某小型弹体发射系统低压发射室降压方案研究

杨 文，屠小昌，陈 静，文 冲，吴 昊，李 静

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）



某小型弹体发射系统低压发射室降压方案研究

杨 文，屠小昌，陈 静，文 冲，吴 昊，李 静

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

摘 要：针对某小型弹体发射系统低压发射室峰值压强过大的问题，以经典的内弹道理论为基础，根据系统设计参数及内弹道预估结果，分析了影响低压发射室峰值压强的主要因素，提出了降低峰值压强的3个主要方法：增大低压发射室初始自由容积、减小主装药初始燃面和增大喷管喉径。通过该方法低压发射室峰值压强从最初的0.96MPa降低到了0.58MPa，降低了约40％。最后通过试验验证了该方法的可行性及内弹道预估的可靠性，并根据预估结果设计出了满足技术指标要求的弹体发射系统。

关键词：弹体发射系统；低压发射室；内弹道；峰值压强

目前弹体发射系统正朝着小型化、轻型化的方向发展，这就要求减小弹体发射系统的重量，而低压发射室壳体是弹体发射系统的主要结构件。随着非金属复合材料的发展[1]，低压发射室壳体往往采用轻型薄壁非金属复合材料，这种非金属壳体承压能力较低，因此低压发射室的峰值压强应尽可能小，以保证其安全性和可靠性。另外，在弹体发射过程中，为了保护弹上仪器，其所受发射加速度不允许过大，这就要求降低低压发射室的峰值压强，以减小过载冲击。

针对上述问题，本文采用经典的内弹道理论对弹体发射系统的高、低压室的内弹道性能进行预估，并对影响低压发射室最大峰值压强的设计参数进行了分析，提出了降低峰值压强的主要方法，设计了满足技术指标要求的弹体发射系统，并通过试验验证了降压方案的可行性及内弹道预估的可靠性。

1　弹体发射系统指标要求

弹体发射系统必须满足相关的性能指标和结构、可靠性、安全性等要求。某小型弹体发射系统的主要技术指标要求见表1。

2　内弹道性能预估分析

2.1物理模型分析

弹体发射系统主要由高压燃烧室、低压发射室、点火器等组成，其物理模型如图1所示。

图1　弹体发射系统结构简图Fig.1 The structure of the missile launching system

高压燃烧室内的主装药燃烧，产生高压、高温燃气，高压、高温燃气通过高压燃烧室的喷嘴流入低压发射室；低压发射室通过弹体处于密封状态，随着高温、高压燃气的进入，低压发射室的压力升高，弹体逐渐从静止状态变为加速运动状态，而随着弹体的加速运动，低压发射室容积增大，压强逐渐减小或趋于平缓。一般对于低压发射室，在装药初始燃烧段，弹体速度很低，燃气质量流入较大，这就使得发射室内的压强急剧上升，从而使得发射室的过载冲击急剧增大。因此，为保证低压发射室和弹上仪器在工作过程中的安全性和可靠性，必须采取必要的措施，以降低发射室的最大峰值压强。

2.2高压燃烧室主装药设计分析

在弹体发射过程中，弹体直径值为常量，要保持弹体的恒定推力及加速度值，必须要求发射室的燃气压强保持恒定不变，由于低压发射室的燃气容腔变化率基本会与弹体速度变化率成正比关系，在燃气压强不变的情况下必然要求装药燃面变化率与弹体速度变化率成正比快速增长。因此，高压燃烧室装药采取渐增燃面设计技术[2]，这样不仅可以保持发射室压力相对稳定，而且可以有效减小初始燃气质量流入，降低峰值压强，减小过载冲击。

考虑到火药生产限制因素，必须选择合适的主装药品种，设计相应的装药药型及尺寸。本研究中主装药选择燃速较高的推进剂- 1，其主要性能参数见表2。按照火箭导弹弹射内弹道理论及能量守恒定理[3]，初步计算推进剂药量m=5.6g，根据药量及低压室压力持续时间要求，方案初步设计8根内孔管状燃烧装药设计结构（单根药柱尺寸：Ф7.0mm×Ф2.2mm× 14mm），实际药量m=6.7g。

表2　推进剂-1主要性能参数Tab.2 The main performance parameters of the propellant-1

2.3内弹道性能预估

为了设计出满足技术指标要求的弹体发射系统，需要对高压燃烧室和低压发射室的内弹道性能进行预估分析。按照固体火箭发动机设计方法，依据初始平衡段燃气质量生成速率与喷管质量流率相等模型（令高压燃烧室初始平衡压强P＝9.5MPa），初步确定高压燃烧室喷管喉径dt=3.2mm，喉道面积St=8.0mm2。根据经典内弹道方程组，采取零维内弹道算法，在基本假设条件下[4-5]，可得到高压燃烧室上升段和平衡段的内弹道解析式。

