某发射筒易碎盖结构设计

赵小刚

摘 要： 针对使用方的设计要求，设计一种胀破发射筒易碎盖，以硬质聚氨酯泡沫树脂为原材料制备某发射筒易碎盖重要组成盖板，通过对结构构成分析、设计计算，确定易碎盖的成型结构；并通过后续试验验证，制备出满足性能要求的易碎盖。

关键词： 易碎盖；结构设计；试验验证

1 引言

随着武器系统的更新换代，其发射装置也得到了迅速发展，性能直接影响整个武器系统的作战性能。发射筒盖不仅担负着防止筒体内气体泄漏的任务，而且要求发射时能够迅速打开，缩短发射的响应时间，是武器贮存和发射系统的重要组成部分。

目前，我国发射筒多采用机械打开形式的金属盖[1-3]，它不但增加了发射筒的质量，而且开盖形式复杂，不利于武器系统发射时的应急反应。因此，研发以筒内燃气直接开盖的易碎盖技术成为现阶段发射筒盖的主流。

硬质聚氨酯泡沫塑料具有质量轻、密封易调整、比强度高、绝热、隔音、防震、抗冲击等优良性能[2]，被广泛应用于冰箱、建筑、交通运输、军用航空等诸方面。近年来，以高密度（200～750g/cm3）聚氨酯硬泡材料作为结构材料的应用也悄悄兴起[3]，这得益于其具有优异压缩强度、拉伸强度、冲击强度以及弹性模量和尺寸稳定性，因而用于制备发射筒易碎盖（以下简称易碎盖）具有其他材料无以比拟的优势。

2 易碎盖结构设计

2.1性能要求

根据使用方及发射筒的使用要求，易碎盖须具有如下结构性能：

a）发射筒前、后盖应能自动开盖，便于武器系统发射；

b）前盖能承受相邻武器系统发射时燃气流的冲击；

c）前、后盖能承受装填、起吊和运输等过程中的载荷作用；

d）前、后盖与发射筒筒体间采取密封措施，保证发射筒的气密性；

e）发射时，前易碎盖应能让开通道，且不干涉其运动；

f）前盖周向应齐根断裂，断裂后残留物在径向上不允许进入发射筒内径范围内；

g）后易碎盖上预设沟槽，发射时，后易碎盖沿周向预制沟槽断裂。

2.2结构组成及功能

易碎盖由外盖板、聚氨酯泡沫板、法兰环和内盖板组成，其结构组成如图1与图2所示。易碎盖与筒体一起构成一个密闭的空间，充干燥氮气，为武器系统的贮存提供良好的工作环境。发射时，易碎盖在发动机燃气流的作用下胀破，自动开启，让开发射通道。其中，前盖在相邻筒发射时，还应能承受发射燃气流冲击。

将易碎盖设计成如图2所示的结构，当压力由外向内作用时，力通过较强的金属盖板直接传递给法兰，承载能力较强，具有保护泡沫板的作用，充当保护盖。当燃气流由内向外作用时，力则通过硬质聚氨酯泡沫结构传递给法兰，承载能力较弱，易于开盖。这种结构最大的优点是可以对向内、向外的承载能力进行分别设计。

整个前、后盖的重量较轻，考虑易碎盖不分瓣，整体抛出。燃气流作用时，内盖板主要承担弯曲应力，硬质聚氨酯板主要承担剪切应力。同时内盖板起切刀作用，硬质聚氨酯板被切断时断口会比较整齐，利于出筒；同时，将金属保护盖与聚氨酯泡沫易碎盖融为一体设计，减少打开保护盖的操作步骤，缩短作战反应时间，提高武器系统作战效能。

2.3设计计算

2.3.1 内压力指标的确定

易碎盖内压力指标主要由使用条件确定。在贮存时，筒内充5kPa±1kPa，氮气置换时。筒内相对压强为20kPa±5kPa。发射筒的最大使用海拔高度为3500m，此高度与海平面的的压力差为42.5 kPa。因此，可以将易碎盖承受内压力的指标确定为65 kPa。

2.3.2 外压力指标的确定

前盖在相邻筒发射时，需要承受发射燃气流的压力作用，按照其它型号的经验定为90 kPa。

2.3.3 外盖板厚度计算

外盖板主要承受相邻燃氣流压力。可以视为承受均布压力的周边简支的圆板。圆板中心的应力最大。初步取板厚为2mm，按下式进行强度校核：

2.3.4 硬质聚氨酯板厚度计算

硬质聚氨酯板主要承受内压传递的剪切力。根据内压力的指标可以计算其所承受的剪切力。

硬质聚氨酯板的承载能力与密度有关，取已有型号易碎盖同样的密度0.35g/cm3，其剪切强度为[σ]=2MPa。可以计算硬质聚氨酯板的厚度。

为增加易碎盖刚度，将其余部分厚度设计为4mm，剪切面预制沟槽，厚度定为2.4mm。

因为已有型号的易碎盖为拉应力破坏，许用剪切应力是通过换算得到的。后续需要通过试验测得破坏剪切力，进一步调整预制沟槽处的壁厚。

2.3.5 内盖板厚度计算

内盖板主要承受内压传递的弯曲应力。可以视为承受集中力的周边简支的圆板。圆板中心的应力最大。初步取板厚为2mm，按下式进行强度校核：

代入各参数进行强度校核，此时σ=1661MPa，远大于[σ]，故板厚2mm不满足要求。几次调整后，板厚取4mm。此时σ=364MPa，小于[σ]可以满足要求。

3 试验验证

3.1易碎盖气密试验

将制备好的易碎盖装于发射筒上，将发射筒内充入气体至压力为20KPa，保压3min，检查压力的稳定性。通过对五组易碎盖分别装配在发射筒前后进行气密试验，其压力均稳定在30KPa。说明制备的易碎盖能够满足气密要求。

3.3易碎盖爆破试验

制备好易碎盖后，需进行气压爆破试验，验证易碎盖是否满足设计要求，分别取5组（每组3个）易碎盖进行正、负压爆破试验，试验时要求工装气密性好、不漏气、充气速度均匀。试验过程中气压达到120kPa时，易碎盖未涨破则终止试验，试验结果如表1所示：

从上表实验结果，可以看出易碎盖正、负压均满足设计要求。

4 结论

本文从易碎盖结构方面着手，设计一种较为理想的易碎盖结构形式，通过结构方案设计，试验验证，最终确定易碎盖的结构形式及参数，制备出符合产品技术要求的易碎盖。

与传统的易碎盖相比，这种易碎盖结构最大的优点是可以对向内、向外的承载能力进行分别设计。在聚氨酯泡沫板成型制作上，提前将法兰环与外盖板放入模具，一次发泡将法兰环、聚氨酯泡沫板、外盖板粘接一起，减少后续装配粘接工序，节约易碎盖生产时间和生产成本。金属保护盖与聚氨酯泡沫易碎盖融为一体设计，在作战时，减少传统易碎盖打开保护盖的操作步骤，缩短作战反应时间，提高武器作战效能。

参考文献

[1] 孙建中.美国海军的新型舰载垂直发射装置[J].现代防御技术，2001.

[2] 曹然，周光明.复合材料易碎盖薄弱区结构的参数化设计[J].固体火箭技术，2015.

[3] 刘易军.聚氨酯树脂及其应用[M]，北京：化学工业出版社，2012.