邢國強,王君祺

(中國空空導彈研究院,河南洛陽 471009)

0 引言

國外某空空導彈是國際上先進的第四代全天候、全方位、具有多目標打擊能力的中距主動雷達型空空導彈。

該型號導彈在發(fā)展中采用了基本型和改進型兩種固體火箭發(fā)動機。早期型號均采用基本型發(fā)動機。改進型發(fā)動機在總長度不變的前提下,將殼體長度增長了5in(127mm),提高了裝藥量,顯著增加了導彈射程;同時縮短了長尾噴管長度,優(yōu)化了噴管的內(nèi)型面,提高了噴管效率和比沖。

文中對該發(fā)動機進行反設(shè)計,分析其技術(shù)特點。

1 總體反設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)形式

該型號基本型與改進型發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)見圖1?；拘蛨D片資料來源于文獻[1],改進型來源于文獻[3]。

發(fā)動機長度為1891mm(英制單位為74.4in),測繪基本型殼體后端面與改進型殼體后端面之間長度約在127mm(5in),與文獻[3]中一致。

根據(jù)圖1分析可以得到如下幾點:

1)基本型發(fā)動機采用“圓管+八臂車輪”藥型,改進型發(fā)動機采用“圓管+五角星型”藥型。兩型發(fā)動機均在圓管部位開有徑向槽。

2)基本型發(fā)動機藥柱長度約為1432mm,其中車輪形藥柱長度約為 296mm,圓管形藥柱長度約為1136mm,圓管內(nèi)徑約為46mm。改進型發(fā)動機藥柱長度約為1530mm,其中星形藥柱長度約為394mm,圓管形藥柱長度和圓管內(nèi)徑與基本型一致。

3)發(fā)動機藥柱徑向槽對應殼體上絕熱層局部加厚,用于藥柱徑向開槽部位的殼體熱防護。

4)與基本型相比,改進型的安全點火裝置長度縮短。分析認為改進后機電式安全點火裝置集成度和小型化進一步提高,此外,改進型發(fā)動機藥型、自由容積均有所變化,點火藥量可能也進行了相應調(diào)整。

5)與基本型相比,改進型的噴管除了長度縮短外,噴管擴散段內(nèi)型面也由原來的錐型優(yōu)化為特型。圖中改進型喉徑比基本型略有縮小。

圖1 發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)

6)殼體加長以后,發(fā)動機腹部用于固定電纜整流罩的固定裝置對應位置也有所改變。

發(fā)動機上布置有導彈的中吊掛和后吊掛:中吊掛為外軌式結(jié)構(gòu),后吊掛為內(nèi)軌式。翼面安裝在發(fā)動機前端的安裝座上,翼面安裝座通過螺栓與固連殼體前裙內(nèi)的4個襯座連接在一起(圖1左上角)。

發(fā)動機的殼體材料為D6AC(45CrNiMo1VA)[3],屬于低合金超高強度鋼,經(jīng)濟性好。估計燃燒室殼體壁厚不超過2mm。

中吊掛部位殼體局部加厚,且上下厚度不一致,吊掛方向殼體更厚一些。分析認為中吊掛環(huán)體為偏心圓結(jié)構(gòu),朝向吊掛的方向厚一些,用于承載。結(jié)構(gòu)上應是采用分段式旋壓殼體和偏心式中吊掛環(huán)體焊接的方案。

1.2 喉徑及擴張比

與基本型相比,改進型長尾噴管長度縮短,擴散段內(nèi)型面由錐型改進為特型。

對圖1中噴管進行測繪,得到結(jié)果見表1。

表1 噴管測繪參數(shù)

2 性能反設(shè)計

2.1 推進劑基本參數(shù)

基本型和改進型發(fā)動機采用少煙丁羥推進劑[1,3]。推進劑主要參數(shù)估算如下:

壓強指數(shù):0.3;

密度:1.72g/cm3;

特征速度:1500m/s。

2.2 基本型發(fā)動機燃速確定

根據(jù)能量發(fā)揮最佳的原則,假定基本型發(fā)動機續(xù)航段工作時,噴管處于最佳膨脹狀態(tài),即噴管出口壓強與海平面壓強相等。這樣,由噴管出口壓強、擴張比,按一維等熵流理論得到續(xù)航段工作壓強約為6MPa。

根據(jù)藥型測繪、燃面推移情況,由續(xù)航段平均燃面和連續(xù)性方程:

可得圓管段推進劑6MPa下的燃速約為8.3mm/s。式中 ρ、A b、P c、A t、C*分別為推進劑密度 、續(xù)航段平均燃面、續(xù)航段燃燒室平均壓強、喉部面積和特征速度。

助推段燃燒室平均壓強按12MPa估算,由助推段平均燃面和連續(xù)性方程推算車輪段推進劑6MPa下的燃速約為11.3mm/s。

2.3 改進型發(fā)動機燃速確定

根據(jù)文獻[3],改進型發(fā)動機采用全助推推進劑,估計采用基本型發(fā)動機的車輪段推進劑,6MPa下的燃速約為11.3mm/s。

2.4 內(nèi)彈道計算和分析

對基本型發(fā)動機進行零維內(nèi)彈道仿真,得到圖 2所示內(nèi)彈道曲線。

基本型發(fā)動機工作時間約為7s,總沖約為105k N·s。

對改進型發(fā)動機進行零維內(nèi)彈道仿真,得到圖 3所示內(nèi)彈道曲線。改進型發(fā)動機工作時間約為6s,總沖約為118kN·s。

圖2 基本型發(fā)動機估算內(nèi)彈道曲線

根據(jù)工程經(jīng)驗,基本型和改進型藥型侵蝕效應較強。與圖2和圖 3所示內(nèi)彈道曲線相比,實際工作過程中會出現(xiàn)初始壓強及推力峰值、相應助推段平均壓強、推力變大,助推工作時間縮短;續(xù)航段工作前期曲線上抬,后期曲線下壓。

圖3 改進型發(fā)動機估算內(nèi)彈道曲線

3 結(jié)論

通過反設(shè)計,發(fā)現(xiàn)該型號發(fā)動機有如下技術(shù)特點:

1)結(jié)構(gòu)上采用分段式旋壓殼體和偏心式中吊掛環(huán)體焊接的方案,在結(jié)構(gòu)件功能、性能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上考慮了工藝性;

2)基本型發(fā)動機采用兩種燃速推進劑串聯(lián)裝藥,改進型發(fā)動機采用基本型發(fā)動機的助推推進劑,改善了裝藥的可生產(chǎn)性;

3)改進型發(fā)動機通過采用全助推推進劑提高平均工作壓強,優(yōu)化噴管型面和增大擴張比,加長燃燒室增大裝藥量,從而提高了發(fā)動機的比沖和總沖,達到了增加導彈射程、改善導彈性能的目的。

[1] K M Crockett,M J Birch.The selection of the advanced medium range air-to-air rocket motor age-surveillance program,AIAA94-2916[R].1994.

[2] K M Crockett,M J Birch.The selection of the advanced medium range air-to-air rocket motor age-surveillance program;year 2.AIAA 95-2870[R].1995.

[3] http://www.atk.com[OL].

[4] 謝文超,徐東來,蔡選義,等.空空導彈推進系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.