2.3.1高压燃烧室内弹道性能预估

（1）上升段内弹道分析

由于上升段时间一般较短，在此期间认为装药燃面始终等于初始燃面，高压燃烧室自由容积始终等于初始自由容积，则根据上升段内弹道解析式（1）和初始平衡内弹道解析式（2），可计算出高压燃烧室上升段初始平衡压强Peq＝9.7MPa、上升段时间t＝2.2ms（令P1=0.95Peq）。从其上升段时间可以看出，上升段时间非常短，因此在初步设计时，可以不考虑上升段的内弹道性能，而直接从平衡段开始。

式（1）～（3）中：推进剂特性参数见表1所示；Peq为高压燃烧室上升段初始平衡压强；Pig为点火压强，取Pig＝9.5MPa；S0为装药初始燃面，初步设计取S0=773.0mm2；St为喷管喉道面积，取St=8.0mm2；φ1为流量消耗系数，取φ1＝0.9；q1为热损失系数，取q1＝0.9；V1为高压燃烧室初始自由容积，取V1＝15.5cm3。

（2） 平衡段内弹道分析

首先认为喷管没有摩擦和热损失。将装药肉厚e划分成相等的m个区间，代入不同肉厚（e=0～2.4mm）的燃面数据，依据平衡段内弹道解析式（4）、推进剂-1燃速公式（5）、累计燃烧时间公式（6）,可计算出每个区间对应的压强P2i、推进剂燃速u2i及累计装药燃烧时间ti。图2所示为其内弹道曲线。

式（4）～（6）中：Si为装药燃面，是变量值，根据药柱结构可知装药燃面变化公式为Si=π (d+2ei)h，其中d为药柱内径（初步设计取d=2.2mm），h为药柱长度（初步设计取h=14mm），ei为药柱内孔燃烧肉厚。

从图2可知，随着装药燃烧时间的持续，高压燃烧室的压强先是逐渐上升，然后上升速率加快，这主要是由于增面燃烧规律和指数燃速推进剂引起的。

同时从图2可知，高压燃烧室后期燃烧结束点压强达到了65MPa，这将极大地提高燃烧室的结构强度要求，同时对于常规推进剂，高压燃烧下有可能导致推进剂燃烧失衡，因此需要降低燃烧室的后期燃烧压强，根据公式（4）可知，可以通过增大喷管喉径（喷管喉道面积St）来降低燃烧室的压强。

2.3.2低压发射室内弹道性能预估

不考虑高压燃烧室上升段和下降段过程，只从平衡段开始，采用低压室等温假设简化算法，依据高压燃烧室药柱累计燃烧质量方程（7）、等温气体状态方程（8）、弹体运动方程（9）、弹体速度方程（10）联立迭代求解，即可对低压发射室的内弹道性能、弹体分离速度及对应行程进行预估。图3为低压发射式的内弹道性能曲线。

式（7）～（10）中：Ni为低压发射室燃气流入质量；τ1为发射室相对温度系数，取τ1=0.52；V3i为发射室行程增加容积，其中V3i=DLi，Li为弹体在发射室的累计行程；u3i为弹体在累计行程Li时的速度；q2为次要功系数，取q2=1.1；V2为发射室初始自由容积，取V2=30cm3。

图3　低压发射室内弹道曲线Fig.3 The interior ballistic curve of low pressure launching chamber

从图3可以看出，低压发射室的峰值压强出现在弹体初始运动段，这主要是由于弹体初始速度很低、燃气质量流入较大、发射室内燃气压强急剧上升引起的，而其峰值为0.96MPa，不满足技术指标要求。因此，为了尽可能降低低压发射室的峰值压强，必须对与发射室压强有关的设计参数进行优化，以此来降低发射室的峰值压强。

从公式（8）可知，若是增大低压发射室初始自由容积V2和弹体初始阶段的累计行程Li或降低低压发射室初始阶段的燃气流入质量Ni，则发射室的峰值压强将会降低，而其余参数为定量值，可以不考虑。由公式（9）～（10）知，弹体累计行程的增大可以通过延长装药燃烧时间来获得，而延长装药燃烧时间必须降低高压燃烧室的压强。根据公式（4）知，高压燃烧室的压强与装药燃面和喷管喉径有关，因此可以采用减小主装药初始燃面和增大喷管喉径的方法来降低发射室峰值压强，同时减小主装药初始燃面也可以降低低压发射室初始阶段的燃气流入质量Ni。

3　系统主要设计参数确定

根据对高压燃烧室和低压发射室的设计参数及内弹道分析结果可知，在装药结构确定的情况下，降低低压发射室峰值压强主要有3种方法：增大低压发射室初始自由容积、减小主装药初始燃面和增大喷管喉径。

