航天器发射技术：激励过程简析

确定发射过程作用于弹－装置系统的激励有以下方法：一是利用理论的或经过工程实践检验的经验公式进行计算；二是直接测量，如测量发动机推力、推力偏心、导弹的质量偏心、动不平衡和发射装置的闭锁力等；三是在模型和相关参数已知，响应已知的基础上识别激励。本小节主要介绍各种激励的特性和它们对系统的作用。由于发射方式不同，激励有很大差别，以下将阐明其差别。

图3.5　陆基车载筒式垂直弹射的弹道导弹

1.与发射动力有关的激励

1）自力发射时导弹发动机的激励

由于构件加工误差和喷管出口截面燃气流的速度和压力不均匀，造成几何偏心和气动偏心，从而导致推力偏心。推力偏心的存在使推力不仅不通过质心，而且也不平行于弹轴。一般采用推力偏心距和推力偏心角表征推力偏心的作用。推力偏心引起的推力偏心距对弹－装置系统产生激励。

由于导弹发动机的燃烧不稳定而发生振荡燃烧现象时，压力波在发动机通道内往复振荡而造成推力脉动，如果这个振荡频率和弹体的纵向固有频率相同则产生共振。发动机的推力脉动会使弹体和发射装置部件产生振动，但是它的量值并不大。由于发动机的振荡燃烧是在发动机非正常工作状态下产生的，在发动机研制过程中应予以解决。

2）自力发射时燃气流的激励

导弹发动机在发射过程中喷出大量高温、高速燃气流，其温度为1 500～2 500 K，压强为0.01～1 MPa。燃气流对发射装置迎气面的冲击力是发射装置所受的主要载荷。对于多联装发射系统，连发过程中每发弹发射时燃气流冲击力的作用时间和作用点是影响次发弹发射时弹－装置系统振动参数的主要因素。正确地确定发射间隔和发射顺序可以优化燃气流冲击力的作用点和作用时间，从而优化系统的振动参数，提高发射精度。高温高速的燃气流在弹－装置系统周围一定的空间范围内对人员和设备会造成损伤，这个空间范围称为危险区。潜载、舰载和机载发射，地下井发射和陆基机动发射时燃气流的防护问题已成为武器设计中的关键问题之一。近年来弹射发射在上述导弹发射系统中得到广泛应用，主要原因之一是利于解决燃气流对人员和设备造成的危害。

3）自力发射筒内的引射流对导弹的激励

自力发射时，导弹发动机喷出的燃气流向筒尾部高速排出的过程中，会在筒内引发程度不同的引射流。引射流对在筒中运动的导弹的作用除了力以外还有绕质心的合力矩。由于当导弹完全脱离发射筒的约束时，尚未完全出筒，因此，引射流作用于导弹的力和力矩会造成导弹的初始扰动。同时滑离发射，导弹脱离约束以后，导弹的未出筒部分较不同时滑离发射时的导弹长，因此引射流对导弹初始扰动的影响也比较大。

4）弹射工质对弹－装置系统的激励

产生弹射力的工质在推动导弹运动时，作用于发射筒的后坐力是弹－装置系统所受的最大的动载荷。此外，弹射动力装置点火破膜过程产生的瞬态冲击激励也应予以注意。

5）发射筒口压力波的激励

弹射时，导弹尾部飞离发射筒口以后，发射筒内的高压气体即刻逸出，形成发射筒口压力波。发射筒口压力波是引起导弹初始扰动的因素之一。

6）弹射筒内喷流噪声的激励

弹射时，弹射动力装置产生的燃气以很高的流速流入发射筒，因此产生很强的喷流噪声。喷流噪声的强度取决于流速、喷口直径和喷流介质的性质。受此声场直接影响的导弹尾段会产生相当强的高频振动，其能量往往高于由机械力引起的振动能量，对导弹上的电子、压电、磁控元件等设备的可靠性有不可忽视的影响。

