)采用較小的擴(kuò)張比。噴管出口壓力Pe和燃燒室總壓P*見下關(guān)系式，k為出口燃?xì)獗葻岜龋琈a為出口馬赫數(shù)。

(2)

在設(shè)計(jì)選定藥型參數(shù)和出口壓力的情況下，根據(jù)下列關(guān)系式計(jì)算得到噴管擴(kuò)張比。Ae和At分別為噴管出口和喉部面積。

(3)

以60 m水下點(diǎn)火工作，推力需求50 kN為例，噴管擴(kuò)張比僅為2.4左右，若按照常規(guī)噴管設(shè)計(jì)，則噴管出口面積和外露長度都較小，與發(fā)動機(jī)后封頭的推力矢量控制系統(tǒng)安裝空間需求發(fā)生矛盾。因此，可以考慮采用長尾噴管設(shè)計(jì)以滿足伺服系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)要求，但噴管過長又會引起速度損失，從而帶來噴管效率的降低，因此在內(nèi)彈道設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。

此外，助推發(fā)動機(jī)需要兼顧水下段和空中段工作，為保證航行體總體性能，在空中飛行段需要大推力，而若采用小擴(kuò)張比噴管，則噴管出口速度受限，由式(2)和式(3)可知，在燃燒室裝藥和噴管喉徑確定的情況下，發(fā)動機(jī)推力受到限制，無法滿足空中飛行段推力需求。

工程上通常采用兩種手段解決這一矛盾：

1) 采用延伸噴管方案。水下段采用小擴(kuò)張比，空中飛行段利用延伸噴管展開，擴(kuò)張比增大，提高噴管出口速度進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)推力。以60 m水下點(diǎn)火工作，水下推力50 kN為例，空中采用延伸噴管后擴(kuò)張比由2.4增大為12，推力提高至95 kN。推力難以大幅提高的主要原因?yàn)楹韽胶脱b藥不變導(dǎo)致質(zhì)量流率不變，擴(kuò)張比增大后帶來的出口速度增益有限(圖10)。并且，延伸噴管技術(shù)復(fù)雜，成本較高，一般僅用于高空工作發(fā)動機(jī)。

2) 采用“單室雙推”方案。同一個(gè)燃燒室內(nèi)裝填兩種推進(jìn)劑，或者單一推進(jìn)劑兩種藥型設(shè)計(jì)，水下工作段和空中飛行段燃燒室壓強(qiáng)不同，滿足不同時(shí)域內(nèi)推力需求。但由于發(fā)動機(jī)殼體主要依據(jù)燃燒室壓強(qiáng)量值設(shè)計(jì)，大推力段燃燒室壓強(qiáng)高則必然導(dǎo)致殼體厚度增加，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增重，因此兩段裝藥工作壓強(qiáng)差異過大會給發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)帶來較大難度。

圖10　滿足伺服安裝的長尾噴管設(shè)計(jì)

2.5.2防熱設(shè)計(jì)

在某水下助推發(fā)動機(jī)推力矢量控制中采用固定噴管+擾流片方案，擾流片部分遮擋噴管出口面以產(chǎn)生側(cè)向控制力。為確保擾流片的擺動順暢，在擾流片與噴管出口端面之間控制一定間隙。發(fā)動機(jī)和擾流片工作過程中，噴管出口高溫燃?xì)夂徒饘倭Ｗ邮艿綌_流片阻擋后，對該間隙進(jìn)行反復(fù)沖刷，燒蝕噴管出口端面，見圖11。

圖11　擾流片后方噴管出口端面燒蝕

因此，在此類推力矢量控制方案下，噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮將其出口端面采用和內(nèi)壁面相同的耐燒蝕材料，并且在加工時(shí)嚴(yán)格控制噴管出口端面的平面度和粗糙度，考慮發(fā)動機(jī)工作后的變形量，選取合適的間隙量值。

2.5.3堵蓋設(shè)計(jì)

