某導彈垂直發(fā)射裝置的機構設計與強度校核

羅欣健，王輝，樂貴高，張英琦

（1.南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094;2.航天科技集團第七研究院研發(fā)中心，四川成都 610100）

武器系統(tǒng)的發(fā)射一般包括3個方面的內(nèi)容:發(fā)射基點、發(fā)射姿態(tài)以及發(fā)射動力。垂直發(fā)射指的是發(fā)射姿態(tài)，而彈射則是指發(fā)射動力。垂直發(fā)射方式以前應用于戰(zhàn)略導彈系統(tǒng)，由于應用垂直發(fā)射技術使得導彈系統(tǒng)具有快速反應能力好、發(fā)射效率高、結構簡單、工作可靠、成本低廉等特點，自20世紀60年代起，各國爭相展開該系統(tǒng)的研究［1］。本文根據(jù)導彈尺寸及相關要求對垂直發(fā)射裝置進行了結構設計，設計中避免了發(fā)射導彈對鄰箱導彈的觸發(fā)式點火等情況的發(fā)生，并依據(jù)有限元軟件進行了結構的強度校核。

1 垂直發(fā)射的背景與發(fā)展

1.1 艦載導彈垂直發(fā)射的背景

導彈的垂直發(fā)射并不是新概念。多年來，“北極星”和“海神”導彈就是由潛艇從水下拋出，并垂直發(fā)射的［2］。陸基的洲際彈道式導彈也是直立于地下井中，準備隨時發(fā)射。有人和無人操縱的人造地球衛(wèi)星也都是垂直發(fā)射。然而，垂直發(fā)射通常用在大型、戰(zhàn)略或航天的導彈，這些導彈既不需要、也不適合用可熟練操縱的機械發(fā)射裝置。最近，由于慣性儀表靈敏度的改進及其尺寸的減小和成本的降低，使得垂直發(fā)射應用在較小的戰(zhàn)術導彈上的可行性大大增加［3］?，F(xiàn)在看來，垂直發(fā)射高性能的導彈，在發(fā)射速度和戰(zhàn)術靈活性方面均將獲得明顯的提升。由于敵人高性能的飛機和導彈飽和襲擊的威脅，以及縮減軍事預算的現(xiàn)狀，在降低成本的同時，改進戰(zhàn)術導彈的快速反應能力已成為當務之急。

1.2 艦載導彈垂直發(fā)射的優(yōu)勢

a）節(jié)約時間

由于垂直發(fā)射裝置用不著把時間花費在裝填或瞄準上，因此可以預料，發(fā)射速度會是相當快的。這種發(fā)射方法不僅幾乎能同時發(fā)射幾枚導彈，而且直到彈倉用完，能夠始終維持這樣快的發(fā)射速度。

b）定位范圍廣

導彈垂直發(fā)射具有無發(fā)射盲區(qū)、空間緊湊、模塊化裝填等優(yōu)點，是大型艦載平臺比配的武器裝備。

c）安全性高

發(fā)射裝運箱垂直地隱藏在艦體中，直到發(fā)射時，它們對來自敵方的破壞都可得到最大的保護。

1.3 艦載導彈垂直發(fā)射的發(fā)展趨勢

目前，各海軍強國不斷加大對艦載導彈垂直發(fā)射系統(tǒng)的科研投入。以通用化和模塊化為方向，使垂直發(fā)射系統(tǒng)結構簡單、工作可靠、全壽命周期費用少，實現(xiàn)多種彈型共架發(fā)射，冷、熱發(fā)射方式的導彈共架發(fā)射。主要有以下幾種:1）共架發(fā)射技術;2）大傾角冷發(fā)射技術;3）同心筒發(fā)射技術。

2 垂直發(fā)射機構結構設計

2.1 垂直發(fā)射方式的方案選擇

根據(jù)導彈的尺寸主要技術參數(shù):導彈長7 m、彈半徑320 mm、彈重850 kg，發(fā)動機推力85 kN，以4聯(lián)裝為一個單元，安裝總高度不大于8 m，導彈模型見圖1。

圖1 導彈模型圖

實現(xiàn)艦載導彈垂直發(fā)射目前有兩種方式:同心筒發(fā)射和公共排導發(fā)射。燃氣流公共排導是當今艦載導彈垂直發(fā)射裝置最為常用的一種燃氣排導模式，而同心筒技術則是近年來新興的一種垂直發(fā)射技術。從結構特性入手，對兩種類型發(fā)射裝置的多項性能指標進行分析和比較，同心筒技術在燃氣排導性能、可靠性、安全性等方面具有一定優(yōu)勢，而采用公共排導技術的發(fā)射裝置在備彈量、適裝性等指標方面占優(yōu)［4］。兩種技術各有特點，應根據(jù)實際使用要求以及不同的裝艦對象區(qū)別應用。本文選擇公共排導垂直發(fā)射方式。

