发射箱易碎盖分离仿真与试验分析

麻小明，刘馨心，史耀祖，胡建国，李 庚，薛海瑞，贾 航

(西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引言

易碎盖是贮运发射箱的重要组成部分，在贮存、运输过程中与箱体一起为火箭弹提供良好的环境，保护箱内火箭弹不受损伤；发射时能够迅速打开，保证火箭弹的正常发射。为减轻易碎盖重量，提高承压性能，确保开盖的稳定性，选用某新型复合材料设计易碎盖，在易碎盖表面设置薄弱槽，使其能够沿预设轨迹碎裂分离。李文龙等设计了一种多瓣易碎盖，通过数值计算和冲破试验验证了设计方法的有效性。王迪等采用有限元方法、虚拟样机模型等对发射箱易碎盖的承压性能、开盖动力学响应进行了分析。邵庆等研究了格栅式贮运发射箱易碎易裂盖自动开盖技术，利用燃气射流冲破后盖时产生的扰动波打开前盖。张宝振等对发射箱(筒)易碎前盖开盖过程进行了流固耦合分析。李伟等按照易碎盖在导弹发射过程中的分离方式，从整体穿透式、整体抛出式和多瓣分离式等方面介绍了国内外树脂基复合材料易碎盖的设计和优化研究进展。卓毅等对环氧泡沫塑料易碎盖结构进行了优化设计，静压、燃气动压冲盖等试验表明，易碎盖满足设计指标。

文中基于贮运发射箱及火箭弹技术要求，在满足刚度、强度和承压性能的前提下，对易碎盖进行轻量化、一体化设计，实现易碎盖的激波自动开盖，确保火箭弹在出箱过程中不与易碎盖发生干涉。

1 仿真计算模型

1.1 易碎盖结构模型

根据发射箱结构形式和尺寸，易碎盖设计为方形结构，自动开盖时沿着薄弱槽开裂成4瓣，其结构主要包括薄弱槽、固定端框和分离子体3部分，易碎盖本体结构由轻质发泡材料压制而成，薄弱槽采用机械加工，如图1所示。

图1 易碎盖结构

1.2 发射箱燃气流分析

通过建立非定常、雷诺平均的N-S方程，采用有限体积法对控制方程进行离散，建立发射箱流场数值计算模型。易碎盖时间-压强曲线如图2所示，从图2中可以看出，0 s时刻发动机点火，0～8.5 ms之前，易碎盖承受压力为0，8.5 ms之后，压强急剧上升，增加到0.094 MPa，又下降到0.087 MPa，之后上升到峰值0.129 MPa。燃气流作用于后盖产生的反射激波沿箱体向前传递，激波传递至前盖时间约为8.5 ms，10.4 ms时刻前盖压强达到峰值。根据计算结果，前盖压力指标设计为正压0.06～0.08 MPa，负压承载大于0.1 MPa，可以实现激波自动开盖。发射箱内激波传递过程如图3所示。

图2 易碎盖时间-压强曲线

图3 激波传递过程示意图

1.3 有限元模型

根据流场分析结果设计了易碎盖的结构，采用有限元软件Abaqus/Explict显示动力学求解计算，易碎盖加载正压0.06 MPa，采用Mises强度准则，删除薄弱区的失效单元，易碎盖开盖过程如图4所示，易碎盖能够在给定压强下分裂成4瓣。

图4 易碎盖分裂过程仿真分析

1.4 易碎盖破碎飞出对火箭弹的影响

前易碎盖加载60 kPa，计算结果如图5所示。由图5可以看出，易碎盖在16 ms时刻已经完全展开，在26 ms时飞散1 200 mm，而火箭弹在26 ms内仅向前运动23 mm，因此易碎盖飞散不会影响火箭弹发射。

图5 易碎盖分离示意

1.5 撞击力分析

在激波不能打开易碎盖的情况下，允许火箭弹撞击易碎盖，因此需要计算易碎盖撞击力，避免撞击过程中损伤火箭弹头部，通过分析计算，易碎盖可在大于4 000 N作用下开启，如图6所示。

图6 易碎盖撞击开盖分析

2 试验验证

2.1 撞击开盖试验

为测试易碎盖所需撞击力，用模拟工装进行撞击开盖试验，试验结果前盖本体沿预制薄弱槽破碎，分为4瓣，试验过程及结果见图7，法兰四角100 mm×100 mm残留凸起物最大13 mm，其余位置残留凸起物最大高度0 mm。通过力传感器测量系统并记录前易碎盖本体最大撞击力为4 673 N。

图7 撞击开盖试验

2.2 易碎盖承压试验

为验证易碎盖的承压性能，将易碎盖安装于专用工装上，形成密封舱体，向舱内充气进行增压，当压强达到0.066 MPa时易碎盖碎裂，承压试验见图8所示。

图8 承压试验

2.3 激波开盖试验

根据架测方案进行了试验，测量了导弹发射过程中的发射箱内压强，具体测量为前部、中部、后部3个点，检测数据如图4所示。

图9 撞击开盖试验结果

根据试验检测数据结果可知：激波在尾部测试点压力为0.078 MPa,在中部测试点压力为0.079 MPa,在前部测试点压力为0.1 MPa。激波由尾部传递至前部时间约为8.75 ms，前盖压强达到峰值时刻为10.35 ms。

表1中给出了仿真计算与试验结果对比，仿真计算与试验结果较为接近，易碎盖设计满足指标要求。

表1 仿真计算与试验结果对比

3 结论

利用CFD方法对发射箱内流场进行数值计算，得到了易碎盖分离边界条件，基于等强度设计原则，设计了易碎盖结构尺寸、薄弱环节；通过有限元方法对易碎盖进行了分离仿真，结合撞击开盖、耐压试验及激波开盖试验等对所设计的易碎盖进行验证。仿真分析与试验结果表明，所设计的易碎盖能够在给定压力范围内碎裂，实现激波开盖，易碎盖分裂后的碎片不与火箭弹发生干涉碰撞。