火箭炮方形发射管流场仿真分析

2018-11-08赫美琳高明慧

数字海洋与水下攻防 2018年2期

赫美琳，高明慧

(1.中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛125001；2.海军航空大学，山东烟台264001)

0 引言

多管火箭炮武器系统是第二次世界大战期间主要火力突击力量[1]，成为世界各国争先研制和发展的武器系统[2]，在舰船上也应用广泛。现役舰载火箭炮能形成快速有效的火力打击速度和密度，且其能携带多用途、大威力战斗部。多管火箭炮具有瞬时提供强大压制火力、发射多种不同性能的火箭弹、快速再装填等特点[3]，广泛应用于军队作战中。现代战争要求舰载火箭炮能具备小空间发射能力，减少火箭弹发动机后排尾焰，有必要研究新型发射管改善火箭炮武器系统性能。

目前舰载火箭炮发射方式主要采用火箭发动机敞口发射，如图1所示。火箭炮发射时，火箭弹的发动机尾焰通过定向器尾部向后喷射，会产生很大的声光信号，不利于火箭炮的隐蔽，同时火箭炮根据发射任务，需要有一定的发射空间，不利于小空间发射。

一些学者针对火箭炮在安装平台耦合干扰下的输出调节问题[4]、火箭炮发射系统轻量化[5]、船载火箭炮发射动力学仿真[6]、防空火箭炮刚柔耦合发射动力学仿真[7]、多管火箭炮密闭发射内弹道仿真[8]等问题进行了探讨。对新型发射管的研究还较少见诸论文中。

针对此问题，本文研究火箭弹在方形发射管中发射的可行性，设计导流结构排导发动机燃气，在方形发射管内部安装定向器，火箭发动机燃气经导流结构导向前部，从发射管和定向器边角进行燃气排导，根据工作条件进行流场仿真分析，为改进火箭炮性能提供参考。

1 火箭炮方形发射管模型

目前舰载火箭炮发射管采用圆形定向器、敞口发射，发动机燃气通过定向器排导到后方，需要较大的排导空间。由此设计新型发射管，如图2所示，方形发射管内部安装定向器，用来约束火箭弹，提供制止力、定向发射等功能。定向器与发射管4个角之间的通道作为发动机燃气排导通道。

方形发射管尾部作为火箭弹发动机燃气折转点，需要设计导流结构，保证燃气流平滑导向发射管燃气排导通道，降低内部压强，导流结构如图3所示，由导流锥和导流块组成。

发射箱技术指标：

1)发射箱外形尺寸：200 mm×200 mm×1 900 mm；

2)定向器口径：130 mm；

3)定向器长度：1 600 mm。

发射箱结构优点：

1)结构简单、重量轻、体积小；

2)单管能够自身解决发射燃气流排导(各自具有独立的燃气流排导系统)，省去了集中、公用燃气排导系统，使发射装置占用空间小、适装性强，火箭弹的发射互不影响，可满足火箭弹齐射；

3)定向器长度：1 600 mm。

2 发射管内流场仿真模型

应用数值模拟方法，通过ICEM CFD软件绘出方形发射管的三维流场网格，开展发射管内流场三维非稳态研究，利用FLUENT软件进行计算，得到计算结果及其相关数据。

通过数值模拟，研究发动机在发射管内的尾流场特性，获取方形发射管的压力分布规律等数据，为新型发射管的结构设计提供依据。

根据输入条件建立几何模型，如图4所示。

根据几何模型建立数值仿真模型，如图5所示。

局部网格如图6所示。

喷管入口边界条件以现有某发动机参数给定为压强入口，给定燃烧室总温总压，分别为2 350 K和9.8 MPa。外部流场出口为压强出口，温度为300 K。

求解过程采用分离显式求解步骤，顺序求解各方向上的动量方程、压力修正方程、能量方程等；时间采用一阶显式方案，控制方程以一阶迎风格式进行离散。

3 发射管内流场仿真结果

3.1 尾流场压力分布

图7给出了喷管尾部压力分布云图，从图中可以看出在喷管的流动中，喷管上部为高压区，下部为低压区，气流在两端压差的作用下流动。沿喷管轴线方向，气流压力逐渐降低，在喷管出口处气压最小。气流在收敛段出现急剧转折，伴随着气流的急剧压缩，压强急剧下降，因此采用方形发射管排导方式的尾部压强在安全范围内，不会影响发动机的安全运行。

图8给出了发射管导流结构底部压力云图，仿真结果可为发射管的设计提供参考。在发射管导流结构气流转折的地方压力最大，达到约3.4 MPa，这主要是导流锥提供了气流转向力。随后是一圈压力较低的圆环，该处没有受到气流的直接冲击，由于燃气气流向上排出，此区域压强较低，说明燃气排导较通畅，导流结构起到了燃气气流导向作用。

3.2 尾流场速度分布

图9为发射管内速度分布云图，速度在喷管内发生了急剧变化，从图中可以看出，沿喷管轴线方向，速度逐渐增大，在喷管喉部速度达到当地音速，处于临界状态。随着收敛段横截面积逐渐减小，气流速度逐渐增加，特别是在转折处，气流不断加速，气流整体速度越来越大，在出口出现最大值；在扩张段转折处，气流继续膨胀加速，在出口处速度达到最大。经过发射管导流后从发射管流通喷出。