舰船导弹发射系统导流装置设计方法与研究*

高 昱，康文俊，周 航，刘晓燕，齐红亮

(中国航天科技集团公司第四研究院第41所， 西安 710025)

0 引言

在海装某课题的牵引下，课题组根据国内成熟的扰流片式推力矢量固体发动机，先后完成多发轴向调节冷试、轴向调节热试、六分力热试等性能试验，取得了丰富的试验数据，掌握了该型矢量发动机的控制规律和推力调节模型，并通过了一发悬浮干扰弹原理性飞行试验的考核，具备了开展演示验证的条件。悬浮诱饵干扰弹在国际上竞争也比较激烈，美国的Mk53快速箔条和诱饵干扰系统是和澳大利亚联合研制的一种具备快速反应能力的主动式干扰系统，可以为作战舰艇提供有效的反导保护。该系统是在现役的MK36系统上加装“NULKA”(澳大利亚土著语“快速”)诱饵发射系统升级而成的，目标是干扰来袭的反舰导弹雷达和敌舰舰艇上的火控雷达[1]。诱饵发射系统发射筒部分提供了导弹电气连接，其侧壁可为导弹提供燃气排导。另外，这种储运发射筒可在军舰舰艇上任何部位灵活安装。目前已经获得MICA导弹垂发系统的列装[2]。

在 “舰载舷外有源运动诱饵关键技术”研究课题的支持下，开展了舰载舷外运动诱饵干扰弹的设计、样机研制和原理性飞行试验工作。诱饵干扰弹总体、推力矢量发动机、复合控制等关键技术均通过了试验验证，悬浮型诱饵干扰弹总体技术已经成熟，具备了开展系统集成演示验证的技术条件。

为促进国内新型舰载舷外诱饵系统的研制进程，并为该型产品的立项研制做好技术铺垫，据海军装备研究院的计划安排，拟在后续期间开展新型舰载舷外诱饵系统的演示验证工作。

文中依据诱饵载荷的使用要求，开展了新型舰载舷外诱饵系统发射方案的设计工作。

1 悬浮诱饵干扰弹总体技术条件及要求

悬浮诱饵干扰弹总体技术指标要求满足倾斜式向外发射；顺序离轨；全系统实现快速连接，适应快速操作技战术要求；快速捕捉发射窗口发射，提高出筒发射能力；满足多弹齐发能力；具有与战术弹共架发射的能力；采用热发射方式时，需做好发动机尾焰的导流，防止对舰艇甲板造成损伤等要求。

2 发射系统设计

众所周知，舰船上的发射装置较陆地上有很大的不确定性，发射坐标原点不确定，发射瞄准也存在不确定因素等，这样给发射装置设计带来了一定的难度和复杂程度，为了解决好这个问题，将分以下几个方面进行选择和设计[3]。

2.1 发射装置在舰船上的位置选择

发射装置在舰船上选择位置很关键，理论上应选在舰船的艉端或左、右外舷上，以不影响驾驶舱操作人员的视线为好。根据本课题的应用特点，放置在左右外舷上，其中关键是要解决燃气流的导流问题，需要设计增加导流装置，以减少燃气流对舰船的烧蚀。

根据国外同类型的发射装置设计经验，采用同心圆发射筒实现向上排导燃气流(如图3所示)。

图1 干扰弹装填

图2 干扰弹发射出箱

图3 燃气流排导设计图

2.2 燃气导流设计

为进一步改善发射内筒与外筒间的燃气流，采用加大扩散段扩散角的方法，应用CFD软件进行流场计算，借鉴成熟发射系统设计经验，采用"锥形"发射筒球窝控制导流燃气流时，需要调试最佳导流球窝参数。数值计算结果表明，不加设导流球窝时，扩散段存在严重回流旋涡，对主流产生挤压作用，使主流产生不可预测的横向摆动，影响发射筒球窝的高效性和安全稳定性；加设导流球窝并将其调整至最佳参数后，扩散段两侧旋涡的强度和范围大幅减小，对主流的扰动作用明显减弱，燃气流能够实现平稳均衡过渡，因此达到了设计的目的。

