丁永強(qiáng),黃少波,程 翔

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽 471009)

0 引言

目前國際上針對(duì)快速響應(yīng)直接力控制技術(shù)已紛紛開展研究工作,以提高導(dǎo)彈的控制精度和快速機(jī)動(dòng)性能,滿足導(dǎo)彈高精度制導(dǎo)控制要求。美國PAC-3防空導(dǎo)彈系統(tǒng)新研制增程攔截彈ERINT,采用正常式氣動(dòng)外形,使用由180個(gè)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生側(cè)噴的反作用射流和氣動(dòng)舵面復(fù)合控制方式,側(cè)噴響應(yīng)時(shí)間6 10ms,使PAC-3導(dǎo)彈的脫靶量達(dá)到了3m的高精度。

美國雷神公司在AIM-120空空導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上研制了“網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)載防御單元”(NCADE)空射反導(dǎo)導(dǎo)彈(見圖1),主要用于攻擊處于助推段、上升段或飛行末段的近/中程彈道導(dǎo)彈。NCADE是一種兩級(jí)導(dǎo)彈,其第一級(jí)沿用AIM-120導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和舵機(jī)組件,第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)由安裝在第二級(jí)彈體重心位置上的四部間隔為90°的轉(zhuǎn)向推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)該級(jí)的操縱,以提高控制效率。第二級(jí)尾部裝有4個(gè)軸向推進(jìn)器,可以在25s內(nèi)產(chǎn)生68kg推力。

圖1 NCADE與AIM-120先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈

從以上直接力技術(shù)的應(yīng)用可以看出,隨著空空導(dǎo)彈向著大幅度提高制導(dǎo)精度和快速機(jī)動(dòng)性以及反導(dǎo)、反衛(wèi)星、反臨近空間飛行器等方向的發(fā)展,采用固體燃料的直接力裝置由于其相對(duì)于液體燃料的優(yōu)勢(shì),如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、響應(yīng)速度快等,必將在高性能的下一代空空導(dǎo)彈上發(fā)揮極為重要的作用。

為了適用于未來的空空導(dǎo)彈,基于空空導(dǎo)彈重量與體積的限制,直接力裝置必須進(jìn)行小型化設(shè)計(jì),以減小重量和體積。文中針對(duì)一種適用于空空導(dǎo)彈的直接力裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度與流場(chǎng)仿真計(jì)算。

1 性能設(shè)計(jì)

直接力裝置主要應(yīng)用于某些航天器的姿控與軌控,以及某些防空導(dǎo)彈,目前還沒有在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用先例。直接力裝置主要有兩種結(jié)構(gòu)形式,即微型脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合形式,固體推進(jìn)劑燃?xì)獍l(fā)生器+多噴管燃?xì)忾y門形式。由于空空導(dǎo)彈尺寸限制,以及彈體一般不旋轉(zhuǎn),采用脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)形式將有很大的難度,且一般情況下只能利用到一側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī),利用效率低下。因此,采用多噴管燃?xì)忾y門方式的燃?xì)獍l(fā)生器將能有效的利用推進(jìn)劑能量,只要能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的噴管和閥門結(jié)構(gòu),就能提供足夠的推力來滿足空空導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)要求。

圖2 側(cè)向噴管分布位置

考慮到未來空空導(dǎo)彈的特點(diǎn),燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,質(zhì)量盡可能輕;應(yīng)在盡可能多的方向提供側(cè)向力和更多的推力調(diào)節(jié)臺(tái)階。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則,決定采用4個(gè)側(cè)向噴管,可在8個(gè)方向提供側(cè)向力,同時(shí)為保證有更多的推力臺(tái)階,應(yīng)盡可能多使用不同數(shù)量和不同位置的噴管。

按圖 2,單獨(dú)打開 1 個(gè)噴管時(shí),可在 0°、90°、180°、270°四個(gè)方向產(chǎn)生推力;打開相鄰的2個(gè)噴管時(shí),可在 45°、135°、225°、315°四個(gè)方向產(chǎn)生合力;打開相對(duì)的2個(gè)噴管時(shí),推力相互抵消,合力為0;打開3個(gè)噴管時(shí),其中2個(gè)噴管推力相互抵消,相當(dāng)于只有1個(gè)噴管產(chǎn)生有效推力 ,可在 0°、90°、180°、270°四個(gè)方向產(chǎn)生推力;打開4個(gè)噴管時(shí),推力相互抵消,合力為0。打開1個(gè)噴管時(shí)單噴管設(shè)計(jì)推力F1=8.5kN,即保證 0°、90°、180°、270°四個(gè)主方向最大推力 ≥8kN,在此條件下的最大理論工作壓強(qiáng)為20MPa。打開不同數(shù)目、不同方向側(cè)向噴管的推力分布情況見表1。

表1 側(cè)向推力計(jì)算結(jié)果

在主方向(0°、90°、180°、270°)有 2 種推力值可選擇(不含零推力),最大推力為 8.5kN,最小推力2.15kN 。在輔方向(45°、135°、225°、315°)有 1種推力可選擇,推力5kN。

