空空导弹双脉冲固体火箭发动机能量分配研究

张翼，郑哲

空空导弹双脉冲固体火箭发动机能量分配研究

张翼，郑哲

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

空空导弹是夺取制空权的关键武器。在有限尺寸重量约束下，如何不断提高空空导弹的射程始终是总体性能的一个重点研究方向，具有重要的现实意义。动力优化是实现空空导弹增程的主要手段之一。介绍了双脉冲固体火箭发动机的原理和特点，明确了双脉冲固体火箭发动机的总体设计约束，结合弹道仿真开展了双脉冲发动机能量分配问题的仿真研究。

空空导弹；双脉冲发动机；能量分配；动力优化

1 引言

空空导弹是现代战争夺取制空权的重要武器装备。谁拥有了性能先进的空空导弹，谁就获得了空战的主动权，拥有决定空战胜负的重要力量[1]。正如美国著名智库兰德公司在研究报告《空战的过去、现在和未来》中总结：“空中优势是美国所有常规军事行动的基础，而当前的空中优势依赖于具有先进的态势感知、隐身和超视距能力的空空导弹。”

自从空空导弹出现后，空战的发展大概经过了四个阶段：起步阶段、发展阶段、超视距阶段、信息化对抗阶段。美国战略与预测评估中心在2015年发布的《空空作战趋势及未来空中优势的影响》中分析认为，从1965年的空战数据表明空空导弹的常用交战距离在不断增加，近距交战的机会在不断变小[2]。

在有限尺寸重量约束下，不断增加射程是空空导弹的重要发展方向。研究如何提高空空导弹的攻击距离具有重要的现实意义[3]。

2 双脉冲固体火箭发动机介绍及技术发展现状

2.1 双脉冲固体火箭发动机介绍

固体火箭发动机是一种使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，即把化学能转化为热能；燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。

不断提高导弹的射程是空空导弹始终不变的发展需求。固体火箭发动机维护简单、可靠性高、操作简便，自诞生起就被广泛用作空空导弹的主要动力系统。固体火箭发动机技术的发展也极大地推动了空空导弹武器性能的升级换代。

随着科学技术的发展，能量管理技术已成为固体火箭发动机的重要发展方向，双脉冲固体火箭发动机在工程中也逐渐得到应用。根据空空导弹作战使用需求，在双脉冲发动机工作过程中实时有效地控制发动机能量输出，实现推力间隔、推力形式实时可调，可以有效提高发动机能量的利用效率，为增加导弹的射程提供基本条件。在进行空空导弹总体设计时，对双脉冲固体火箭发动机的能量分配进行研究十分必要。

2.2 双脉冲固体火箭发动机技术发展现状

双脉冲固体火箭发动机是在同一发动机内将药柱分成两段，从而实现发动机推力的分段。从本质上讲，此种方法对发动机推力大小的改变没有任何贡献，主要通过改变发动机推力作用时间，可以合理分配导弹飞行过程中的加减速过程，从而避免阻力等因素导致的能量损耗[4]。另外还可以通过调整发动机推力作用时间，来改变导弹弹道特性，从而实现一些特殊的弹道要求，如更高的打击高度、更大的打击速度、打击目标前进行变速飞行等。20世纪60年代以来，美国和俄罗斯等国就开始了多脉冲固体火箭发动机的研究工作。20世纪70年代末到90年代初，是多脉冲固体火箭发动机研究的第一次高潮，2000年以后，多脉冲固体火箭发动机技术成为国内外研究的新热点[5-6]。双脉冲固体火箭发动机已在诸多导弹型号中得到应用。典型代表有美国的SM-3导弹和PAC-3导弹，德国的LFK-NG导弹和HFK2000导弹等[7]。

2.3 双脉冲固体火箭发动机的工作原理

常规的固体火箭发动机，燃烧室内一般只设计有一个完整的药柱，推进剂一旦点火工作只能连续燃烧直至烧尽，因此只能产生一次推力，而且推力形式一经设计完成后即基本固定不变[8]。

