倾斜发射导弹燃气流对发射箱前盖冲击数值仿真

王学智, 刘少伟, 王 伟, 杜振宇

(空军工程大学防空反导学院, 西安 710051)

0 引言

在多联装箱式发射装置中,导弹滑离发射箱后高温高速的燃气流会对邻箱前盖产生强烈的冲击效应[1-2],如果箱盖强度设计不合理,可能造成前盖被射流冲破,威胁发射安全。采用倾斜发射方式的导弹在滑离出箱过程中,存在由重力作用引起的头部下沉、整体下沉和偏转现象,这使得燃气射流对箱盖的冲击影响变得更加复杂。目前,相关文献对这一问题研究较少,并且在研究中未考虑导弹的下沉和偏转因素对流场分布的影响。

文中将导弹滑离过程运动参数计算与流场仿真计算相结合,针对导弹从下箱发射和从上箱发射两种工况下,分析燃气流对联装架上其它发射箱前盖的冲击载荷分布及变化规律,进一步研究改变导弹滑离参数降低射流对前盖冲击效应的方法。

1 分阶段导弹滑离参数计算

对于不同时滑离的导弹,导弹发射时,其初始运动过程可分为约束期、半约束期和无约束期,在半约束期导弹发生头部下沉,在无约束期导弹发生整体下沉[3]。

导弹3个阶段的滑离参数计算采用文献[4]中的计算模型和公式。导弹滑离导轨后的速度为:

2 仿真模型建立

2.1 计算网格

四联装发射箱置于发射车上,此阶段导弹已经从一个发射箱中完全滑离,发射号位的发射箱前后盖均已开启,另外3个发射箱的箱盖均处于关闭状态。导弹运动经过的区域采用非结构化网格,远离导弹的区域采用六面体结构化网格[5],整个计算区域网格节点总数量为90万。以导弹从下箱(1号箱)发射为例说明,导弹与发射箱网格划分如图1所示。

采用局部区域运动与弹性光顺法、局部网格重构法相结合的动网格更新方法[6-7],将导弹第三阶段的运动参数(速度、角速度)赋予喷管内部流场区域和导弹弹体,使喷管内部网格与导弹同步运动。

2.2 边界条件设置

计算从喷管入口开始,收敛精度为10-3。压力入口边界条件:即喷管入口边界条件,取发动机燃烧室内总压,其值为9.8 MPa,燃烧室总温为3 300 K。压力出口边界条件:设定流场计算的边界为压力出口,取周围大气边界条件,即压力为101 325 Pa,温度为288 K。壁面边界:未开启的发射箱前后盖、箱体以及导弹弹体均设定为无滑移壁面边界。

3 仿真结果及分析

3.1 下箱发射导弹流场仿真

导弹滑离出箱后,随着导弹的运动,燃气流对其它3个发射箱前盖的冲击作用不断变化,发射箱前盖表面的压力也随之变化,3个箱盖表面最大压力(绝对压强)变化曲线如图2所示。

由图2可知,导弹刚出箱时箱盖表面压力并没有明显升高,随着导弹向前运动,前盖压力先增大后减小。在导弹出箱30 ms时箱盖表面压力迅速增大,70 ms时箱盖压力达到最大值,压力最大值可达0.148 MPa,高压影响持续时间约为50 ms。随后,导弹远离发射箱,燃气流对发射箱冲击逐渐减弱,箱盖表面压力降到一个大气压。整个过程中,2号箱盖(位于导弹正上方)表面压力数值比3、4号箱盖高,说明下箱发射时燃气流对处于其正上方的发射箱前盖冲击效应最大。

图3为导弹出箱80 ms时刻3个发射箱前盖压力分布云图。

由图3可看出,2号箱盖表面压力值比3、4号箱盖压力值大,并且其高压区域不断向箱盖上部扩展,这主要是由射流轴线不断向上偏转所致。另外,2号箱盖最大压力位于其下边缘,存在一定程度的应力集中。

