空空導彈雙脈沖固體火箭發(fā)動機能量分配研究

張翼，鄭哲

空空導彈雙脈沖固體火箭發(fā)動機能量分配研究

張翼，鄭哲

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

空空導彈是奪取制空權的關鍵武器。在有限尺寸重量約束下，如何不斷提高空空導彈的射程始終是總體性能的一個重點研究方向，具有重要的現(xiàn)實意義。動力優(yōu)化是實現(xiàn)空空導彈增程的主要手段之一。介紹了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的原理和特點，明確了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的總體設計約束，結合彈道仿真開展了雙脈沖發(fā)動機能量分配問題的仿真研究。

空空導彈；雙脈沖發(fā)動機；能量分配；動力優(yōu)化

1 引言

空空導彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭奪取制空權的重要武器裝備。誰擁有了性能先進的空空導彈，誰就獲得了空戰(zhàn)的主動權，擁有決定空戰(zhàn)勝負的重要力量[1]。正如美國著名智庫蘭德公司在研究報告《空戰(zhàn)的過去、現(xiàn)在和未來》中總結：“空中優(yōu)勢是美國所有常規(guī)軍事行動的基礎，而當前的空中優(yōu)勢依賴于具有先進的態(tài)勢感知、隱身和超視距能力的空空導彈?！?/p>

自從空空導彈出現(xiàn)后，空戰(zhàn)的發(fā)展大概經過了四個階段：起步階段、發(fā)展階段、超視距階段、信息化對抗階段。美國戰(zhàn)略與預測評估中心在2015年發(fā)布的《空空作戰(zhàn)趨勢及未來空中優(yōu)勢的影響》中分析認為，從1965年的空戰(zhàn)數(shù)據(jù)表明空空導彈的常用交戰(zhàn)距離在不斷增加，近距交戰(zhàn)的機會在不斷變小[2]。

在有限尺寸重量約束下，不斷增加射程是空空導彈的重要發(fā)展方向。研究如何提高空空導彈的攻擊距離具有重要的現(xiàn)實意義[3]。

2 雙脈沖固體火箭發(fā)動機介紹及技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 雙脈沖固體火箭發(fā)動機介紹

固體火箭發(fā)動機是一種使用固體推進劑的化學火箭發(fā)動機。固體火箭發(fā)動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。固體推進劑點燃后在燃燒室中燃燒，產生高溫高壓的燃氣，即把化學能轉化為熱能；燃氣經噴管膨脹加速，熱能轉化為動能，以極高的速度從噴管排出從而產生推力推動導彈向前飛行。

不斷提高導彈的射程是空空導彈始終不變的發(fā)展需求。固體火箭發(fā)動機維護簡單、可靠性高、操作簡便，自誕生起就被廣泛用作空空導彈的主要動力系統(tǒng)。固體火箭發(fā)動機技術的發(fā)展也極大地推動了空空導彈武器性能的升級換代。

隨著科學技術的發(fā)展，能量管理技術已成為固體火箭發(fā)動機的重要發(fā)展方向，雙脈沖固體火箭發(fā)動機在工程中也逐漸得到應用。根據(jù)空空導彈作戰(zhàn)使用需求，在雙脈沖發(fā)動機工作過程中實時有效地控制發(fā)動機能量輸出，實現(xiàn)推力間隔、推力形式實時可調，可以有效提高發(fā)動機能量的利用效率，為增加導彈的射程提供基本條件。在進行空空導彈總體設計時，對雙脈沖固體火箭發(fā)動機的能量分配進行研究十分必要。

2.2 雙脈沖固體火箭發(fā)動機技術發(fā)展現(xiàn)狀

雙脈沖固體火箭發(fā)動機是在同一發(fā)動機內將藥柱分成兩段，從而實現(xiàn)發(fā)動機推力的分段。從本質上講，此種方法對發(fā)動機推力大小的改變沒有任何貢獻，主要通過改變發(fā)動機推力作用時間，可以合理分配導彈飛行過程中的加減速過程，從而避免阻力等因素導致的能量損耗[4]。另外還可以通過調整發(fā)動機推力作用時間，來改變導彈彈道特性，從而實現(xiàn)一些特殊的彈道要求，如更高的打擊高度、更大的打擊速度、打擊目標前進行變速飛行等。20世紀60年代以來，美國和俄羅斯等國就開始了多脈沖固體火箭發(fā)動機的研究工作。20世紀70年代末到90年代初，是多脈沖固體火箭發(fā)動機研究的第一次高潮，2000年以后，多脈沖固體火箭發(fā)動機技術成為國內外研究的新熱點[5-6]。雙脈沖固體火箭發(fā)動機已在諸多導彈型號中得到應用。典型代表有美國的SM-3導彈和PAC-3導彈，德國的LFK-NG導彈和HFK2000導彈等[7]。