多脉冲固体火箭发动机是一种新型的具备能量管理功能的固体火箭发动机。虽然多脉冲固体火箭发动机可以提供更为灵活的推力形式，但是在大多数实际应用中，双脉冲固体火箭发动机是一种折中的方案。双脉冲固体火箭发动机不仅能明显提升性能，又不会过度提升设计复杂性和大幅降低系统可靠性。

与传统的固体火箭发动机不同，多脉冲固体火箭发动机的特点是通过特定设计的隔离装置将燃烧室或药柱分隔成几部分或几段，每段药柱各自配备有独立的点火装置，能够提供相对独立的推力，共用同一个喷管。Ⅰ脉冲工作期间，隔离装置起到阻燃、隔热和承压的作用，保护Ⅱ脉冲药柱不被意外引燃；需要启动Ⅱ脉冲工作时，隔离装置按要求快速开启，保证Ⅱ脉冲药柱燃烧产生的高温燃气能够通过喷管产生需要的二次推力。常规固体火箭发动机和双脉冲固体火箭发动机组成如图1所示。

图1 常规固体火箭发动机和双脉冲固体火箭发动机组成示意图

工程使用中，往往期望Ⅰ脉冲具有较大的推力，以保证导弹能够在短时间获得较大的增速，因此Ⅰ脉冲装药多采用星孔燃烧、贴壁浇注的方式；对于Ⅱ脉冲，大多要求能够实现导弹一定的续航能力，长时间小推力是一种常见的选择，这也使得Ⅱ脉冲装药多采用端面燃烧、自由装填的方式。当然，Ⅰ脉冲、Ⅱ脉冲均采用大推力的方式在工程上也有应用。

3 双脉冲固体火箭发动机的弹道特点

采用双脉冲固体火箭发动机的空空导弹，其典型飞行过程可分为四个阶段：①第一阶段，Ⅰ脉冲发动机工作，将导弹加速至一定的高度和速度后关机；②第二阶段，Ⅰ脉冲发动机和Ⅱ脉冲发动机工作间隔，空空导弹无动力飞行；③第三阶段，Ⅱ脉冲发动机工作，对导弹进行二次加速，空空导弹稳定飞行；④第四阶段，空空导弹无动力滑翔飞行，直至命中目标。采用双脉冲固体火箭发动机导弹的典型弹道如图2所示。

图2 采用双脉冲固体火箭发动机导弹的典型弹道示意图

双脉冲固体火箭发动机工作期间，导弹控制系统根据导弹总体需要确定每段装药的点火时刻，通过合理调节推力分配及两级脉冲间隔时间，达到对空空导弹飞行弹道的优化控制和发动机能量的优化管理的目的，满足导弹总体在不同攻击条件下对推力的不同要求。

在总冲一定的前提下，双脉冲固体火箭发动机可以提供不同的推力形式，进而产生不同的导弹速度曲线。常规固体火箭发动机和双脉冲固体火箭发动机推力如图3所示。

图3 常规固体火箭发动机和双脉冲固体火箭发动机推力示意图

通过脉冲间隔的调整，可以有效降低导弹的最大速度，增加导弹的攻击距离，提高空空导弹的末速。

4 双脉冲固体火箭发动机的关键技术研究

双脉冲固体火箭发动机可以给导弹的性能提供较大的提升，但也存在着一些技术难题制约着它的发展。从导弹总体应用角度需要解决双脉冲发动机/弹道一体化设计技术、能量分配技术等技术问题，在双脉冲固体火箭发动机实现上需要攻克高可靠隔离装置设计技术、多级脉冲点火控制技术、高效喷管设计等关键技术[9]。

4.1 高可靠隔离装置设计技术

隔离装置是现实双脉冲发动机安全性设计的关键，对其设计要求也极为苛刻。发动机Ⅰ脉冲工作期间，要求隔离装置作为燃烧室结构的组成部分，提供Ⅰ脉冲稳定燃烧的场所，需要能够耐受Ⅰ脉冲工作过程中高温度、高压力的严酷环境，并保证全过程的结构完整性；更为重要的是，保证Ⅱ脉冲推进剂所受到的影响在规定的安全范围内，应起到阻燃、隔热的作用。