為保證推力曲線的平穩(wěn),采用管狀裝藥,對(duì)藥柱兩端面進(jìn)行阻燃包覆。為了降低燃?xì)鉁囟炔⒖紤]裝藥能量,采用改性雙基推進(jìn)劑,不添加金屬燃燒劑以最大程度減少燒蝕和沖刷。裝藥重量2.3kg,在最大推力時(shí)燃燒時(shí)間0.55s。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置主要由裝藥、殼體、頂蓋、噴管座、側(cè)向噴管、驅(qū)動(dòng)器、點(diǎn)火器和連接件組成,燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3、圖4所示。根據(jù)導(dǎo)彈對(duì)側(cè)向推力的具體要求,燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置點(diǎn)火以后由控制電路起爆火工品驅(qū)動(dòng)器,將相應(yīng)的側(cè)向噴管打開,產(chǎn)生所需的側(cè)向推力。由于工作時(shí)間較短,側(cè)向噴管內(nèi)側(cè)可以涂抗燒蝕層來解決燒蝕問題?；鸸て夫?qū)動(dòng)器均采用快速響應(yīng)的半導(dǎo)體橋起爆方式。這種起爆方式在電容放電的瞬間作用下能在1ms內(nèi)完成輸出。通過控制電容的充放電就能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制。點(diǎn)火控制電路可以安裝在噴管座上,也可放置在其它艙段。

四噴管燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置的噴管座為整體加工,將驅(qū)動(dòng)器通過螺釘固定在噴管座端面,使驅(qū)動(dòng)器擋板擋在噴管通道入口處,噴管打開方式是通過驅(qū)動(dòng)器將擋在噴管入口處的擋板拔離。直接力裝置總質(zhì)量約為7.8kg,長度206mm。

3 強(qiáng)度仿真

圖5 殼體的應(yīng)力云圖

四噴管燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置殼體最大應(yīng)承受 20MPa的內(nèi)部壓強(qiáng),為了保證有足夠的強(qiáng)度,并盡量降低殼體重量,采用 18Ni(250級(jí))馬氏體時(shí)效鋼作為殼體材料。利用有限元軟件Patran/Nastran進(jìn)行強(qiáng)度校核,在承受20MPa×15＝30MPa 的內(nèi)壓下(即強(qiáng)度安全系數(shù)取1.5),殼體的應(yīng)力如圖5所示?？梢钥闯?殼體所受最大應(yīng)力為 1430MPa,小于材料的最大應(yīng)力極限1764MPa,即殼體工作安全。本方案中的噴管座材料采用15-5PH不銹鋼,在20MPa×1.5=30MPa內(nèi)壓的作用下(強(qiáng)度安全系數(shù)為1.5),噴管座的應(yīng)力云圖如圖6所示,卡塊槽側(cè)壁可能會(huì)出現(xiàn)塑性變形,但是壓應(yīng)力不會(huì)造成噴管座結(jié)構(gòu)的破壞,噴管座其它部位所受應(yīng)力小于材料的最大應(yīng)力極限,即燃?xì)馐街苯恿ρb置噴管座工作安全。噴管與驅(qū)動(dòng)器擋板的材料均采用 30CrMnSiA,在20MPa×1.5=30MPa內(nèi)壓的作用下,側(cè)向噴管與驅(qū)動(dòng)器擋板軸應(yīng)力如圖7、圖8所示。從圖中可以看出,結(jié)構(gòu)上所受最大應(yīng)力水平均低于材料的許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 噴管座應(yīng)力云圖

圖7 噴管應(yīng)力云圖

通過對(duì)直接力裝置主要受力件進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算,均符合設(shè)計(jì)要求,結(jié)構(gòu)是安全的。

圖8 擋板應(yīng)力云圖

4 流場(chǎng)仿真

利用流體仿真軟件FLUENT對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算,其內(nèi)流場(chǎng)模型如圖9所示。

燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置的4個(gè)噴管打開1個(gè),計(jì)算燃?xì)馐街苯恿ρb置噴管打開1個(gè)時(shí)的內(nèi)流場(chǎng),這個(gè)典型狀態(tài)的壓強(qiáng)和溫度云圖如圖10、圖11所示。

圖9 燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置內(nèi)流場(chǎng)模型

根據(jù)以上內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算,燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置在噴管打開1個(gè)時(shí)能正常工作,壓強(qiáng)和溫度場(chǎng)數(shù)值正常,內(nèi)部流場(chǎng)比較順暢,沒有明顯的渦流區(qū)。

5 結(jié)論

文中針對(duì)四個(gè)側(cè)向噴管的燃?xì)獍l(fā)生器式直接力裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度與流場(chǎng)仿真計(jì)算。這種直接力裝置的結(jié)構(gòu)小、重量輕、推力大,可以適用于未來的空空導(dǎo)彈。為了進(jìn)一步對(duì)直接力裝置進(jìn)行研究,可以開展具體的工程化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。

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