2.3 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的工作原理

常規(guī)的固體火箭發(fā)動機，燃燒室內一般只設計有一個完整的藥柱，推進劑一旦點火工作只能連續(xù)燃燒直至燒盡，因此只能產生一次推力，而且推力形式一經設計完成后即基本固定不變[8]。

多脈沖固體火箭發(fā)動機是一種新型的具備能量管理功能的固體火箭發(fā)動機。雖然多脈沖固體火箭發(fā)動機可以提供更為靈活的推力形式，但是在大多數(shù)實際應用中，雙脈沖固體火箭發(fā)動機是一種折中的方案。雙脈沖固體火箭發(fā)動機不僅能明顯提升性能，又不會過度提升設計復雜性和大幅降低系統(tǒng)可靠性。

與傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動機不同，多脈沖固體火箭發(fā)動機的特點是通過特定設計的隔離裝置將燃燒室或藥柱分隔成幾部分或幾段，每段藥柱各自配備有獨立的點火裝置，能夠提供相對獨立的推力，共用同一個噴管。Ⅰ脈沖工作期間，隔離裝置起到阻燃、隔熱和承壓的作用，保護Ⅱ脈沖藥柱不被意外引燃；需要啟動Ⅱ脈沖工作時，隔離裝置按要求快速開啟，保證Ⅱ脈沖藥柱燃燒產生的高溫燃氣能夠通過噴管產生需要的二次推力。常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機組成如圖1所示。

圖1 常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機組成示意圖

工程使用中，往往期望Ⅰ脈沖具有較大的推力，以保證導彈能夠在短時間獲得較大的增速，因此Ⅰ脈沖裝藥多采用星孔燃燒、貼壁澆注的方式；對于Ⅱ脈沖，大多要求能夠實現(xiàn)導彈一定的續(xù)航能力，長時間小推力是一種常見的選擇，這也使得Ⅱ脈沖裝藥多采用端面燃燒、自由裝填的方式。當然，Ⅰ脈沖、Ⅱ脈沖均采用大推力的方式在工程上也有應用。

3 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的彈道特點

采用雙脈沖固體火箭發(fā)動機的空空導彈，其典型飛行過程可分為四個階段：①第一階段，Ⅰ脈沖發(fā)動機工作，將導彈加速至一定的高度和速度后關機；②第二階段，Ⅰ脈沖發(fā)動機和Ⅱ脈沖發(fā)動機工作間隔，空空導彈無動力飛行；③第三階段，Ⅱ脈沖發(fā)動機工作，對導彈進行二次加速，空空導彈穩(wěn)定飛行；④第四階段，空空導彈無動力滑翔飛行，直至命中目標。采用雙脈沖固體火箭發(fā)動機導彈的典型彈道如圖2所示。

圖2 采用雙脈沖固體火箭發(fā)動機導彈的典型彈道示意圖

雙脈沖固體火箭發(fā)動機工作期間，導彈控制系統(tǒng)根據(jù)導彈總體需要確定每段裝藥的點火時刻，通過合理調節(jié)推力分配及兩級脈沖間隔時間，達到對空空導彈飛行彈道的優(yōu)化控制和發(fā)動機能量的優(yōu)化管理的目的，滿足導彈總體在不同攻擊條件下對推力的不同要求。

在總沖一定的前提下，雙脈沖固體火箭發(fā)動機可以提供不同的推力形式，進而產生不同的導彈速度曲線。常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機推力如圖3所示。

圖3 常規(guī)固體火箭發(fā)動機和雙脈沖固體火箭發(fā)動機推力示意圖

通過脈沖間隔的調整，可以有效降低導彈的最大速度，增加導彈的攻擊距離，提高空空導彈的末速。

4 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的關鍵技術研究

雙脈沖固體火箭發(fā)動機可以給導彈的性能提供較大的提升，但也存在著一些技術難題制約著它的發(fā)展。從導彈總體應用角度需要解決雙脈沖發(fā)動機/彈道一體化設計技術、能量分配技術等技術問題，在雙脈沖固體火箭發(fā)動機實現(xiàn)上需要攻克高可靠隔離裝置設計技術、多級脈沖點火控制技術、高效噴管設計等關鍵技術[9]。

4.1 高可靠隔離裝置設計技術

隔離裝置是現(xiàn)實雙脈沖發(fā)動機安全性設計的關鍵，對其設計要求也極為苛刻。發(fā)動機Ⅰ脈沖工作期間，要求隔離裝置作為燃燒室結構的組成部分，提供Ⅰ脈沖穩(wěn)定燃燒的場所，需要能夠耐受Ⅰ脈沖工作過程中高溫度、高壓力的嚴酷環(huán)境，并保證全過程的結構完整性；更為重要的是，保證Ⅱ脈沖推進劑所受到的影響在規(guī)定的安全范圍內，應起到阻燃、隔熱的作用。

