貯運發射箱易碎易裂蓋自動開蓋研究

邵 慶,張保剛,惠衛華,鮑福廷

(1 西北工業大學航天學院,西安 710072;2 上海機電工程研究所,上海 201109)

貯運發射箱易碎易裂蓋自動開蓋研究

邵 慶1,2,張保剛2,惠衛華1,鮑福廷1

(1 西北工業大學航天學院,西安 710072;2 上海機電工程研究所,上海 201109)

為研究導彈發射時格柵式貯運發射箱易碎易裂蓋自動開蓋技術,文中建立了導彈和貯運發射箱二維模型,并求解非定常、雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方程組和RNGk-ε湍流模型方程。結果表明:在格柵干擾下,燃氣射流在沖破后蓋過程中產生了更加強烈的擾動波;擾動波以超音速向前流動,并在前蓋產生壓力峰;擾動波速度和前蓋壓力峰值均與其強度正相關。仿真結果和試驗相符,表明格柵式貯運發射箱自動開蓋技術具有工程應用價值。

發射箱;開蓋技術;易碎易裂蓋;燃氣射流;數值仿真;試驗

0 引言

現代先進戰術導彈普遍采用貯運發射箱(筒)技術,貯運發射箱一般由箱體、前蓋、后蓋和定向器等幾部分構成[1-2]。目前,貯運發射箱普遍采用復合材料實現結構輕量化,特別是前、后蓋主要采用非金屬易碎(易裂)材料[3]。在導彈發射過程中,前后蓋的開蓋技術是導彈發射技術中的關鍵。西方國家主要采用熱發射技術,后蓋一般采用燃氣吹破式,前蓋一般采用彈頭頂破式。前蘇聯和俄羅斯采用冷發射技術,后蓋采用固定式,前蓋采用脹破式[4]。

文獻[4-8]研究了導彈(火箭彈、魚雷等)在(貯運)發射箱內發射的前后蓋的自動開蓋過程。文獻[6]對某型導彈發射時開蓋技術進行了數值模擬和試驗。結果表明,后蓋由發動機燃氣直接沖破,并在開蓋過程中形成擾動波,該擾動波沿著導彈與發射筒之間的間隙向前流動,在前蓋形成壓力峰,將前蓋沖破。文獻[7]研究了后蓋開蓋壓力對前蓋開蓋壓力的影響,前蓋開蓋壓力的設計應依據后蓋開蓋壓力進行,以保證前蓋的可靠開蓋。實際工程中,擾動波的形成及其強弱受到發動機射流強度、后蓋開蓋壓力、貯運發射箱內臨近后蓋空間及其結構、導彈與發射箱的間隙等諸多因素影響。

文中以某型導彈貯運發射箱為背景,研究了格柵式貯運發射箱前后易碎易裂蓋開蓋過程和箱內壓力變化情況。采用非定長CFD方法對貯運發射箱進行了導彈點火后發射初期燃氣流場仿真,仿真表明格柵增強了擾動波的強度,并且擾動波以超音速向前流動,并在前蓋處產生足以打開前蓋的開蓋壓力峰。針對格柵式貯運發射箱易碎易裂蓋開蓋過程開展了試驗研究,試驗中測量了擾動波壓力和傳播時間,前蓋的開蓋時間。試驗結果表明后蓋在發動機燃氣射流作用下直接沖破,前蓋在擾動波作用下正常開蓋;擾動波傳播時間與仿真相符,擾動波強度大于仿真。

1 仿真模型

1.1 控制方程

通過求解非定常、雷諾平均的Navier-Stokes方程的方法對燃氣流場進行數值模擬,其控制方程具體如下[9]:

質量守恒方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

湍流模型采用RNGk-ε雙方程湍流模型方程,其控制方程如下[10]:

采購流程制度中應明確規定各項物資采購的具體流程，加強采購工作的計劃性和實施調整的及時性。比如每月初制定采購計劃、月中更新、月末總結調整。同時在采購工作中應建立定期物資庫存盤點措施，及時把握物資的進貨和庫存數量，保證生產需要，同時有利于采購計劃制定的準確性，這樣可以減少不必要的庫存，促進適時適量采購所需物資。

湍流動能方程:

(4)

湍流動能的耗散率方程:

(5)

其中:

(6)

式中：ρ為密度(kg/m3);u為x坐標軸方向上的流體速度(m/s);p為靜壓(Pa);E為單位質量的內能(J);q為熱通量,q=-λ?T/?x,T為溫度,λ為熱傳導系數;k為湍流動能(J);ε為湍流動能的耗散率;Γ為輸運特性的湍流耗散系數,Γk=μt/σk+μ,Γε=μt/σε+μ,σk、σε為k和ε的湍流普朗特/斯密特數,分別取σk=1.0,σε=1.30,μ為動力粘性系數;μt為湍流粘性系數,用式μt=Cμρk2/ε來計算,其中Cμ為模型常數,取Cμ=0.084 5(m2/s);δij為克羅內克算子;i、j為坐標方向;Cε1、Cε2為模型常數,分別取Cε1=1.42,Cε2=1.68。

1.2 計算模型

為了減少計算量,文中采用了二維軸對稱模型。計算模型主要包括:貯運發射箱箱體、彈體、發動機噴管、前蓋、后蓋、格柵、箱體后蓋外的計算區域等,如圖1。格柵位于后蓋前。模型采用了完全結構化網格,網格總數約為5萬。為了更準確的觀測流場變化情況,在發射箱的前蓋和后蓋之間建立了5個特征面,如圖2所示,5個特征面分別為f-1、f-2、f-3、f-4、f-5,它們的相對位置如表1所示。特征面上的壓力值為壓力在特征面上的平均值。表1中,l為特征面距發射箱前蓋的距離。

圖1 二維軸對稱模型

圖2 導彈與貯運發射筒二維模型示意圖

特征面1特征面2特征面3特征面4特征面5(f-1)(f-2)(f-3)(f-4)(f-5)l/m3.6133.1762.641.4710.302

邊界條件:噴管入口采用壓力入口邊界條件,箱體、彈體、格柵、發射箱前蓋、后蓋采用絕熱壁邊界條件,發射箱后蓋在后蓋開蓋之前為壁面邊界,后蓋在開蓋之后變為內部計算區域,箱體后蓋外的計算區域的外邊界采用壓力出口邊界。

2 計算結果與分析

2.1 后蓋開蓋壓力

貯運發射箱后蓋采用非金屬易碎(易裂)材料,設計有預應力槽,當作用在后蓋上的燃氣壓力超過后蓋承載能力時,后蓋沿著應力槽裂開成預定形狀。文獻[7]中研究了平均壓力在0.064 55～0.211 68 MPa(表壓)范圍內的后蓋開蓋壓力對前蓋開蓋的影響。考慮到過大的后蓋開蓋平均壓力會形成強烈的擾動波,對彈體產生不良影響;并且,后蓋中央的壓力峰值遠高于平均壓力,早已超過后蓋的承受能力。結合工程實際,選擇了0.1 MPa(表壓)的平均壓力作為仿真時后蓋的開蓋壓力。

計算從導彈發動機噴管內開始,燃氣由噴管噴出,經過膨脹壓縮,直接沖擊在后蓋上,在后蓋中央和箱體壁面后端形成高壓區,如圖3所示。圖3給出了有、無格柵兩種情況下后蓋上平均壓力達到開蓋壓力瞬時箱體后部的壓力云圖。格柵已經對后蓋上的壓力分布產生了影響,使得后蓋上的壓力分布產生了波動,并且抬高了峰值。其他區域壓力分布較為相似。

