一種固定能量變深度發射動力系統

李鵬永，吳戰勝，劉 科，強新偉

(1. 鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015；2. 河南省水下智能裝備重點實驗室，河南 鄭州 450015；3. 中國人民解放軍91515部隊，海南 三亞 572016)

0 引 言

1 發射動力技術方案

目前國內外潛載導彈武器系統主要通過能量可調發射動力系統實現變深度垂直發射，其中美國潛地導彈“三叉戟Ⅱ”（D5）使用的燃氣-蒸汽式動力系統是能量可調發射動力的代表[1-3]，同時國內外相關學者開展了雙燃氣發生器調能、燃氣發生器變喉徑調能、二次燃燒調能、氣缸式平衡發射和電磁彈射等可實現變深度發射方式的可行性研究[4-6]，上述不同類型變深度發射動力系統均存在系統結構復雜和必須采取主動控制措施實施調控的問題。國內在開展能量可調發射動力系統研究的同時，有學者對固定能量發射動力系統開展了研究，論證了固定能量發射動力系統實現變深度發射的可行性[7-8]。本文在國內外變深度發射技術的研究基礎上，開展固定能量變深度發射動力可行性研究。

1.1 工作原理

1.2 結構組成

基于上述變深度發射技術工作原理，同時考慮到燃氣-蒸汽式具有發射環境好和推進劑可選擇范圍廣的優點，結合集中注水式發射動力系統，開展固定能量變深度發射技術方案研究。發射動力技術方案主要由電發火器、前封頭、燃燒室、后封頭等組成，如圖1所示。后封頭設計時，將冷卻器與后封頭進行了一體化設計。后封頭儲水腔起到了集中注水冷卻器的功能，而且具有導流和穩定氣流的功能。發射動力可根據實際工作布置需求，實現與發射筒外置并聯布置、外置串聯布置方式和內置串聯布置。

1.3 技術特點

與能量可調發射動力系統相比，具有以下特點：

1）發射動力系統裝藥和冷卻水量固定，通過時間匹配實現自適應發射能量調節，無需燃氣流量調節裝置或冷卻水流量調節裝置等復雜調能機構，結構簡單；

2）發射動力系統無復雜的調能結構，占用空間小，可充分利用空間實現與發射筒外置并聯布置、外置串聯布置方式和內置串聯布置等布置方式，亦可實現燃氣發生器與水室分開布置；

3）發射動力系統無復雜的調能結構，使用過程中無調能動作，系統總體可靠性、保障性更好。

2 發射內彈道數學模型

2.1 發射內彈道模型建立

為研究固定能量發射動力系統變深度發射能力，使用成熟、經過試驗驗證的燃燒室壓力方程、流量方程、能量方程、氣體狀態方程和運動方程，建立發射內彈道方程組[11]。

2.2 發射內彈道方程組

2.2.1 燃燒室壓力方程

燃燒室內部壓力計算方程為：

2.2.2 流量方程

進入發射筒內的燃氣量和冷卻水量分別按下式計算：

2.2.3 能量方程

能量守恒方程：

2.2.4 氣體狀態方程

氣體狀態方程：

2.2.5 導彈運動方程

導彈運動方程為：

3 發射內彈道計算分析及結論

根據上述分析建立的發射內彈道數學模型，結合某戰術導彈發射約束條件和內彈道要求，發射內彈道主要技術指標計算結果如表1所示，彈道過程曲線如圖2～圖5所示。

表1 發射內彈道特征值Tab. 1 Launching interior ballistics eigenvalue

圖2 速度-時間曲線圖Fig. 2 The velocity-time curves

圖3 加速度-時間曲線圖Fig. 3 The acceleration-time curves

圖4 壓力-時間曲線圖Fig. 4 The pressure-time curves

圖5 溫度-時間曲線圖Fig. 5 The temperature-time curves

從發射內彈道仿真計算結果可以看出：導彈發射時，速度、加速度、壓力、溫度等發射內彈道曲線平穩。在變深度范圍達到50 m時，導彈出筒速度隨發射深度變淺呈增大趨勢，出筒速度落在25～30 m/s之間，偏差范圍為，出筒速度偏差范圍較小；導彈過載最大值變化較小，趨于穩定，保證了導彈出筒過程中過載特征值的一致性；發射筒內壓力、溫度特征值在變深度范圍內隨發射深度變淺呈減小趨勢，且最高溫度在1 000 K以內，發射熱環境好。根據上述內彈道分析計算結果，變深度范圍達到50 m時，出筒速度、發射過載最大值均有一定余量，變深度能力具有一定拓展空間。同時本文固定能量變深度發射技術性能優于相關文獻中固定能量變深度范圍16 m和“三叉戟Ⅱ”（D5）能量可調發射動力系統變深度范圍18 m[7-8]。

本文基于固定能量的集中注水燃氣-蒸汽式發射動力系統驗證時間匹配設計實現變深度發射的可行性，同時基于時間匹配設計對固定能量燃氣式發射動力系統亦開展了驗證技術，可實現大變深度發射。本文固定能量變深度發射動力系統已完成設計，正在生產，后續將結合試驗開展實際驗證工作。

4 結 語

本文在一定假設條件下和彈道參數約束條件下對基于時間匹配的固定能量變深度發射動力系統發射內彈道開展仿真計算，經過計算可得出如下結論：

1）基于時間匹配設計的固定能量發射動力系統可實現變深度發射，變深度范圍達到50 m，且具有一定擴展性，技術具有一定先進性；

2）基于時間匹配的大變深度發射動力采用固定裝藥量和冷卻水量設計，具有結構簡單，適裝性、可靠性、保障性好等特點，同時可擴展應用到固定能量燃氣式發射動力系統設計；

3）本文的研究基于戰術導彈發射開展，是否可應用到戰略導彈，后續需開展深入論證工作，同時需結合試驗對該項技術開展綜合型驗證。