2.2 垂直發(fā)射機構的結構設計

a）發(fā)射箱與排焰道的結構設計

發(fā)射箱如圖2所示，用于裝載和儲存導彈，垂直地隱藏在艦體中直至發(fā)射，它們對來自敵方的破壞都可得到最大的保護。排焰道用于導出導彈發(fā)射時尾部射出的熱流，防止氣流干擾。

圖2 發(fā)射箱與排焰道的機構模型

b）隔離防護裝置與導流錘的結構設計

隔離防護裝置在鄰箱導彈放射時，阻隔氣流，防止對本箱導彈造成影響。導流錐設計成圓弧形，有利于將氣流導向排焰道，實現(xiàn)公共排導。

在圖3中，上圖為隔離防護裝置，下圖為導流錐。

圖3 隔離防護裝置與導流錘的機構模型

c）閉鎖擋彈裝置與適配器的結構設計

發(fā)射箱中有4個閉鎖擋彈裝置，儲存導彈時用于托住4個柱腳，起固定支撐作用。

適配器安裝在導彈體上，用于填充導彈與發(fā)射箱之間的間隙，適配器背面有凹槽，與發(fā)射箱內(nèi)導軌配合，導引導彈在膛內(nèi)的線路，提高精確性。

在圖4中，左圖為閉鎖擋彈裝置，右圖為適配器。

圖4 閉鎖擋彈裝置與適配器的機構模型

d）四聯(lián)裝發(fā)射箱

圖5所示為四聯(lián)裝發(fā)射箱結構模型。

圖5 四聯(lián)裝發(fā)射箱的機構模型

3 垂直發(fā)射機構強度校核

導彈發(fā)射瞬間，發(fā)射裝置在高溫、高壓燃氣作用的惡劣工況下工作，有關垂直發(fā)射裝置的燃氣排導問題一直受到廣泛關注，燃氣排導問題是該機構強度校核的關鍵。

3.1 有限元建模

線性靜力分析是結構設計與強度校核的基礎。靜力分析求解承受靜力載荷（包含由定常加速引起的平衡慣性載荷）作用于結構的響應問題，所采用的基本有限元方程為: ［k］{u}={p}

式中，［k］為結構的彈性剛度矩陣;

{u}為結點廣義位移向量;

{p}為結點載荷向量。

上述全結構的剛度矩陣［k］是按全部結點（含標量點）的全部自由度裝配而成，對應的位移集稱為g集，相應的剛度矩陣稱之為［k］，該矩陣往往可能是奇異的，不能直接被分解。一股需進行如下運算:

1）多點約束減縮（MPC），消去線形相關自由度（可選的）;

2）M單點約束減縮（SPC），消去剛體運動自由度;

3）靜力減縮（OMIT），減少求解問題的規(guī)模（可選）;

4）自由體支持（SUPORT），分析慣性卸載問題。

三維實體模型及其有限元網(wǎng)格與材料模型仍然采用模態(tài)分析中的模型［5］。邊界條件中的邊界約束為底部固定，載荷施加根據(jù)實際工作中的條件而定。

3.2 結構強度校核

導流錐圓弧面受導彈發(fā)射時的沖擊集中力，受力大小為80 kN，利用ABAQUS CAE計算應力云圖如圖6所示。

圖6 導流錐網(wǎng)格劃分與應力云圖

當導彈發(fā)射時，密封蓋用于防止鄰箱氣流對本箱導彈造成影響。密封蓋受導流錐反射的沖擊，極限壓強為8個標準大氣壓，校核其強度如圖7所示。

圖7 密封蓋網(wǎng)格劃分與應力云圖

校核結果可以從應力圖上看出，應力最大值為8.690 kgf/mm2，圖中各節(jié)點及單元的應力大小均在可承受范圍內(nèi)，符合強度條件。

4 結語

本文針對艦載導彈垂直發(fā)射裝置，初步設計了相對較完善的垂直發(fā)射裝置結構單元。在完成裝置機構設計的基礎之上，運用有限元分析方法對垂直發(fā)射裝置的強度進行了校核，經(jīng)校核，該機構完全符合相關強度要求。

［1］徐悅，張振鵬，陳小慶.艦載導彈垂直發(fā)射技術研究進展［J］.導彈與航天運載術，2007（3）:22-25.

［2］姜毅，郝繼光，傅德彬，等.新型引射同心筒垂直發(fā)射裝置理論及試驗研究［J］.宇航學報，2008（1）:236-241.

［3］朱軍.艦載導彈垂直發(fā)射裝置的新進展［J］.導彈與航天運載技術，2002（8）:40-45.

［4］西北工業(yè)大學、南京航空學院、北京航空學院合編.氣體動力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1980.

［5］莊茁，由小川，廖劍暉，等.基于ABAQUS的有限元分析和應用［M］.北京:清華大學出版社，2009.