圖3 后蓋開蓋前瞬間壓力云圖

2.2 擾動波的形成

貯運發射箱后蓋開蓋后,格柵對燃氣射流的干擾以及擾動波的形成過程如圖4所示。圖4顯示了擾動波形成中的5個時刻的箱體后部的壓力云圖。1.2 ms時,燃氣流在格柵前方形成強烈的脫體激波;1.5 ms時,在圖中圈出位置形成向發射箱前部流動的高壓區;1.8 ms時,在圖中圈出位置形成有效的擾動波。

圖4 貯運發射箱擾動波的形成

圖5對比了1.5 ms時刻格柵對貯運發射箱后部壓力的影響。格柵打亂了燃氣射流正常的膨脹壓縮的波系結構,并且,在圖中圈出的對照區域內,有格柵的貯運發射箱箱內壓力明顯高于無格柵。

圖6是特征面f-1上平均壓力監測曲線。有格柵的貯運發射箱在該特征面上平均壓力表壓值是沒有格柵的2.1倍。因此,格柵具有明顯增強擾動波強度的作用。

2.3 擾動波的傳播過程

圖7、圖8分別給出了無格柵貯運發射箱和格柵式貯運發射箱f-1至f-5特征面和前蓋的平均壓力變化曲線。圖7、圖8中各曲線的峰值數據及出現時刻分別對應于表2、表3。

擾動波在后蓋開蓋過程中產生,沿著導彈和發射箱的間隙向前流動。各特征面上的平均壓力曲線的峰值依次減小,擾動波在向前流動過程中存在衰減。

無格柵貯運發射箱前蓋上的平均壓力峰值大于各特征面上的峰值。格柵式貯運發射箱后蓋開蓋后,燃氣射流在格柵的作用下產生了比無格柵貯運發射箱更強烈的擾動波,且前蓋上的平均壓力峰值和特征面f-1上的峰值相當。

圖5 格柵對擾動波的影響

圖6 特征面f-1平均壓力曲線

圖7 無格柵貯運發射箱平均壓力曲線

圖8 格柵式貯運發射箱平均壓力曲線

序號特征面絕對壓力/Pa表壓/Pa時間/ms1f-1126058247332.262f-2124100227753.53f-3125380240554.954f-4122867215428.15f-51172821595711.196前蓋1306102928512.5

表3 格柵式貯運發射箱各特征面數據

從表2、表3中可以得到,擾動波在無格柵貯運發射箱內的傳播速度為367 m/s,在格柵式貯運發射箱內的傳播速度為387 m/s,擾動波在貯運發射箱內以超音速向前傳播,傳播速度與強度正相關。

2.4 前蓋壓力

貯運發射箱前蓋在材料上和后蓋類似,要求在設計開蓋壓力下正向沖破,并且具有反向承壓能力。表2中無格柵貯運發射箱前蓋上最大平均壓力表壓為29.3 kPa,表3中格柵式貯運發射箱前蓋上最大平均壓力表壓為51.8 kPa。格柵使貯運發射箱前蓋平均壓力峰值獲得1.7倍的提高。設計前蓋開蓋壓力時,應將上述壓力數值除以安全系數,確保前蓋能夠可靠開蓋。貯運發射箱前蓋采用非金屬材料并要求長期貯存。因此,材料老化、貯存內壓、運輸載荷等不利因素要求前蓋具有一定的結構強度。無格柵貯運發射箱前蓋平均壓力峰值低,對前蓋設計提出了苛刻的要求,而格柵式貯運發射箱前蓋平均壓力峰值高,更加便于前蓋結構設計。

3 試驗與分析

某型號采用格柵式貯運發射箱進行自動開蓋試驗。試驗中采用Odyssey數據采集器進行傳感器數據采集,測試傳感器有斷裂傳感器和壓力傳感器兩種。時間采樣率為10 kHz,壓力采樣率1.5 kHz。各測量通道對應傳感器及其位置見表4,具體布置位置如圖9,各通道測量結果曲線如圖10,各特征位置數據見表5。