考慮到發(fā)射平臺的安全性，采用固體發(fā)動機(jī)水下點(diǎn)火助推的潛射航行體一般采用無尾罩設(shè)計(jì)，彈射時(shí)噴管堵蓋既要能夠承受一定時(shí)間、壓強(qiáng)和溫度的彈射燃?xì)庾饔茫员苊馔矁?nèi)堵蓋被反向打開后導(dǎo)致發(fā)動機(jī)筒內(nèi)誤點(diǎn)火等災(zāi)難性后果，又要保證燃燒室建壓一定時(shí)間內(nèi)堵蓋可以從正向順利打開。因此，在噴管堵蓋設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮雙向載荷，并經(jīng)過地面試驗(yàn)充分驗(yàn)證其彈射和脫落的可靠性。相對于在空中點(diǎn)火的發(fā)動機(jī)(堵蓋位置一般在喉部)，水下點(diǎn)火發(fā)動機(jī)堵蓋位置一般設(shè)置在噴管擴(kuò)張段，堵蓋在發(fā)動機(jī)點(diǎn)火建壓后脫落，不能對預(yù)深入噴管出口面的推力矢量控制裝置造成損傷(圖12)。

圖12　水下點(diǎn)火發(fā)動機(jī)噴管堵蓋示意

2.6　殼體表面凸起物控制

多級的潛射航行體通常在發(fā)動機(jī)表面設(shè)置電纜罩，在電纜罩內(nèi)敷設(shè)電纜實(shí)現(xiàn)級間電氣連接。電纜罩在發(fā)動機(jī)表面突起，一方面會增加其與發(fā)射筒的適配方案設(shè)計(jì)難度，航行體在水下或空中飛行過程中增加滾轉(zhuǎn)干擾力矩；另一方面，電纜罩為了適應(yīng)水下工作的載荷，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，從而帶來較大的消極質(zhì)量，同時(shí)電纜本身以及電纜的進(jìn)出口還存在水密問題，需要額外考慮密封和防水措施。綜上，水下助推發(fā)動機(jī)在殼體設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)考慮電纜罩下埋，對應(yīng)部位的燃燒室藥柱開槽(圖13)。

圖13　殼體下埋電纜示意圖

3結(jié)論

由于水下環(huán)境的特殊性，水下助推固體發(fā)動機(jī)在常規(guī)固體發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需重點(diǎn)考慮水下發(fā)射帶來的水載荷、水彈道、水下推力矢量控制和防水防熱等問題。本文系統(tǒng)介紹了水下助推發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)要素和關(guān)注點(diǎn)，提出了水下助推發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和具體要求，對后續(xù)水下助推發(fā)動機(jī)研究具有一定指導(dǎo)價(jià)值。

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2015-01-15

作者簡介：范健(1983—)，男，高級工程師，主要從事固體火箭發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.005

中圖分類號：V19;TJ762.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0016-05

本文引用格式：范健，翟章明，林崧，等.大水深點(diǎn)火水下助推發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要素研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(7):16-20.

Citation format:FAN Jian, ZHAI Zhang-ming, LIN Song, et al.Design Element Study on Solid Rocket Motor Working at Great Depth of Water[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):16-20.

Design Element Study on Solid Rocket Motor
Working at Great Depth of Water

FAN Jian, ZHAI Zhang-ming, LIN Song, WANG Xu-gang, YANG Chun

(Beijing Aerospace Systems Engineering Institute, Beijing 100076, China)

Abstract:Underwater-launch at great depth makes vehicle concealable, however the movement control underwater is difficult. By employing trust vector control of underwater solid rocket motor, a stable movement of underwater vehicle can be achieved. This paper studied the theory and characteristics of solid rocket motor working under the water by analyzing design elements of underwater solid motor, and finally suggestions were given on how a well-used underwater solid motor should be built.

Key words:underwater ignition; solid rocket motor; design element

【裝備理論與裝備技術(shù)】