（1）增大低压发射室初始自由容积：主要是通过对燃烧室和发射室的结构进行优化设计，以提高发射室的初始自由容积，最终通过优化设计，其初始自由容积可增大到V2=150cm3；

（2）减小主装药初始燃面：主要是通过减小药柱内孔直径来实现，为了保证药柱不发生侵蚀燃烧和可靠被点燃，并保证8根药柱的燃烧一致性，药柱内孔直径不能无限减小，因此根据内弹道预估结果和实际设计经验，药柱内孔直径设计为d=2.2mm，8根总初始燃面Sc=773mm2；

（3）增大喷管喉径：喷管喉径增大，会使得燃烧室内的压强降低，而当压强降低到一定程度后，8根装药的燃烧一致性将会急剧降低，甚至有可能发生断燃，因此喷管喉径不能无限增大，根据内弹道预估结果和实际设计经验，燃烧室初始燃烧压强应设计为7.0MPa，而其而对应的喷管喉径dt=3.5mm。

4　内弹道预估及试验结果对比分析

根据内弹道预估结果确定的系统设计参数，进行了3发产品的性能验证试验，将试验结果与内弹道预估结果进行对比，如表3所示。

表3　内弹道预估结果与试验数据结果Tab.3 The interior ballistic prediction results and the test results

从表3中的优化前和优化后内弹道预估结果可以看到，方案参数优化后，低压发射室的峰值压强得到了极大的降低，从原来的0.96MPa降低到了0.58 MPa，降低了约40％，满足技术指标要求（P<0.7MPa）；当弹体行程达到0.75m时，弹体速度达到了29.9m/s，压力持续时间49ms，满足技术指标要求（v≥25m/s，40ms

从表3中的产品试验结果和优化后内弹道预估结果可以看到，低压发射室的产品试验结果与优化后的内弹道预估结果基本一致，验证了降压方案的可行性及内弹道预估的可靠性；高压燃烧室的初始峰值压强与优化后的预估结果相差较大，通过分析以为主要是内弹道预估没有考虑点火药的影响因素；高压燃烧室的最大峰值压强也比预估结果要小，而03产品与01产品的最大峰值压强差达到了10.3MPa，通过分析认为主要是因为8根装药燃烧一致性差引起的，对于该问题可以通过适当增大点火药量、提高药柱加工质量和提高药柱表面阻燃层涂敷工艺来解决。

5　结论

本文以经典的内弹道理论为基础，根据系统设计参数分析结果及内弹道预估结果，分析了影响低压发射室峰值压强的主要因素，提出了降低峰值压强的3个主要方法：增大低压发射室初始自由容积、减小主装药初始燃面和增大喷管喉径。最终确定了弹体发射系统的主要设计参数，并在该设计参数条件下，通过试验验证了降压方案的可行性。试验结果表明优化后的内弹道预估结果与试验结果基本一致，能够满足弹体发射系统的设计要求。

参考文献：

[1]卢嘉德.固体火箭发动机复合材料技术的进展及其应用前景[J].固体火箭技术,2001(1):46-52.

[2]王天辉,陈庆贵,何超.燃气发生器内弹道设计计算[J].现代防御技术,2014,42(2):56-60.

[3]袁曾凤.火箭导弹弹射内弹道学[M].北京:北京工业学院出版社,1987.

[4]钟战.燃气发生器点火与燃烧性能研究[D].长沙:国防科技大学,2008.

[5]李威海,王俊杰.潜地导弹发射动力系统[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2000.

Study on the Pressure Reduction Scheme for the Low Pressure Launching Chamber of A Small Missile Launching System

YANG Wen,TU Xiao-chang,CHEN Jing,WEN Chong,WU Hao,LI Jing
（Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi’an,710061）

Abstract：For the problem of high peak pressure of the low pressure launching chamber of a small missile launching system,the main factors affecting the peak pressure were analyzed,based on the classical interior ballistic theory,the system design parameters and the interior ballistic prediction results.The three main methods to reduce the peak pressure were presented,which were enlarging the initial free volume of the low pressure launching chamber,reducing the initial burning surface of the main charge and enlarging the nozzle throat diameter.By the methods,the peak pressure was reduced from the 0.96MPa to the 0.58MPa,which reduced about 40％.Finally,the feasibility of the method and the reliability of the interior ballistic prediction were verified by experiments.And the missile launching system which met the requirements of the technical indicators was designed according to the prediction results.

Key words：Missile launching system；Low pressure launching chamber；Interior ballistic；Peak pressure

作者简介：杨文（1986-），男，工程师，主要从事点火发动机与燃气发生器的研究。

收稿日期：2015-09-29

中图分类号：TJ450.2

文献标识码：A

文章编号：1003-1480（2016）01-0001-05