某导弹垂直发射装置的机构设计与强度校核

罗欣健，王辉，乐贵高，张英琦

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094;2.航天科技集团第七研究院研发中心，四川成都 610100）

武器系统的发射一般包括3个方面的内容:发射基点、发射姿态以及发射动力。垂直发射指的是发射姿态，而弹射则是指发射动力。垂直发射方式以前应用于战略导弹系统，由于应用垂直发射技术使得导弹系统具有快速反应能力好、发射效率高、结构简单、工作可靠、成本低廉等特点，自20世纪60年代起，各国争相展开该系统的研究［1］。本文根据导弹尺寸及相关要求对垂直发射装置进行了结构设计，设计中避免了发射导弹对邻箱导弹的触发式点火等情况的发生，并依据有限元软件进行了结构的强度校核。

1 垂直发射的背景与发展

1.1 舰载导弹垂直发射的背景

导弹的垂直发射并不是新概念。多年来，“北极星”和“海神”导弹就是由潜艇从水下抛出，并垂直发射的［2］。陆基的洲际弹道式导弹也是直立于地下井中，准备随时发射。有人和无人操纵的人造地球卫星也都是垂直发射。然而，垂直发射通常用在大型、战略或航天的导弹，这些导弹既不需要、也不适合用可熟练操纵的机械发射装置。最近，由于惯性仪表灵敏度的改进及其尺寸的减小和成本的降低，使得垂直发射应用在较小的战术导弹上的可行性大大增加［3］。现在看来，垂直发射高性能的导弹，在发射速度和战术灵活性方面均将获得明显的提升。由于敌人高性能的飞机和导弹饱和袭击的威胁，以及缩减军事预算的现状，在降低成本的同时，改进战术导弹的快速反应能力已成为当务之急。

1.2 舰载导弹垂直发射的优势

a）节约时间

由于垂直发射装置用不着把时间花费在装填或瞄准上，因此可以预料，发射速度会是相当快的。这种发射方法不仅几乎能同时发射几枚导弹，而且直到弹仓用完，能够始终维持这样快的发射速度。

b）定位范围广

导弹垂直发射具有无发射盲区、空间紧凑、模块化装填等优点，是大型舰载平台比配的武器装备。

c）安全性高

发射装运箱垂直地隐藏在舰体中，直到发射时，它们对来自敌方的破坏都可得到最大的保护。

1.3 舰载导弹垂直发射的发展趋势

目前，各海军强国不断加大对舰载导弹垂直发射系统的科研投入。以通用化和模块化为方向，使垂直发射系统结构简单、工作可靠、全寿命周期费用少，实现多种弹型共架发射，冷、热发射方式的导弹共架发射。主要有以下几种:1）共架发射技术;2）大倾角冷发射技术;3）同心筒发射技术。

2 垂直发射机构结构设计

2.1 垂直发射方式的方案选择

根据导弹的尺寸主要技术参数:导弹长7 m、弹半径320 mm、弹重850 kg，发动机推力85 kN，以4联装为一个单元，安装总高度不大于8 m，导弹模型见图1。

图1 导弹模型图

实现舰载导弹垂直发射目前有两种方式:同心筒发射和公共排导发射。燃气流公共排导是当今舰载导弹垂直发射装置最为常用的一种燃气排导模式，而同心筒技术则是近年来新兴的一种垂直发射技术。从结构特性入手，对两种类型发射装置的多项性能指标进行分析和比较，同心筒技术在燃气排导性能、可靠性、安全性等方面具有一定优势，而采用公共排导技术的发射装置在备弹量、适装性等指标方面占优［4］。两种技术各有特点，应根据实际使用要求以及不同的装舰对象区别应用。本文选择公共排导垂直发射方式。

