基于某型導彈發射箱蓋毀傷的機理分析*

鄭守峰

(91851部隊 葫蘆島 125001)

基于某型導彈發射箱蓋毀傷的機理分析*

鄭守峰

(91851部隊 葫蘆島 125001)

在導彈發射過程中,發射裝置及附屬設施易受較大程度破壞,論文在對導彈發射裝置毀傷機理進行分析的基礎上,探討了問題發生的原因,并對提高發射裝置使用的可靠性提出了改進措施。

燃氣流; 發射裝置; 毀傷; 機理分析

1 引言

在導彈發射中,燃氣射流常常會對發射裝置以及附屬設施造成損壞的現象。近年來某型導彈的發射情況中多次出現發射裝置及附屬設施被燃氣射流破壞的現象。其中較為嚴重的三次為: 1) 發射箱蓋與發射箱連接固定部件一側折斷、一端嚴重變形,發射箱蓋旋轉約90°; 2) 安置在發射裝置側面的組合天線支撐桿根部斷裂倒地,組合天線摔壞; 3) 發射箱蓋與開關蓋機構連接的連桿斷裂,發射箱蓋與發射箱的鉸鏈連接損壞,發射箱蓋被燃氣流吹飛,砸壞電氣信號電纜芯線及電纜插座。針對這類問題,本文對問題發生的機理進行分析,探究問題發生原因,并采取相應的改進措施。

2 發射裝置損壞現象的機理分析

2.1 燃氣射流對物體的沖擊效應

導彈的動力裝置都是基于反作用原理產生推力的,因此必然出現發動機的大量高速高溫燃氣要從噴管中噴射出來的現象,于是產生了燃氣射流。燃氣射流在發射技術中是一種不利因素,它對發射陣地、地面或艦面設備尤其是發射裝置、附屬設備以及發射初始精度等都將產生不同程度的影響[1]。

導彈發射狀態時,燃氣射流影響主要表現在:

1) 導彈在發射裝置上滑行時,燃氣流對發射筒(箱)內壁造成破壞及對彈體造成一定影響;

2) 導彈離開發射裝置后,燃氣流對發射裝置及附屬設備產生的沖擊效應;

3) 發射裝置后方燃氣流對環境的沖擊等。

2.2 物體在正面氣體作用下氣動載荷確定的一般方法

物體的垂直于氣流方向的總的氣動載荷取決于物體相對氣流方向的正面迎風面積和氣流動壓頭在整個面積上的分布規律[2]。忽略導彈飛行速度以及燃氣射流與發射裝置干擾對流場壓力的影響,根據燃氣自由射流的經驗估算法,燃氣流場內任一點(x,r)的傳感器總壓可用下式表示:

q(x,r)=ae-b2r2

(1)

式中,x為沿燃氣射流中心線由噴口截面開始度量的距離;r為射流中任意一點到對稱軸的垂直距離;a、b為根據x的范圍選取的系數。

若在射流中放置任意形狀的物體,且其正迎風面亦可表示為x和r的函數,即

S=S(x,r)

(2)

那么,此時物體所受總的氣動力為

(3)

2.3 燃氣射流對平板的斜沖擊

為了方便對發射箱開關蓋機構受損機理的分析,先討論燃氣射流對平板的斜沖擊。燃氣射流對平板的斜沖擊的總載荷是有關燃氣流的強沖擊問題的重要參量。這一載荷的主要分量是由表面壓力所引起的垂直于平板的力[3]。

圖1中給出了流場、控制體以及有關的符號?？刂企w兩側選在離噴管很遠的地方,以致那里的流動可以看作平行于平板。

忽略因卷吸流過各表面而引起的動量通量和表壓并設噴管流量是軸對稱的,噴口壓力和動量是沿著射流軸線方向,用φ表示它們和的大小,垂直于平板的分量為φsinθ,這樣,如果Fi為沖擊壓力對平板的垂直作用力,那么在垂直于平板的方向上有:

Fi-(paAc-paAesinθ)=φsinθ

(4)

式中,Ae為噴口面積;pa為環境壓力。

若將平板背面的壓力取成大氣壓,那么凈垂直力變為

F=Fi-paAc=φsinθ-paAesinθ

(5)

根據噴管噴出氣流是軸對稱的假設,則有

(6)

式中,α為氣流流動中心線的當地傾角;ρ為燃氣密度;v為燃氣速度。

圖1 燃氣射流對斜板的沖擊流場1-控制體;Ac-控制體在斜板上的面積;Ae-噴口面積

(7)

3 燃氣射流對發射裝置毀傷現象的機理分析

本文僅以發射箱蓋被吹飛的現象為例對燃氣射流破壞機理進行分析,結合相關文獻[5]數據得出以下分析。

具體現象:發射箱前蓋與開蓋電機相連的拉桿斷裂、開蓋電機保護限位塊的鉤形限位槽被拉大、連接電機和拉桿的軸有少許彎曲變形、箱蓋與發射箱連接鉸鏈破壞、箱蓋吹飛、電氣信號電纜插座被箱蓋碰砸變形、助推器點火電纜芯線被砸斷。

導彈發射裝置受到破壞是多種因素綜合作用的結果。相關文獻表明[7～8],主要原因是助推級推力偏心、裝藥燃速快、推力加大以及發射箱開蓋角度過大等因素綜合作用引起的。顯而易見,這種破壞是可以避免的,究其發生的原因,主要有以下幾個方面:

1) 設計時對導彈發射產生的燃氣射流對部件的破壞作用的實際效果估計不足,據研制單位介紹,發射裝置開關蓋機構的設計只是在工作需要的基礎上,再按照經驗選取一定的保險系數。因此,對不同型號導彈的特殊性能缺乏充分估計和考慮,造成了很大的安全隱患。

2) 在設計過程中對助推級推力偏心,最大極限推力考慮不足,推力偏心及推力增大的同時增加了燃氣射流對發射裝置的沖擊破壞作用。

3) 在結構設計中,充分考慮導彈飛離發射箱的安全性后加大了發射箱開蓋角度,但忽略了由此而產生的發射箱蓋平面受到燃氣射流沖擊力增大帶來的負面影響[7]。

4) 某些附屬設備在設計階段只考慮了自然環境因素的影響,沒有考慮導彈發射本身產生的影響。例如在某型導彈發射裝置側面安裝的組合天線的設計時,只考慮了風速帶來的影響,而沒有考慮燃氣射流帶來的影響。

4 解決措施及建議

4.1 解決措施

綜上所述,針對該問題,采取加強連桿強度方案,更改原拉桿材料為45#鋼并進行調質處理,同時將其長度改為螺紋可調整式,降低箱蓋的開啟角度,其開蓋角度由原來的96°降為91°,以減輕燃氣流對發射箱蓋平面的垂直沖擊力。并根據計算結果對箱蓋其余薄弱部分進行了加強,將曲柄、鉸鏈座、電機限位塊都進行了形狀、材料和固定等改進以提高強度,設計裕度較原來提高了4倍。經后續試驗證明改進措施正確有效。

4.2 改進建議

由此可見,只要設計時充分考慮了上述各點,就會使造成的損害得以避免或將其降低到最低限度。參考相關文獻[9～10],建議在以下方面進行改進:

1) 在按照經驗選用設計保險系數的工作中,利用仿真技術及測量等手段,獲取具體型號導彈實際設計時所需要的數據資料,盡可能使設計工作與實際使用情況保持一致。

2) 全面充分考慮燃氣流對發射裝置及附屬設施的作用效能,尤其是各系統技術指標的邊界條件數據。例如上面提到的助推級推力偏心極限以及+60℃時的最大推力,確保被設計系統或結構在系統中相關設備處于極限工作狀態時有足夠的抗損毀能力。

3) 在結構設計中綜合考慮工作環境,除了保證工作需要外,還應兼顧安全可靠性要求,例如前面所述,發射箱蓋開啟角度的大小既要考慮導彈安全飛離發射箱的要求,還要考慮受到燃氣射流沖擊作用要盡可能小。

4) 對某些附屬設施的防護,在考慮自然環境影響的情況下,還要重視導彈發射過程本身諸多因素對其造成的影響。

5 結語

對受損設施本身及其毀傷原因進行分析,可以發現受損部位大多不是發射裝置的主體結構,多屬于輔助或附屬設施。因此,設計應充分考慮主要結構之外的其它設施的抗損毀能力。只要我們對導彈的工作環境和發射條件進行充分研究,并采取相應的防護措施以提高導彈發射裝置及其附屬設施在導彈發射過程中的抗損毀能力,從而提高發射裝置的使用可靠性。

[1] 高明坤.火箭導彈發射裝置構造[M].北京:北京理工大學出版社,1996.

[2] 姚昌仁.火箭導彈發射動力學[M].北京:北京理工大學出版社,1996.

[3] 呂佐臣.飛航導彈發射裝置[M].北京:宇航出版社,1996.

[4] 李建明,徐航.穿甲彈對主戰坦克毀傷的計算分析方法[J].彈道學報,1998(1):223-225.

[5] 秦德祿.中國新型導彈發射車[J].現代兵器,2005(5):57-61.

[6] 宋浦,肖川,梁安定,等.炸藥空中與水中爆炸沖擊波超壓的換算關系[J].火炸藥學報,2008(4):135-142.

[7] 曹兵.破片對巡航導彈燃油艙沖擊引燃的實驗研究[J].火炸藥學報,2008(6):67-73.

[8] 姚文進,王曉鳴,李文彬,等.低附帶毀傷彈藥爆炸威力的理論分析與試驗研究[J].火炸藥學報,2009(2):44-46.

[9] 王曉強,朱錫.艦船用鋼抗彈道沖擊性能研究綜述[C]//2009年船舶結構力學學術會議暨中國船舶學術界進入ISSC30周年紀念會論文集,2009:543-547.

[10] 王林,李曉輝,劉永付,等.基于比動能標準的戰斗部殺傷威力評價方法研究[C]//2012航空試驗測試技術學術交流會論文集,2012:612-615.

Mechanism Analysis of Certain Missile Launching Tank Cover Damage

ZHENG Shoufeng

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

In the process of the launching missile, launching equipment and ancillary facilities are easy to be damaged at the greater degree. This essay discusses the reasons of the problems, which are based on mechanism analysis of the missile launching tank cover damage, and puts forward the measures for improving the reliability of the launching missile.

gas flow, launching equipment, damage, mechanism analysis

E927

2016年8月19日,

2016年9月30日

鄭守峰,男,助理工程師,研究方向:雷達工程及靶彈控制技術。

E927

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.037