李鵬飛，黃利亞，夏智勛，孟 梁，肖 帆

(國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410000)

0 引言

跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈在高空以超聲速巡航，經(jīng)掠海飛行后進(jìn)入水下超高速巡航并打擊目標(biāo)，可大幅提高導(dǎo)彈的突防能力[1]?？缃橘|(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用富燃料固體推進(jìn)劑，與沖壓進(jìn)入的外部空氣或海水燃燒生成高溫燃?xì)?，并通過噴管產(chǎn)生推力，具有比沖高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)空中和水中的一體化工作，是跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈的理想動(dòng)力裝置[2]。

跨介質(zhì)飛行器概念已出現(xiàn)近百年，最早由前蘇聯(lián)鮑里斯·烏沙可夫提出“LPL”方案[3]，該方案在空中采用熱動(dòng)力螺旋槳推進(jìn)，水下采用電機(jī)推進(jìn)。為提高特種作戰(zhàn)能力，美國國防先期研究計(jì)劃局(DARPA)提出了一種潛水飛機(jī)方案[4]，該潛水飛機(jī)在空中采用螺旋槳?jiǎng)恿?，在水下采用噴水推進(jìn)動(dòng)力。SIDDALL等[5]從仿生角度出發(fā)設(shè)計(jì)了一種采用螺旋槳?jiǎng)恿Φ淖凅w跨介質(zhì)無人飛行器。北卡羅來納州立大學(xué)和Teledyne科學(xué)與成像公司[6]研發(fā)了一種以電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳為動(dòng)力的跨介質(zhì)無人機(jī)，并多次完成了全飛行/航行階段的試驗(yàn)。JOSEPH MOORE等[7]設(shè)計(jì)制造了一種三角翼無人跨介質(zhì)飛行器，利用慣性實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)飛行。以上所提到的動(dòng)力裝置巡航速度較低、系統(tǒng)較為復(fù)雜，無法滿足跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈對動(dòng)力裝置的要求。

跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將目前先進(jìn)的超聲速導(dǎo)彈動(dòng)力和超高速魚雷動(dòng)力技術(shù)[8-9]相結(jié)合，在空中采用固體火箭沖壓工作模式，在水下采用水沖壓工作模式，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的跨介質(zhì)高速航行。富燃料固體推進(jìn)劑具有密度大，體積能量密度高，容積熱值高的特點(diǎn)，可作為跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑使用。目前，富燃料固體推進(jìn)劑已經(jīng)在超聲速導(dǎo)彈固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、超高速魚雷水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得了應(yīng)用[10]。富燃料固體推進(jìn)劑主要為含硼富燃料推進(jìn)劑、含鋁富燃料推進(jìn)劑和含鎂富燃料推進(jìn)劑等[11]，其中含鎂、鋁富燃料推進(jìn)劑完全燃燒釋放出來的熱值約為19～22 MJ/kg，其比沖為 5000～8000 N·s/kg；而高能含硼富燃料推進(jìn)劑完全燃燒釋放出來的熱值大約為 30～34 MJ/kg，其比沖約為含鋁富燃料推進(jìn)劑的1.6～1.8 倍[12-14]。目前，含硼富燃料固體推進(jìn)劑已經(jīng)成為固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的首選推進(jìn)劑[15]。由于鎂、鋁能夠與水燃燒釋放熱量，含鎂、鋁富燃料推進(jìn)劑現(xiàn)已應(yīng)用于水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[16]。

本文探索將硼基富燃料固體推進(jìn)劑應(yīng)用于跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，針對所提出的跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈外形及彈道，通過理論計(jì)算獲得不同彈道條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)推力，通過發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能對比分析提出一種新型硼基富燃料推進(jìn)劑配方，并對跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本工作參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。

1 跨介質(zhì)導(dǎo)彈阻力特性分析

1.1 導(dǎo)彈基本尺寸與彈道

本文跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈彈徑為0.533 m，彈長5.56 m。彈道分為高空巡航段、掠海飛行段、入水過渡段以及水下巡航與機(jī)動(dòng)段，表1是跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈在各個(gè)彈道階段的性能參數(shù)。

1.2 阻力特性計(jì)算

在計(jì)算跨介質(zhì)導(dǎo)彈在高空巡航段以及掠海飛行段的阻力特性時(shí)，只考慮零升阻力的影響，零升阻力包括底部阻力、摩擦阻力、激波阻力，采用文獻(xiàn)[17]方法計(jì)算零升阻力。