發(fā)動機Ⅱ脈沖激活時，要求隔離裝置能夠在Ⅱ脈沖起燃壓強作用下快速可靠打開，打開后不能產生有可能損害長尾噴管、燃燒室等的噴出物。如果隔離裝置功能失效，很有可能帶來發(fā)動機安全性問題。

從技術實現(xiàn)上看，目前常見的隔離裝置主要分為剛性隔離裝置和柔性隔離裝置兩類。工程實踐上，這兩類隔離裝置都存在一定的優(yōu)缺點。

剛性隔離裝置的優(yōu)點是可以把雙脈沖固體火箭發(fā)動機明確區(qū)域劃分，而且各功能區(qū)域獨立性強，Ⅰ脈沖推進劑、Ⅱ脈沖推進劑相互之間的影響很小，便于單獨設計、試驗、生產和儲存，易于進行發(fā)動機總裝。剛性隔離裝置的缺點是一般結構厚度較大，消極重量大；同時受結構布局限制，一定程度上還會帶來Ⅱ脈沖推力損失問題。剛性隔離裝置技術相對成熟，是傳統(tǒng)雙脈沖發(fā)動機采用的主要技術方案。

柔性隔離裝置的優(yōu)點是結構質量輕，因此推進劑裝填率高；柔性隔層多采用橡膠材料，通常也不存在Ⅱ脈沖推力損失問題。柔性隔離裝置的缺點是設計難度大，Ⅰ脈沖藥柱、Ⅱ脈沖藥柱、柔性隔層、Ⅱ脈沖點火器等的界面不穩(wěn)定，振動環(huán)境、高低溫等復雜使用條件下的結構相容性是設計難點。Ⅰ脈沖工作期間，Ⅱ脈沖藥柱通常要求具有承壓功能，使得Ⅱ脈沖藥柱在燃面以及燃速等藥型設計方面受到一定限制。

4.2 多級脈沖點火控制技術

Ⅱ脈沖點火系統(tǒng)需要與Ⅱ脈沖藥柱一體化設計，在保證安全性和點火可靠性同時，還需與柔性隔層、裝藥藥型相匹配，縮短點火延遲。

Ⅱ脈沖點火系統(tǒng)工程上多采用內埋點火技術。針對內埋點火技術的主要特點和難點，需要進行結構設計和點火性能的研究。結構上通過殼體材料的選擇、與端燃裝藥的一體化設計，需要解決點火器安裝、承壓以及噴出物的問題。同時，通過初始燃面、基礎燃速、點火藥量以及打開壓強匹配設計，提高點火可靠性、縮短點火延遲時間。

4.3 高效噴管設計技術

噴管是火箭發(fā)動機能量轉換的一個重要部件，是燃燒室內高溫高壓燃氣的出口，主要通過改變管段內壁的幾何形狀以加速氣流產生推力，直接影響火箭發(fā)動機的性能。傳統(tǒng)火箭發(fā)動機的噴管由收斂段和擴散段兩部分組成，一般采用固定喉徑比的設計方式。

雙脈沖發(fā)動機由于級間脈沖推力比（Ⅰ脈沖平均推力和Ⅱ脈沖平均推力之比）較大，使用要求上有可能達到4∶1甚至10∶1，采用固定喉徑比設計往往使得發(fā)動機整體效率不高，影響發(fā)動機總沖。技術上，可通過改變發(fā)動機噴喉大小控制燃氣的質量流率達到控制燃燒室內壓強的目的。

5 雙脈沖固體火箭發(fā)動機的總體設計研究

5.1 總體設計約束

5.1.1 基本功能要求[10]

為導彈提供所需的推力，滿足導彈離軌速度、加速度及動力射程的要求；對于構成導彈彈體的組成部分，滿足全彈氣動外形、結構和使用維護要求；滿足全彈工作邏輯與時序要求，在收到點火信號時能夠可靠點火；確保導彈在地面測試、維護、運輸、貯存和掛飛中發(fā)動機不會意外點火。