发动机Ⅱ脉冲激活时，要求隔离装置能够在Ⅱ脉冲起燃压强作用下快速可靠打开，打开后不能产生有可能损害长尾喷管、燃烧室等的喷出物。如果隔离装置功能失效，很有可能带来发动机安全性问题。

从技术实现上看，目前常见的隔离装置主要分为刚性隔离装置和柔性隔离装置两类。工程实践上，这两类隔离装置都存在一定的优缺点。

刚性隔离装置的优点是可以把双脉冲固体火箭发动机明确区域划分，而且各功能区域独立性强，Ⅰ脉冲推进剂、Ⅱ脉冲推进剂相互之间的影响很小，便于单独设计、试验、生产和储存，易于进行发动机总装。刚性隔离装置的缺点是一般结构厚度较大，消极重量大；同时受结构布局限制，一定程度上还会带来Ⅱ脉冲推力损失问题。刚性隔离装置技术相对成熟，是传统双脉冲发动机采用的主要技术方案。

柔性隔离装置的优点是结构质量轻，因此推进剂装填率高；柔性隔层多采用橡胶材料，通常也不存在Ⅱ脉冲推力损失问题。柔性隔离装置的缺点是设计难度大，Ⅰ脉冲药柱、Ⅱ脉冲药柱、柔性隔层、Ⅱ脉冲点火器等的界面不稳定，振动环境、高低温等复杂使用条件下的结构相容性是设计难点。Ⅰ脉冲工作期间，Ⅱ脉冲药柱通常要求具有承压功能，使得Ⅱ脉冲药柱在燃面以及燃速等药型设计方面受到一定限制。

4.2 多级脉冲点火控制技术

Ⅱ脉冲点火系统需要与Ⅱ脉冲药柱一体化设计，在保证安全性和点火可靠性同时，还需与柔性隔层、装药药型相匹配，缩短点火延迟。

Ⅱ脉冲点火系统工程上多采用内埋点火技术。针对内埋点火技术的主要特点和难点，需要进行结构设计和点火性能的研究。结构上通过壳体材料的选择、与端燃装药的一体化设计，需要解决点火器安装、承压以及喷出物的问题。同时，通过初始燃面、基础燃速、点火药量以及打开压强匹配设计，提高点火可靠性、缩短点火延迟时间。

4.3 高效喷管设计技术

喷管是火箭发动机能量转换的一个重要部件，是燃烧室内高温高压燃气的出口，主要通过改变管段内壁的几何形状以加速气流产生推力，直接影响火箭发动机的性能。传统火箭发动机的喷管由收敛段和扩散段两部分组成，一般采用固定喉径比的设计方式。

双脉冲发动机由于级间脉冲推力比（Ⅰ脉冲平均推力和Ⅱ脉冲平均推力之比）较大，使用要求上有可能达到4∶1甚至10∶1，采用固定喉径比设计往往使得发动机整体效率不高，影响发动机总冲。技术上，可通过改变发动机喷喉大小控制燃气的质量流率达到控制燃烧室内压强的目的。

5 双脉冲固体火箭发动机的总体设计研究

5.1 总体设计约束

5.1.1 基本功能要求[10]

为导弹提供所需的推力，满足导弹离轨速度、加速度及动力射程的要求；对于构成导弹弹体的组成部分，满足全弹气动外形、结构和使用维护要求；满足全弹工作逻辑与时序要求，在收到点火信号时能够可靠点火；确保导弹在地面测试、维护、运输、贮存和挂飞中发动机不会意外点火。