計(jì)算得到跨介質(zhì)導(dǎo)彈在高空巡航階段的零升阻力系數(shù)，結(jié)果如表2所示。根據(jù)阻力與阻力系數(shù)的關(guān)系，計(jì)算得到高空巡航階段彈體阻力為13.6 kN。采用同樣方法計(jì)算得到掠海飛行段彈體阻力為63.69 kN。

表2 高空巡航段阻力系數(shù)

在水下巡航中，跨介質(zhì)導(dǎo)彈采用超空泡減阻，彈體被空泡包覆，忽略摩擦阻力，只考慮壓差阻力，其航行阻力計(jì)算公式[18]為

(1)

式中A為空化器面積；CD為阻力系數(shù)。

依據(jù)水下阻力計(jì)算模型，選取空化數(shù)為0.019，計(jì)算得到水下巡航段阻力為9.58 kN。在水深10 m巡航彈道基礎(chǔ)上，計(jì)算航速不變條件下機(jī)動(dòng)爬升(至水面)與下潛(至水深100 m)彈道彈體阻力隨深度變化曲線，如圖1所示。

圖1 彈體阻力隨深度變化

2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性分析

2.1 硼基富燃料固體推進(jìn)劑性能分析

本文跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在空中和水中工作時(shí)均采用高能硼基富燃料固體推進(jìn)劑。為了使跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣沖壓與水沖壓條件下都具有較高的理論性能，在對硼基富燃料固體推進(jìn)劑性能進(jìn)行分析時(shí)，通過與水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)鋁基富燃料固體推進(jìn)劑性能對比，指導(dǎo)硼基富燃料固體推進(jìn)劑的選取。

采用典型的固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)硼基富燃料推進(jìn)劑與水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)鋁基富燃料推進(jìn)劑，推進(jìn)劑主要組分如表3、表4所示。分別對兩種推進(jìn)劑在高空巡航段和水下巡航段的發(fā)動(dòng)機(jī)比沖進(jìn)行計(jì)算，高空巡航段與水下巡航段沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工況參數(shù)如表5所示。圖2是空氣沖壓條件下和水沖壓條件下發(fā)動(dòng)機(jī)比沖隨空燃比、水燃比的變化曲線。

(a)High altitude cruise stage (b)Underwater cruise stage

表3 硼基富燃料推進(jìn)劑主要組分

表4 鋁基富燃料推進(jìn)劑主要組分

可以發(fā)現(xiàn)，按照典型配方，高空巡航條件下，硼基富燃料固體推進(jìn)劑在空燃比大于6時(shí)，比沖性能優(yōu)于鋁基固體推進(jìn)劑，但在水下巡航條件下，硼基富燃料固體推進(jìn)劑比沖性能不具優(yōu)勢。雖然硼相比鋁具有更高的熱值，但由于硼基富燃料推進(jìn)劑中硼含量相對較低，該配方體系下，其在水下巡航段的比沖低于鋁基固體推進(jìn)劑。

為提高跨介質(zhì)工作條件下發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能，本文提高了硼基富燃料固體推進(jìn)劑中的硼含量，對兩種推進(jìn)劑配方，分別為硼含量53.5%(配方一)和63.5%(配方二)，在水下巡航段的發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能進(jìn)行了計(jì)算，圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)比沖隨水燃比的變化曲線。

圖3 不同推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)比沖隨水燃比變化

由圖3可以得出，發(fā)動(dòng)機(jī)理論比沖隨推進(jìn)劑中硼含量的提高而增大。硼含量53.5%時(shí)，硼基推進(jìn)劑比沖性能和鋁含量75%的鋁基固體推進(jìn)劑比沖性能相當(dāng)；硼含量63.5%時(shí)，硼基推進(jìn)劑比沖性能在跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作水燃比范圍內(nèi)優(yōu)于鋁基固體推進(jìn)劑。因此，本文采用硼含量63.5%的硼基富燃料固體推進(jìn)劑進(jìn)行現(xiàn)階段跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能分析，硼含量提高后的藥柱制備及燃燒性能等問題后期可通過硼顆粒的改性處理、制備工藝的改進(jìn)以及藥柱性能研究等方式解決。