2.2 垂直发射机构的结构设计

a）发射箱与排焰道的结构设计

发射箱如图2所示，用于装载和储存导弹，垂直地隐藏在舰体中直至发射，它们对来自敌方的破坏都可得到最大的保护。排焰道用于导出导弹发射时尾部射出的热流，防止气流干扰。

图2 发射箱与排焰道的机构模型

b）隔离防护装置与导流锤的结构设计

隔离防护装置在邻箱导弹放射时，阻隔气流，防止对本箱导弹造成影响。导流锥设计成圆弧形，有利于将气流导向排焰道，实现公共排导。

在图3中，上图为隔离防护装置，下图为导流锥。

图3 隔离防护装置与导流锤的机构模型

c）闭锁挡弹装置与适配器的结构设计

发射箱中有4个闭锁挡弹装置，储存导弹时用于托住4个柱脚，起固定支撑作用。

适配器安装在导弹体上，用于填充导弹与发射箱之间的间隙，适配器背面有凹槽，与发射箱内导轨配合，导引导弹在膛内的线路，提高精确性。

在图4中，左图为闭锁挡弹装置，右图为适配器。

图4 闭锁挡弹装置与适配器的机构模型

d）四联装发射箱

图5所示为四联装发射箱结构模型。

图5 四联装发射箱的机构模型

3 垂直发射机构强度校核

导弹发射瞬间，发射装置在高温、高压燃气作用的恶劣工况下工作，有关垂直发射装置的燃气排导问题一直受到广泛关注，燃气排导问题是该机构强度校核的关键。

3.1 有限元建模

线性静力分析是结构设计与强度校核的基础。静力分析求解承受静力载荷（包含由定常加速引起的平衡惯性载荷）作用于结构的响应问题，所采用的基本有限元方程为: ［k］{u}={p}

式中，［k］为结构的弹性刚度矩阵;

{u}为结点广义位移向量;

{p}为结点载荷向量。

上述全结构的刚度矩阵［k］是按全部结点（含标量点）的全部自由度装配而成，对应的位移集称为g集，相应的刚度矩阵称之为［k］，该矩阵往往可能是奇异的，不能直接被分解。一股需进行如下运算:

1）多点约束减缩（MPC），消去线形相关自由度（可选的）;

2）M单点约束减缩（SPC），消去刚体运动自由度;

3）静力减缩（OMIT），减少求解问题的规模（可选）;

4）自由体支持（SUPORT），分析惯性卸载问题。

三维实体模型及其有限元网格与材料模型仍然采用模态分析中的模型［5］。边界条件中的边界约束为底部固定，载荷施加根据实际工作中的条件而定。

3.2 结构强度校核

导流锥圆弧面受导弹发射时的冲击集中力，受力大小为80 kN，利用ABAQUS CAE计算应力云图如图6所示。

图6 导流锥网格划分与应力云图

当导弹发射时，密封盖用于防止邻箱气流对本箱导弹造成影响。密封盖受导流锥反射的冲击，极限压强为8个标准大气压，校核其强度如图7所示。

图7 密封盖网格划分与应力云图

校核结果可以从应力图上看出，应力最大值为8.690 kgf/mm2，图中各节点及单元的应力大小均在可承受范围内，符合强度条件。

4 结语

本文针对舰载导弹垂直发射装置，初步设计了相对较完善的垂直发射装置结构单元。在完成装置机构设计的基础之上，运用有限元分析方法对垂直发射装置的强度进行了校核，经校核，该机构完全符合相关强度要求。

［1］徐悦，张振鹏，陈小庆.舰载导弹垂直发射技术研究进展［J］.导弹与航天运载术，2007（3）:22-25.

［2］姜毅，郝继光，傅德彬，等.新型引射同心筒垂直发射装置理论及试验研究［J］.宇航学报，2008（1）:236-241.

［3］朱军.舰载导弹垂直发射装置的新进展［J］.导弹与航天运载技术，2002（8）:40-45.

［4］西北工业大学、南京航空学院、北京航空学院合编.气体动力学［M］.北京:国防工业出版社，1980.

［5］庄茁，由小川，廖剑晖，等.基于ABAQUS的有限元分析和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009.