基于多燃氣動力的水下變深度發射內彈道

何小英,彭雪明,王惠軍

(北京機械設備研究所,北京 100854)

為了提高潛艇的快速反應能力,減少導彈發射前的準備時間,潛射導彈大約從20世紀70年代開始廣泛采用變深度發射技術,即在不同的水下深度均可實施導彈發射。

導彈在水下發射時,其出筒過程直接決定了導彈出筒后的水中運動過程,從而決定了導彈的出水姿態,而導彈的出水姿態直接關系到發射任務的成敗。導彈在水下變深度發射時,需要彈射動力系統能夠適應不同深度的水壓環境,將導彈按照一定的速度發射出筒[1-2]。

水下發射方式主要分為燃氣-蒸汽彈射和燃氣彈射2種。燃氣-蒸汽彈射方式通過水室來調節燃氣和蒸汽的輸出能量,其變潛深能力明顯受限于儲水量,如美國“海神”、“三叉戟Ⅰ”導彈的變深度發射范圍為16.3～34.3 m,對應最大發射速度為27.8 m/s和23.1 m/s。燃氣彈射方式通過燃氣膨脹做功推動導彈運動,其彈射動力系統一般采用單個燃氣發生器,故輸出能量固定,使導彈出筒速度隨著發射深度的增加而減小。當出筒速度無法保證導彈出水后的姿態時,當前深度便無法進行水下發射[3-4]。

本文基于燃氣彈射方式進行變深度發射研究,提出一種多燃氣發生器組成的彈射動力系統方案,給出其內彈道計算方法,仿真結果表明可以在變深度發射范圍內滿足導彈出筒速度要求。

1 多燃氣發生器彈射動力系統

本文提出的彈射動力系統方案由多個燃氣發生器和點火電路組成,如圖1所示[5]。

圖1 彈射動力系統的組成

燃氣發生器作為火藥燃燒、生成燃氣的高壓室。發射筒體的彈后空間是一個由多個燃氣發生器生成燃氣混合、膨脹和做功的低壓室。多個燃氣發生器共用一個低壓室,由已有燃氣和接力燃氣混合作用形成發射驅動力。

點火電路與燃氣發生器的點火元件一一對應連接,可以控制不同個數的燃氣發生器按照點火時序依次點火,且保證不工作的燃氣發生器不發生意外點火。

在導彈發射深度不同的情況下,可以通過在不同時序點燃不同個數的燃氣發生器,得到不同的內彈道輸出能量,使其輸出的多股混合燃氣對導彈做功,得到滿足指定要求的出筒速度等內彈道指標。

2 水下發射的內彈道計算模型

本文針對的水下發射方式為采用筒口密封的干式發射,且發射時潛艇為靜止狀態。在發射前筒內充滿均壓氣體,發射出筒瞬間密封膜爆裂,導彈穿越氣液界面入水。

2.1 水下阻力模型

彈體在發射筒內運動時受到的作用力包括重力、發射驅動力和阻力。發射驅動力由發射筒底部燃氣壓強產生。阻力包括迎水面上產生的水壓阻力,還包括發射筒壁面、發射筒內氣體及海水等作用于彈體表面的運動摩擦阻力。

水下發射環境極其復雜,在導彈出筒過程中彈體被燃氣、海水甚至空泡等多種因素組成的混合流場包圍,在數值計算中難以一一模擬[6]。通常可利用試驗中實測的水下彈道數據,得到導彈所受的水動阻力。

彈體在發射筒內的運動方程表示為

(1)

式中:m為導彈質量;v為導彈在發射筒中的運動速度;A為低壓室截面積;A1為彈體底部面積;p為低壓室壓力;g為重力加速度;μmg為彈體與筒壁摩擦阻力,表示為導彈重力的倍數。pa為彈體所處深度受到的靜水壓力,運動過程中隨位移變化,表示為ρwgH,ρw為水密度,H為發射深度。pb為不考慮空泡效應時的流體摩擦壓力和彈頭部的壓差阻力之和,可表示為0.5ρwv2C,C為阻力作用系數,與彈體外形和運動速度有關。

2.2 內彈道方程

內彈道方程基本假設如下:

①假設燃氣發生器內燃氣和發射筒內工質均勻分布,從而燃氣發生器內和發射筒內沿軸向各處的壓強、密度、溫度是均一的;

②假設燃氣的成分、物理化學性質是固定不變的,從而爆溫、絕熱指數、比熱等均為常量;

③在燃氣發生器內燃氣無流動,燃氣在噴管中為一維絕熱等熵流動;

④假設裝藥在表面溫度達到臨界燃燒溫度時,瞬時全面點燃,裝藥的燃燒服從幾何燃燒定律,并且燃燒是均勻的、完全的;

⑤燃氣發生器中引入能量損失系數、流量系數以及燃速系數,以修正由于結構對發生器內彈道的影響。

每個燃氣發生器的高壓室各自獨立。其內彈道方程由質量守恒方程、能量守恒方程、狀態方程組成。低壓室的燃氣作為能量系統,有燃氣流入,不考慮燃氣流出和傳熱。流入低壓室的燃氣能量用來做功和低壓室升溫[5]。

例如,各燃氣發生器的質量守恒方程為

(2)

式中:下標i表示燃氣發生器的編號;ρi為燃氣密度;Vi為燃氣發生器內體積,Min,i為燃氣發生器中的主裝藥燃氣生成率,表示為ρSu,ρ為火藥密度,S為火藥燃面,u為燃速。

Mout,i為燃氣發生器經噴管流出的燃氣流率。噴管中的流動為等熵流動,流速可能有2種情況:超音速或亞音速。流率計算按照如下判斷:

式中:φ為流量系數,pi為燃氣發生器內壓強,At為噴管喉部截面積,Ti為燃氣發生器內燃氣溫度,k為燃氣比熱比,R為燃氣氣體常數。

聯立求解高壓室方程、低壓室方程和導彈運動方程組成的常微分方程組,可獲得所有內彈道參數的時間變化曲線。

3 多工況的內彈道仿真方法

求解多燃氣發生器內彈道方程組的過程中,涉及的主要參數分為環境參數、筒彈參數、裝藥參數和發生器參數。與單一燃氣發生器的內彈道相比,多燃氣發生器的內彈道求解增加了發生器參數(包括發生器個數和點火時序),作為求解對象。

多工況的內彈道仿真需要求解得出一組合適的裝藥參數、發生器參數,同時滿足所有工況的內彈道指標要求。

為簡化計算,可以假定發生器個數為N,且每個燃氣發生器具有相同的結構尺寸,使用相同的藥型,即具有互換性,則N個燃氣發生器的裝藥參數相同。

假設發射深度為H1～H2,則內彈道仿真流程圖見圖2所示,具體計算步驟如下:

①首先計算最大深度H2的工況,此時需要根據工程經驗確定裝藥參數的初值,然后經過多次求解內彈道方程組,最終確定一組滿足發射要求的裝藥參數和點火時序。要保證最大深度處進行水下發射時,N個燃氣發生器都點火工作;

②其次計算最小深度H1的工況,此時裝藥參數已經由步驟1確定,僅需要確定發生器個數N1(最小深度時所有發生器不一定均點火工作,故有0

對于任意中間深度的工況,此時裝藥參數已經由步驟1和步驟2確定,在深度上限和下限都能滿足的前提下,一定能計算出一組滿足要求的發生器個數N2(0

圖2 多工況的內彈道仿真流程圖

4 不同深度的發射工況仿真

為了保證導彈出筒后的水中彈道平穩,不同深度發射的出筒速度要求一般分2種情況,一種是出筒速度要求一致(v′1),另一種是出筒速度要求不同(v′2),最小水深時速度較低,最大水深時速度較高。

選定筒彈參數、發射深度和內彈道要求進行變深度發射內彈道仿真[7]。3種不同深度H分別為20 m,40 m,60 m,環境溫度和彈質量參數均相同。假定N=3,出筒速度v′要求如表1所示。

表1 不同發射工況的出筒速度要求

經過內彈道仿真,可得到一組滿足以上6種發射工況的彈射動力系統,共包含燃氣發生器3個,在3種深度均需要點燃所有發生器,僅存在點火時序的差別。

4.1 不同深度發射的出筒速度要求一致

在不同深度發射時,通過調節3個燃氣發生器的點火時序,可以得到較為一致的出筒速度,滿足21 m/s±1.5 m/s的要求。3種發射深度工況仿真的點火時序、出筒速度和筒壓峰值結果見表2。筒壓均為發射筒相對初始均壓值的壓力。

表2 不同深度發射工況出筒速度要求一致的仿真結果

3種發射深度工況仿真的出筒速度曲線對比圖見圖3,發射筒壓強曲線對比圖見圖4。

圖3 不同水深時出筒速度要求一致的速度曲線

圖4 不同水深時出筒速度要求一致的發射筒壓強曲線

4.2 不同深度發射的出筒速度要求不同

在不同深度發射時,通過調節3個燃氣發生器的點火時序,可以得到隨深度增加的出筒速度,滿足表1的要求。3種發射深度工況仿真的點火時序、出筒速度和筒壓峰值結果見表3。

表3 不同發射工況的出筒速度要求

3種發射深度工況仿真的出筒速度曲線對比見圖5,發射筒壓強曲線對比見圖6。

圖5 不同水深時出筒速度要求不同的速度曲線

圖6 不同水深時出筒速度要求不同的發射筒壓強曲線

4.3 仿真結果分析

從圖3～圖6的仿真曲線可以看出,3個燃氣發生器在出筒過程中接力點火,使發射筒壓強曲線在成功建壓后保持在某個壓強值附近(圖中約為0.3 MPa)上下波動,避免了單一發生器彈射時經常出現的較高壓強峰,大大降低了發射過載和沖擊。

可以推論:隨著發生器個數的增加,筒壓曲線的波動范圍將更小,更接近一個穩定的發射筒壓強值,而這正是內彈道設計的理想目標。如圖7所示,60 m水深發射時使用5個發生器依次點火,發射筒的壓力峰可由0.5 MPa降低到0.4 MPa。

圖7 60 m水深時5個發生器組合的發射筒壓強曲線

速度曲線隨著壓強波動也保持波動上升趨勢,在仿真過程中保證了導彈過載全程不低于某個正值,不至于使導彈速度出現下降現象。由表2和表3可知,在20～60 m的深度范圍發射,可以通過調節3個燃氣發生器的點火時序,得到18.9 m/s±3.4 m/s的出筒速度調節范圍。

5 結論

本文提出了一種多燃氣發生器組成的彈射動力系統方案,建立了水下發射的內彈道計算模型,介紹了可同時滿足多種深度發射的內彈道仿真方法,進行了不同發射工況的仿真計算,結果表明:

①通過調節彈射動力系統中各燃氣發生器的點火時序,可以滿足在3種不同水深發射的工況下,得到較為一致的彈體出筒速度,同時可以得到隨深度增加的出筒速度;

②通過多個燃氣發生器接力點火形成的發射筒壓強曲線呈波動狀態, 在每次點火后隨即出現一個較低的波峰,避免了單個燃氣發生器內彈道經常出現的單個壓強峰值過高的現象;

③本文的彈射動力系統發射深度范圍可覆蓋40 m,表明由多燃氣發生器組成的彈射動力系統是解決變深度發射導彈的有效途徑。