用数值仿真方法来验证其正确性。首先基于Amilton原理和Von-Karman大变形理论，建立发射筒壁板的热气动弹性运动方程，假设其中壁板受热后温度均匀分布，热激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论；其次利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程，基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化，再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性，从而推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性。在时域中采用龙格-库塔法对非线性颤振方程进行数值积分，得到壁板非线性颤振响应的时间历程，与理论分析结果进行对比。结果表明，壁板受到斜激波冲击时，更容易发生颤振失稳，并且激波强度越大，极限环幅值和频率越大；激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界；只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下，壁板才可能保持其气动弹性稳定性。

2.3 精度问题

海上发射系统最重要的技术难点就是全系统的瞄准精度。海基发射与陆基发射不同。船在海上航行还尚不稳定，有时甚至船本身所处的瞄准姿态都不很清楚，另外由于海浪的作用，导致发射装置的三轴位置也会经常发生变化。如果采用了单纯的惯性制导，将造成瞄准精度降低和瞄准时间过长，失去最佳发射窗口，变主动成被动，使悬浮诱饵弹失去了列装意义。瞄准精度和瞄准时间在陆基上比较容易实现，但在舰船上发射就比较困难。美国采用了技术复杂，成本高的潜艇惯性导航系统，目前国内通常采用差分GPS定位定向系统，该系统定位精度1.5 m，定向精度不大于9′，最主要的是测量速度快，在某种程度上解决了精度问题，还能缩短瞄准时间，抓住战机窗口发射。苏联采用陀螺仪保持发射装置平稳性方法，可将圆概率偏差精度保持在7 m[4]。

3 关键技术

根据系统要求采用热发射方式。陆基发射可以将燃气流直接排导在地面上；舰船上则不能将燃气流排导在舰船上，对舰船造成烧蚀，必须要设计导流装置对燃气流进行排导，因此排导燃气流显得尤其关键。

燃气流导流问题是舰船发射装置设计的关键技术。同心圆筒排导燃气流仿真计算及发射流场分析过程如下。

1)计算模型：

a)发射筒模型选取图4结构；

b)轴对称计算模型，湍流模型为S-A模型，采用一阶迎风格式离散。

2) 边界条件：

a)压力入口边界：10 MPa，2 200 K。

b)压力出口边界：环境压强。

3) 收敛准则：连续方程、动量方程及能量方程的残差下降3个数量级以上，且出入口流量达到平衡。

4) 燃气参数：CP取定值2 000 J/(kg·K)，空气分子量取29。

5) 计算结果：计算结果压强云图见图5、图6，马赫数云图和流线图见图7，温度云图见图8。

图4 发射筒外形结构

图5 压强云图(范围0～10 MPa)

图6 压强云图(范围0～0.5 MPa)

图7 马赫数云图和流线图

图8 温度云图

仿真计算结果决定间隙大小，既要满足气流排导要求，还要满足间隙最小。经计算满足燃气流排导压力要求。理论排导面积为5 026.55 mm2，实际设计排导面积为5 969.03 mm2，(实际设计值大于理论计算值，满足发射燃气流排导要求)。根据排导面积推导出尾部开孔直径为Φ80 mm就可满足燃气流排导压力和温度要求。

4 发射系统结构设计

发射系统组成。一般是由发射筒，发射箱，电气单元等系统组成。下面就分别叙述其功能和设计方法及注意事项。

1)发射筒

①结构设计

发射筒设计为同心圆筒，即由内筒和外筒组成(见图4)。发射筒由发射筒体、易碎盖、发射筒电气组件(含筒壁电缆、筒壁电连接器、筒弹分离电连接器)、机电保险器、拨叉、球窝转接(见图9所示)等组成[5]。

图9 球窝转接外形

发射筒既是诱饵弹发射定向器，又是诱饵弹储存、转运的包装箱。球窝转接部分实现发射筒与发射箱的配合联接。发射筒具有密封、防护功能。通过发射筒实现地面发控系统与诱饵弹之间电气连接[5]。

发射筒的工作原理：首先地面发控系统发出机电保险器解锁指令，机电保险器解锁，发动机点火电路接通，根据发动机点火指令，发射时发动机点火，筒弹分离电连接器插头与插座分离，诱饵弹沿着发射筒导轨运动，诱饵弹撞碎易碎盖，然后出筒。

诱饵弹发射时，发动机尾部火焰经发射筒尾部的“锥形”球窝转接导流后沿着内筒、外筒之间空腔向筒体口部运动，经前端口部排出筒外。该发射方式可以有效减少发动机尾焰对甲板的影响。