3.2 上箱发射导弹流场仿真

本阶段针对导弹从2号箱(上箱)发射的情况进行研究,仿真建模方法与下箱发射时方法相同。导弹从上箱滑离出箱后,3个前盖表面最大压力(绝对压强)变化曲线如图4所示。

由图4可知,导弹出箱初始阶段,位于上层的3号箱盖表面压力比下层1、4号箱盖的压力高,这主要是由于导弹在出箱时刻就已经具有一定的偏转角度(由第二阶段产生),出箱后射流轴线继续向上偏转,减弱了射流对下层1、4号箱盖的冲击效应。但导弹同时存在下沉运动,导弹的下沉使得射流对下层1号箱盖的冲击影响不断增大,90 ms时压力达到最大值0.124 MPa,其压力峰值时刻延后于3号箱盖峰值时刻30 ms。随后,导弹远离发射箱,燃气流对发射箱冲击逐渐减弱。另外,对比图2和图4可知,导弹上箱发射的射流冲击效应小于下箱发射的冲击效应,这是由于导弹存在偏转运动造成的,射流轴线的向上偏转使得高温高速射流流向联装箱上方,减弱了射流对联装箱的冲击效应。

图5是出箱80 ms时刻多联装发射箱前盖压力分布云图。

由图5可看出,燃气射流对下方发射箱前盖的冲击增强,且最大压力区域位置由上边缘下移,这主要是由于导弹的整体下沉引起的,导弹的下沉使得燃气射流对下箱前盖的影响增大。

3.3 不同滑离参数对射流冲击效应的影响

通过导弹上箱和下箱发射燃气流场仿真可以看出,导弹出箱后的偏转和下沉对冲击效应有一定的影响。导弹离轨时的滑离参数(速度、角速度等)受到多方面因素的影响,包括导弹发动机推力、导轨长度、前后定向件位置等。文中重点研究改变前定向件滑行距离和后定向件滑行距离对射流冲击效应带来的影响。导弹下箱发射时射流对发射箱前盖的冲击效应较大,因此以导弹下箱发射为例进行研究。选取A、B两种工况与标准工况进行比较,其中A工况为增加前定向件滑行距离,B工况为减小后定向件滑行距离,标准工况为前述中的模型。A、B两种工况与标准工况的具体参数如表1所示。

表1 不同工况的滑离参数

仿真计算A工况的射流冲击效应,图6为A工况的箱盖表面最大压力变化曲线。

从图6可看出,A工况的静压峰值为0.129 MPa,比标准工况的静压峰值0.148 MPa减小了0.019 MPa,说明增加前定向件滑行距离可在一定程度上减小射流对前盖的冲击效应。

采用同样方法仿真计算B工况的射流冲击效应,图7为B工况的箱盖表面最大压力变化曲线。

从图7可看出,B工况的静压峰值为0.132 MPa,比标准工况的静压峰值0.148 MPa减小了0.016 MPa,说明减小后定向件滑行距离可在一定程度上减小射流对前盖的冲击效应,但冲击效应减小幅度比A工况小。

4 结论

文中建立了导弹滑离过程数学模型,分析了不同弹位导弹滑离出箱之后燃气流场对其它弹位箱盖的影响情况,并通过改变前定向件滑行距离和后定向件滑行距离分析射流对箱盖的冲击效应,给出了冲击效应影响机理,文中的仿真结论可以对倾斜发射装置工程优化设计提供一定的参考。

参考文献:

[1] 苗瑞生. 发射气体动力学 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2006: 318-323.

[2] 马艳丽, 姜毅, 郝继光, 等. 固体发动机燃气射流对发射平台冲击效应研究 [J]. 固体火箭技术, 2010, 33(4): 373-376.

[3] 姚昌仁, 张波. 火箭导弹发射装置 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1998: 132-134.

[4] 王伟, 王学智, 刘少伟. 导弹燃气射流对多联装发射箱前盖影响数值模拟 [J]. 计算机测量与控制, 2013, 21(10): 2747-2749.

[5] 王汉平, 吴菊华. 基于CFD的潜射导弹筒口压力场预测 [J]. 弹道学报, 2011, 20(4): 73-76.

[6] 姜毅, 郝继光, 傅德彬. 导弹发射过程三维非定常数值模拟 [J]. 兵工学报, 2008, 29(8): 911-915.

[7] 杨风波, 马大为, 任杰, 等. 新型车载同心筒流场机理与热环境研究 [J]. 固体火箭技术, 2014, 37(3): 301-306.