2.2 空中工作特性

本文忽略跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈的發(fā)射加速階段，只計(jì)算空中巡航段的工作特性?？缃橘|(zhì)反艦導(dǎo)彈固體推進(jìn)劑藥柱藥面直徑取為500 mm，在高空巡航段與掠海巡航段巡航高度分別為10 km、5 m，飛行過程中沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)技術(shù)，噴管在兩段飛行中均按最佳膨脹比進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)理論性能計(jì)算方法[19]，以滿足跨介質(zhì)彈道各段推力為目標(biāo)，通過迭代計(jì)算，獲得跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在彈道各階段硼基富燃料固體推進(jìn)劑的質(zhì)量流量，迭代計(jì)算方法如圖4所示。

圖4 確定燃料質(zhì)量流量的迭代方法

根據(jù)來流總壓，考慮進(jìn)氣道總壓損失，選取高空巡航段、掠海巡航段補(bǔ)燃室的壓強(qiáng)分別為0.25、0.61 MPa。計(jì)算得到高空巡航段、掠海巡航段富燃料固體推進(jìn)劑質(zhì)量流量分別為1.59、7.63 kg/s，空燃比分別為9.7、6.78。

根據(jù)空燃比以及補(bǔ)燃室壓強(qiáng)，通過熱力計(jì)算獲得高空巡航段和掠海巡航段跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的特征速度分別為1223.9、1298.7 m/s，進(jìn)而計(jì)算高空巡航段、掠海巡航段發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉部、出口以及燃?xì)獍l(fā)生器喉部、出口直徑等參數(shù)，如表6所示。

表6 空中工作段發(fā)動(dòng)機(jī)工作/結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 水下工作特性

根據(jù)跨介質(zhì)導(dǎo)彈在水下巡航段的彈道參數(shù)，同時(shí)考慮進(jìn)水流道總壓損失及噴注壓降，水下巡航段補(bǔ)燃室工作壓強(qiáng)為2.5 MPa。同樣以實(shí)現(xiàn)水下推阻平衡為目標(biāo)，通過迭代計(jì)算，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)赓|(zhì)量流量為5.66 kg/s，進(jìn)而計(jì)算得到水下巡航段發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)如表7所示。

表7 水下巡航段發(fā)動(dòng)機(jī)工作/結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文對水下勻速爬升及下潛兩種機(jī)動(dòng)情況進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算過程中假設(shè)：

(1)導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過程中速度保持不變，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水流量不發(fā)生變化；

(2)導(dǎo)彈爬升或下潛過程中環(huán)境壓強(qiáng)隨深度線性變化；

(3)跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過程中通過燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)改變推力，以匹配彈體阻力的變化。

依據(jù)水下航行阻力公式和確定燃料質(zhì)量流量的迭代方法可得到不同深度的最佳燃?xì)饬髁?，進(jìn)而計(jì)算得到水下爬升/下潛段燃?xì)獍l(fā)生器喉部直徑隨深度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 水下機(jī)動(dòng)段燃發(fā)器喉部直徑隨深度變化

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作參數(shù)

表8給出了本文跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作參數(shù)。可以看出，跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在空中和水中兩種工作狀態(tài)下，補(bǔ)燃室壓強(qiáng)存在較大差異，這也導(dǎo)致空中和水中工作時(shí)噴管喉部面積發(fā)生變化，需要對噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對噴管結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)[20]。

圖6為硼基跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)初步方案設(shè)想圖。

圖6 硼基跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)初步方案設(shè)想圖

表6 跨介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作參數(shù)

3 結(jié)論

(1)針對所提出的跨介質(zhì)反艦導(dǎo)彈外形及彈道，計(jì)算獲得了高空巡航段、掠海飛行段、入水過渡段以及水下巡航與機(jī)動(dòng)段的彈體阻力變化。

(2)采用硼基富燃料固體推進(jìn)劑，高空飛行條件下，硼含量33.5%時(shí)，跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖相比采用鋁基推進(jìn)劑(鋁含量75%)更具優(yōu)勢；水下工作條件下，硼含量63.5%時(shí)，在工作水燃比范圍內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能優(yōu)于采用鋁基推進(jìn)劑。通過提高固體推進(jìn)劑硼含量，能夠提高空水工作條件下跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)理論比沖性能。

(3)針對硼基富燃料推進(jìn)劑跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，完成了能夠?qū)崿F(xiàn)空水一體化工作的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)選取和主要參數(shù)計(jì)算，并給出了跨介質(zhì)彈道條件下推力變化過程中實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)所需的喉部直徑變化。

(4)相比采用鋁基推進(jìn)劑，硼基跨介質(zhì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有更優(yōu)的理論比沖。但是，硼基跨介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展仍面臨高含量硼基藥柱制備、硼水燃燒組織以及發(fā)動(dòng)機(jī)噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等困難。