表4 測量通道說明

圖9 傳感器布置圖

圖10 自動開蓋過程測量曲線(表壓)

序號特征時刻/ms表壓/kPaCh3Ch41發動機點火0002Ch4最大壓力3953前蓋頂部傳感器斷裂11.3754前蓋根部傳感器斷裂12.61345Ch3最大壓力13142

試驗中的邊界條件與仿真的區別:1)試驗中燃氣射流通過格柵后打開后蓋進入壓力室,然后經排煙道排導出去;仿真中燃氣射流打開后蓋后直接排空;2)試驗中壓力傳感器布置在箱壁附近,反映該點附近的壓力變化,仿真中的壓力為特征面均值。因此,試驗壓力傳感器測量得到的壓力數據大于仿真,其擾動波強度大于仿真。

試驗中的Ch4壓力傳感器布置位置和仿真中特征面f-1位置接近。表5中,序號2和序號3時間差為8.3 ms,序號2和序號4時間差為9.6 ms,前蓋開蓋過程用時1.3 ms。表3中,序號1和序號5時間差為8.58 ms,序號1和序號6時間差為9.6 ms。從擾動波的傳播時間上來說,仿真結果和實驗是一致的。

4 結論

文中基于某型導彈發射過程對貯運發射箱易碎易裂蓋自動開蓋過程進行了CFD仿真,得到了有、無格柵貯運發射箱導彈發射初期箱內壓力動態變化,進行了格柵式貯運發射箱導彈發射試驗驗證,表明文中闡述的格柵式貯運發射箱具有一定的工程應用價值,得到以下結論:

1)對于前蓋脹破式開蓋,其開蓋壓力來自后蓋開蓋過程中產生的擾動波向前流動在前蓋處形成的壓力;

2)在貯運發射箱后蓋前增加格柵,改變了擾動波的形成機理,擾動波更加強烈,擾動波向前流動在前蓋處形成更高的壓力峰;

3)擾動波以超音速在發射箱內向前流動,且壓力峰值越高,速度越快;擾動波向前流動經過每個特征面存在衰減,但在前蓋處形成的壓力峰高于此前的每個特征面;

4)格柵式貯運發射箱易碎易裂蓋自動開蓋試驗中,燃氣流的沖擊和擾動波向前流動在前蓋形成的壓力峰成功完成了后蓋、前蓋的自動開蓋;試驗中測量了部分特征點的壓力數值、時間數據以及前蓋的開蓋時間,試驗中壓力數值大于仿真,時間數據和仿真吻合,試驗在一定程度上驗證了仿真結果。

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Research on Auto-opening Process for the Fragile Cover of Storage and Transportation Launcher

SHAO Qing1,2,ZHANG Baogang2,HUI Weihua1,BAO Futing1

(1 School of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2 Shanghai Electro-mechanical Engineering Institute, Shanghai 201109, China)

In order to study the auto-opening cover technology of the fragile cover of grid type storage and transportation launcher when missile launched, the 2D models of missile and launcher were established, and the unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equation set and RNG k-ε turbulence model equation were solved. The simulation results showed that under the interference of the grille, a more intense disturbance wave was generated when the gas jet broken the post-cover. And the disturbance wave flowed forward at supersonic speed, which formed a pressure peak at the front cover. And the disturbance wave velocity and the peak pressure of the front cover were positively correlated with the intensity. The simulation results were in good agreement with the experimental results, which showed that the auto-opening cover technology of fragile cover of grid type storage and transportation launcher had engineering application value.

launcher；opening cover technology；fragile cover；gas jet；numerical simulation；experiment

2016-08-14

上海航天科技創新基金(SAST201406)資助

邵慶(1982-),男,江蘇句容人,工程師,博士研究生,研究方向:導彈結構強度與發射流場計算。

TJ768.2

A