5.1.2 結構參數(shù)約束

滿足導彈總體對發(fā)動機提出的長度、直徑、質量等指標要求。

5.1.3 總沖約束

滿足導彈總體對發(fā)動機提出的典型工作溫度下的總沖要求，以及對Ⅰ脈沖總沖、Ⅱ脈沖總沖分別提出的約束和 期望。

5.1.4 推力約束

推力約束包括對平均推力、推力持續(xù)時間，以及推力建立時間、最大推力峰等的約束。

5.1.5 脈沖間隔時間約束

脈沖間隔時間可調，并滿足導彈總體要求。

5.1.6 環(huán)境適應性要求

環(huán)境適應性要求包括貯存溫度范圍、工作溫度范圍、導彈掛飛振動、著陸沖擊、發(fā)射載荷等環(huán)境條件約束。

5.2 發(fā)動機數(shù)學模型建立

設為雙脈沖發(fā)動機的總沖，1為Ⅰ脈沖總沖，2為Ⅱ脈沖總沖。則有：

12（1）

為雙脈沖發(fā)動機的總裝藥質量，1為Ⅰ脈沖裝藥質量，2為Ⅱ脈沖裝藥質量。則有：

12（2）

1為Ⅰ脈沖平均推力，1為Ⅰ脈沖推力持續(xù)時間，2為Ⅱ脈沖平均推力，2為Ⅱ脈沖推力持續(xù)時間。則有：

c1為Ⅰ脈沖工作期間的質量流量，c2為Ⅱ脈沖工作期間的質量流量。則有：

5.3 仿真分析

5.3.1 仿真參數(shù)設置

利用數(shù)字仿真手段進行導彈雙脈沖能量分配的分析。仿真使用的導彈總體參數(shù)和發(fā)動機總體參數(shù)如下。

5.3.1.1 導彈總體參數(shù)

導彈初始質量0=180 kg，導彈直徑=180 mm，彈長=3 650 mm，參考面積=0.024 m2。

5.3.1.2 發(fā)動機總體參數(shù)

發(fā)動機總沖=170 kN·s，發(fā)動機總裝藥質量為72.5 kg，Ⅰ脈沖、Ⅱ脈沖最大推力間隔為100 s。

5.3.2 仿真條件設置

選取典型發(fā)射條件如下：①條件1。發(fā)射高度10 km，速度Ma1.2；目標高度10 km，速度Ma0.9；進入角180°，目標不機動。②條件2。發(fā)射高度3 km，速度Ma0.8；目標高度3 km，速度Ma0.8；進入角180°，目標不機動。

5.3.3 仿真結果及分析

在傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機和不同點火間隔下的雙脈沖火箭發(fā)動機的情況下進行仿真計算，對條件1、條件2的射程、末速、平均速度進行統(tǒng)計，具體如表1所示。

射程、末速、平均速度隨脈沖間隔的變化分別如圖4、圖5、圖6所示。

仿真結果表明：較傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機，通過調整脈沖間隔，雙脈沖發(fā)動機可以有效增加導彈的最大攻擊距離；高空彈道較低空彈道影響更為顯著。較傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機，通過調整脈沖間隔，雙脈沖發(fā)動機會影響導彈的末速；高空彈道導彈末速越來越低；低空彈道在一定條件下末速能夠有效提高。較傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機，通過調整脈沖間隔，雙脈沖發(fā)動機對導彈平均速度影響較小；隨著脈沖間隔的增加，低空彈道導彈平均速度呈下降趨勢[11]。

表1 不同脈沖間隔對彈道影響仿真結果

發(fā)動機類型序號脈沖間隔/s射程/km導彈末速/（m/s）平均速度/（m/s）條件1條件2條件1條件2條件1條件2 傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機1 0145179365811 102551 雙脈沖火箭發(fā)動機2 10151189195591 115549 3 20162209015641 112541 4 30182238875871 108529 5 40177268526071 107510 6 50169308336281 105500 7 60161278096421 102483

圖4 脈沖間隔對最大攻擊距離的影響

圖5 脈沖間隔對導彈末速的影響

圖6 脈沖間隔對導彈平均速度的影響

6 結論

本文以實現(xiàn)中遠距空空導彈增程為目標，結合雙脈沖固體火箭發(fā)動機在某型空空導彈上應用的實際問題，開展了空空導彈雙脈沖發(fā)動機能量分配研究。主要研究了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的工作原理、優(yōu)勢特點，介紹其關鍵技術，明確了雙脈沖固體火箭發(fā)動機的總體設計約束，建立發(fā)動機數(shù)學模型，進行了發(fā)動機能量分配的研究。雙脈沖發(fā)動機能量分配是在總沖和總裝藥質量約束下，研究Ⅰ脈沖總沖1、Ⅱ脈沖總沖2的分配問題，設計了相應的平均推力曲線。研究其分配結果對導彈總體性能的影響，通過優(yōu)化設計使導彈總體性能到達最優(yōu)。與傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機相比，雙脈沖固體火箭發(fā)動機在增加射程、提高末速、降低平均速度上均有優(yōu)勢，在提高空空導彈攻擊能力方面有可觀的應用前景。

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TJ763；V43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.002

2095－6835（2019）24－0004－04

〔編輯：嚴麗琴〕