5.1.2 结构参数约束

满足导弹总体对发动机提出的长度、直径、质量等指标要求。

5.1.3 总冲约束

满足导弹总体对发动机提出的典型工作温度下的总冲要求，以及对Ⅰ脉冲总冲、Ⅱ脉冲总冲分别提出的约束和 期望。

5.1.4 推力约束

推力约束包括对平均推力、推力持续时间，以及推力建立时间、最大推力峰等的约束。

5.1.5 脉冲间隔时间约束

脉冲间隔时间可调，并满足导弹总体要求。

5.1.6 环境适应性要求

环境适应性要求包括贮存温度范围、工作温度范围、导弹挂飞振动、着陆冲击、发射载荷等环境条件约束。

5.2 发动机数学模型建立

设为双脉冲发动机的总冲，1为Ⅰ脉冲总冲，2为Ⅱ脉冲总冲。则有：

12（1）

为双脉冲发动机的总装药质量，1为Ⅰ脉冲装药质量，2为Ⅱ脉冲装药质量。则有：

12（2）

1为Ⅰ脉冲平均推力，1为Ⅰ脉冲推力持续时间，2为Ⅱ脉冲平均推力，2为Ⅱ脉冲推力持续时间。则有：

c1为Ⅰ脉冲工作期间的质量流量，c2为Ⅱ脉冲工作期间的质量流量。则有：

5.3 仿真分析

5.3.1 仿真参数设置

利用数字仿真手段进行导弹双脉冲能量分配的分析。仿真使用的导弹总体参数和发动机总体参数如下。

5.3.1.1 导弹总体参数

导弹初始质量0=180 kg，导弹直径=180 mm，弹长=3 650 mm，参考面积=0.024 m2。

5.3.1.2 发动机总体参数

发动机总冲=170 kN·s，发动机总装药质量为72.5 kg，Ⅰ脉冲、Ⅱ脉冲最大推力间隔为100 s。

5.3.2 仿真条件设置

选取典型发射条件如下：①条件1。发射高度10 km，速度Ma1.2；目标高度10 km，速度Ma0.9；进入角180°，目标不机动。②条件2。发射高度3 km，速度Ma0.8；目标高度3 km，速度Ma0.8；进入角180°，目标不机动。

5.3.3 仿真结果及分析

在传统固体火箭发动机和不同点火间隔下的双脉冲火箭发动机的情况下进行仿真计算，对条件1、条件2的射程、末速、平均速度进行统计，具体如表1所示。

射程、末速、平均速度随脉冲间隔的变化分别如图4、图5、图6所示。

仿真结果表明：较传统固体火箭发动机，通过调整脉冲间隔，双脉冲发动机可以有效增加导弹的最大攻击距离；高空弹道较低空弹道影响更为显著。较传统固体火箭发动机，通过调整脉冲间隔，双脉冲发动机会影响导弹的末速；高空弹道导弹末速越来越低；低空弹道在一定条件下末速能够有效提高。较传统固体火箭发动机，通过调整脉冲间隔，双脉冲发动机对导弹平均速度影响较小；随着脉冲间隔的增加，低空弹道导弹平均速度呈下降趋势[11]。

表1 不同脉冲间隔对弹道影响仿真结果

发动机类型序号脉冲间隔/s射程/km导弹末速/（m/s）平均速度/（m/s）条件1条件2条件1条件2条件1条件2 传统固体火箭发动机1 0145179365811 102551 双脉冲火箭发动机2 10151189195591 115549 3 20162209015641 112541 4 30182238875871 108529 5 40177268526071 107510 6 50169308336281 105500 7 60161278096421 102483

图4 脉冲间隔对最大攻击距离的影响

图5 脉冲间隔对导弹末速的影响

图6 脉冲间隔对导弹平均速度的影响

6 结论

本文以实现中远距空空导弹增程为目标，结合双脉冲固体火箭发动机在某型空空导弹上应用的实际问题，开展了空空导弹双脉冲发动机能量分配研究。主要研究了双脉冲固体火箭发动机的工作原理、优势特点，介绍其关键技术，明确了双脉冲固体火箭发动机的总体设计约束，建立发动机数学模型，进行了发动机能量分配的研究。双脉冲发动机能量分配是在总冲和总装药质量约束下，研究Ⅰ脉冲总冲1、Ⅱ脉冲总冲2的分配问题，设计了相应的平均推力曲线。研究其分配结果对导弹总体性能的影响，通过优化设计使导弹总体性能到达最优。与传统固体火箭发动机相比，双脉冲固体火箭发动机在增加射程、提高末速、降低平均速度上均有优势，在提高空空导弹攻击能力方面有可观的应用前景。

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TJ763；V43

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.002

2095－6835（2019）24－0004－04

〔编辑：严丽琴〕