②发射筒体强度分析计算

为了减轻质量，发射筒采用薄壁金属材料，这样需要对其结构强度进行分析计算。

a)计算模型：发射筒三维模型简化为壳体，模拟复材铺层建模，材料属性如表1所示，复材铺层如图10所示，简化后模型如图11所示。

图10 复材铺层示意图

参数参数值参数参数值E1/GPa67.5v310.22E2/GPa57.5G12/GPa4.7E3/GPa11.4G23/GPa1.91v120.12G31/GPa1.91v230.22

图11 发射筒壳体几何模型

b)边界条件：发射筒壳体一端固支，内外筒之间空腔施加压强载荷，压强为0.15 Pa，网格划分如图12所示。

图12 壳体施加载荷图

图13 发射筒壳体应力云图

图14 发射筒壳体位移云图

c)计算结果及分析

仿真结果(见图13、图14)表明，壳体最大应力为89.9 MPa，发生在导轨附近，远小于材料抗拉强度极限669 MPa。最大位移为0.072 mm，发生在内层壳体中部。发射筒壳体强度、刚度满足设计要求[6]。

2)发射箱

发射装置为箱式结构(见图15、图16、图17)，底座推车、箱体为龙骨外加蒙皮结构，每艘舰有两部发射装置分别安装在舰船左、右外舷上。每部发射装置具有两个连接接口。接口1与发射筒连接，接口2通过发射箱底座与舰船连接，发射转运推车4个支脚用螺栓固定在舰船左右外舷上。功能一是负责倾斜式发射的高低角调节设计，功能二是具有方位角调节设计。对于质量轻的悬浮诱饵弹，可以用支脚升降螺杆实现高低角倾斜式发射，而且倾角连续可调[7]。

图15 发射箱外部结构示意图

图16 发射箱内部结构示意图

图17 发射箱内部结构图

球窝转接主要用于发动机尾焰分流导向，在装配状态下实现筒装导弹轴向定位。

底座呈半球状，选用45钢机加成型，球窝转接基本壁厚为2 mm，半球中部设计有导流锥，发动机点火后起导流作用，球窝转接外形如图9所示。

3)电气单元

电气单元主要解决导弹发射时，弹上参数的装订、激活弹上电池、启动点火发射等。发控系统通过电缆网由脱落电连接器与弹上通讯，选择拉火绳式脱落电连接器，在发射时直接拽脱即可，为了便于操作将发射筒中的电连接器固定在连接法兰上，方便发射箱中的电缆对接操作。

5 完成的验证试验

悬浮诱饵弹在研制的过程中完成总体布局和性能仿真、总体方案设计；对诱饵弹技术指标进行了分解，形成新型技术指标体系；完成发动机设计，建立了矢量推力模型；完成复合控制系统设计，开展了数学仿真及半实物仿真；完成旋转控制翼设计，开展了动力学仿真；完成悬浮诱饵弹飞行试验设计，形成了演示飞行方案。

筒弹匹配试验:完成了发射系统与悬浮诱饵弹发射系统结构匹配，互换性好，电气满足发射要求；地面联合试验各系统协调，连接快速，满足快速反应能力；首飞试验悬浮时间65 s达到了海军技战术要求；通过外场飞行试验，验证了燃气流导流满足舰船使用要求，不会对舰船烧蚀。

6 创新性

悬浮诱饵弹发射系统是针对舰船来设计的，由于舰船上存在诸多的不确定因素，设计时要用到许多新技术，新方法。进行了仿真分析和流场计算；由于要求质量轻，所以也要用到新材料、新工艺进行加工；还要了解舰船整体结构及力学分析；为了不影响战舰技战术性能，还需要用气动力学分析导弹发射对舰船影响[6]。悬浮诱饵弹本身的技战术性能是目前海军需要的猎装必要武器系统。整个系统均属于模块化设计，模块化发射系统可发射多种武器。

7 结论与讨论

经过上述分析和试验，悬浮诱饵弹发射系统导流装置能够满足系统总体发射要求，发动机尾焰不会对舰船造成烧蚀，还可以和其他导弹进行共架发射，若能实现垂直发射，将全方位地实现主动干扰，发射将更快更便捷，技战术性更强。这样既不影响攻击火力，也不影响悬浮诱饵弹的猎装需要，可以推广应用列装到舰船上，成为新的火力点。