發射箱易碎蓋分離仿真與試驗分析

麻小明，劉馨心，史耀祖，胡建國，李 庚，薛海瑞，賈 航

(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

易碎蓋是貯運發射箱的重要組成部分，在貯存、運輸過程中與箱體一起為火箭彈提供良好的環境，保護箱內火箭彈不受損傷；發射時能夠迅速打開，保證火箭彈的正常發射。為減輕易碎蓋重量，提高承壓性能，確保開蓋的穩定性，選用某新型復合材料設計易碎蓋，在易碎蓋表面設置薄弱槽，使其能夠沿預設軌跡碎裂分離。李文龍等設計了一種多瓣易碎蓋，通過數值計算和沖破試驗驗證了設計方法的有效性。王迪等采用有限元方法、虛擬樣機模型等對發射箱易碎蓋的承壓性能、開蓋動力學響應進行了分析。邵慶等研究了格柵式貯運發射箱易碎易裂蓋自動開蓋技術，利用燃氣射流沖破后蓋時產生的擾動波打開前蓋。張寶振等對發射箱(筒)易碎前蓋開蓋過程進行了流固耦合分析。李偉等按照易碎蓋在導彈發射過程中的分離方式，從整體穿透式、整體拋出式和多瓣分離式等方面介紹了國內外樹脂基復合材料易碎蓋的設計和優化研究進展。卓毅等對環氧泡沫塑料易碎蓋結構進行了優化設計，靜壓、燃氣動壓沖蓋等試驗表明，易碎蓋滿足設計指標。

文中基于貯運發射箱及火箭彈技術要求，在滿足剛度、強度和承壓性能的前提下，對易碎蓋進行輕量化、一體化設計，實現易碎蓋的激波自動開蓋，確保火箭彈在出箱過程中不與易碎蓋發生干涉。

1 仿真計算模型

1.1 易碎蓋結構模型

根據發射箱結構形式和尺寸，易碎蓋設計為方形結構，自動開蓋時沿著薄弱槽開裂成4瓣，其結構主要包括薄弱槽、固定端框和分離子體3部分，易碎蓋本體結構由輕質發泡材料壓制而成，薄弱槽采用機械加工，如圖1所示。

圖1 易碎蓋結構

1.2 發射箱燃氣流分析

通過建立非定常、雷諾平均的N-S方程，采用有限體積法對控制方程進行離散，建立發射箱流場數值計算模型。易碎蓋時間-壓強曲線如圖2所示，從圖2中可以看出，0 s時刻發動機點火，0～8.5 ms之前，易碎蓋承受壓力為0，8.5 ms之后，壓強急劇上升，增加到0.094 MPa，又下降到0.087 MPa，之后上升到峰值0.129 MPa。燃氣流作用于后蓋產生的反射激波沿箱體向前傳遞，激波傳遞至前蓋時間約為8.5 ms，10.4 ms時刻前蓋壓強達到峰值。根據計算結果，前蓋壓力指標設計為正壓0.06～0.08 MPa，負壓承載大于0.1 MPa，可以實現激波自動開蓋。發射箱內激波傳遞過程如圖3所示。

圖2 易碎蓋時間-壓強曲線

圖3 激波傳遞過程示意圖

1.3 有限元模型

根據流場分析結果設計了易碎蓋的結構，采用有限元軟件Abaqus/Explict顯示動力學求解計算，易碎蓋加載正壓0.06 MPa，采用Mises強度準則，刪除薄弱區的失效單元，易碎蓋開蓋過程如圖4所示，易碎蓋能夠在給定壓強下分裂成4瓣。

圖4 易碎蓋分裂過程仿真分析

1.4 易碎蓋破碎飛出對火箭彈的影響

前易碎蓋加載60 kPa，計算結果如圖5所示。由圖5可以看出，易碎蓋在16 ms時刻已經完全展開，在26 ms時飛散1 200 mm，而火箭彈在26 ms內僅向前運動23 mm，因此易碎蓋飛散不會影響火箭彈發射。

圖5 易碎蓋分離示意

1.5 撞擊力分析

在激波不能打開易碎蓋的情況下，允許火箭彈撞擊易碎蓋，因此需要計算易碎蓋撞擊力，避免撞擊過程中損傷火箭彈頭部，通過分析計算，易碎蓋可在大于4 000 N作用下開啟，如圖6所示。

圖6 易碎蓋撞擊開蓋分析

2 試驗驗證

2.1 撞擊開蓋試驗

為測試易碎蓋所需撞擊力，用模擬工裝進行撞擊開蓋試驗，試驗結果前蓋本體沿預制薄弱槽破碎，分為4瓣，試驗過程及結果見圖7，法蘭四角100 mm×100 mm殘留凸起物最大13 mm，其余位置殘留凸起物最大高度0 mm。通過力傳感器測量系統并記錄前易碎蓋本體最大撞擊力為4 673 N。

圖7 撞擊開蓋試驗

2.2 易碎蓋承壓試驗

為驗證易碎蓋的承壓性能，將易碎蓋安裝于專用工裝上，形成密封艙體，向艙內充氣進行增壓，當壓強達到0.066 MPa時易碎蓋碎裂，承壓試驗見圖8所示。

圖8 承壓試驗

2.3 激波開蓋試驗

根據架測方案進行了試驗，測量了導彈發射過程中的發射箱內壓強，具體測量為前部、中部、后部3個點，檢測數據如圖4所示。

圖9 撞擊開蓋試驗結果

根據試驗檢測數據結果可知：激波在尾部測試點壓力為0.078 MPa,在中部測試點壓力為0.079 MPa,在前部測試點壓力為0.1 MPa。激波由尾部傳遞至前部時間約為8.75 ms，前蓋壓強達到峰值時刻為10.35 ms。

表1中給出了仿真計算與試驗結果對比，仿真計算與試驗結果較為接近，易碎蓋設計滿足指標要求。

表1 仿真計算與試驗結果對比

3 結論

利用CFD方法對發射箱內流場進行數值計算，得到了易碎蓋分離邊界條件，基于等強度設計原則，設計了易碎蓋結構尺寸、薄弱環節；通過有限元方法對易碎蓋進行了分離仿真，結合撞擊開蓋、耐壓試驗及激波開蓋試驗等對所設計的易碎蓋進行驗證。仿真分析與試驗結果表明，所設計的易碎蓋能夠在給定壓力范圍內碎裂，實現激波開蓋，易碎蓋分裂后的碎片不與火箭彈發生干涉碰撞。