7）筒内燃气流对发射筒的激励

燃气流作用于发射筒壁的激励，是发射筒强度设计应该考虑的载荷之一。弹射时，燃气流对发射筒壁的激励更大，是弹射发射筒强度设计的主要载荷。

2.与弹-装置系统运动有关的激励

1）倾斜发射导弹沿定向器运动产生的激励

倾斜发射导弹沿定向器运动，导弹的重力通过滑块（定心部、适配器）传递到定向器上，这是一个作用点随时间变化的动载荷，这个动载荷对系统会产生激励。

由于制造、安装误差和使用上的原因，定向器的导向面实际上不可能完全平直，导弹在不平直的导向面上运动，在垂直导向面的方向上出现起伏运动，从而产生一个随时间变化的惯性力，此力通过滑块、定向器作用于发射装置及导弹。提高定向器导向面的加工精度可以减小此惯性力。零长发射（含发射台垂直发射）时，由于导弹开始运动以后立即脱离发射装置，因此没有导向面不平引起的惯性力。

2）发射装置变速运动产生的惯性力的激励

地面发射装置攻击活动目标的弹－装置系统，有时需要对目标进行变速跟踪瞄准运动，从而对相应的结构产生惯性力。舰载、机载导弹由于弹－装置系统的载体的变速运动产生牵连惯性力。

3）作用于弹－装置系统的脉冲激励

发射前，导弹被闭锁器（又称牵制器）闭锁在发射装置上。发射时，当发射动力（自力或弹射力）大于闭锁力时，导弹开始运动。在解脱闭锁过程中导弹和发射装置都受到脉冲激励，由于解脱闭锁的方式不同，解脱闭锁过程对弹－装置系统的冲击也不相同。冲击可视为脉冲激励，会激起弹－装置系统振动。早期有的导弹发射系统要求很大的闭锁力，并且通过剪断销子等方式解脱闭锁，形成很大的脉冲激励，这不仅给发射装置的强度设计造成困难，增加了发射装置的质量，而且也有导弹被损坏的先例。合理的闭锁力的确定和闭锁装置设计可以避免解脱闭锁过程产生过大的脉冲激励。

电插头分离也会对弹－装置系统作用脉冲激励，但只要机构设计合理，此项载荷一般小于解脱闭锁过程的脉冲激励。

以上两项脉冲激励造成的峰值加速度通常为5g～100g，脉冲宽度为1～11 ms。

在储运发射箱式发射的情况下，有些箱盖（如易碎盖）是靠导弹运动以后冲破的，在冲破易碎盖的瞬间，弹－装置系统所受到的脉冲载荷的大小与所用易碎盖的材料和尺寸有关，最好通过试验取得脉冲载荷的数值。

3.风载荷

地面风载荷对待发状态和发射状态的弹－装置系统都是不可忽视的载荷。对于由发射台上垂直发射的弹道导弹，作用于其上的风载荷是待发状态下发射系统的主要载荷之一。

地面风的变化比较复杂，与季节、地点、时间、高度和地形有关，因此难以建立计算地面风的准确模型。一般情况下，利用大量的统计数据，建立统计模型是可行的。但是，在工程应用中统计模型过于复杂，通常是在统计模型的基础上再进行简化。风速方向可视为与地面平行，随高度变化。在固定高处，风速总是在某平均值附近平稳地变化。因此，把风速看成平移随机过程。平均风速作用的是静载荷，随机脉动风速作用的是动载荷。风载荷可由式（3.1.1）计算：

式中，P为风载荷；Qpi为计算风压；Fi为计算迎风面。

式中，Q为额定工作风压；Cx为气动阻力系数；Kh为风压随高度增加系数；β为考虑阵风作用的动力系数。

式中，ρ为战技指标规定的低温下的空气密度；v为风速。

静强度计算时v可以选用最大工作风速，当作动力学分析时v可以选用准定常风的风速（平均风速）。随机风的激励作用，通过随机风载荷谱密度予以考虑。随机风载荷谱密度的计算可参阅有关资料，在此不详述。

4.冲击波和地震波

1）冲击波

常规弹头或核弹头的爆炸都会产生冲击波，从而对发射装置产生破坏。下面介绍核爆炸的冲击波及其对发射装置的激励。为阐明冲击波对发射装置的激励，首先应对爆炸冲击波作简单叙述。(www.xing528.com)

（1）爆炸冲击波简述。

武器（常规武器和核武器）爆炸时，由于压缩周围的空气介质而产生空气冲击波，具体情况如图3.6所示。

冲击波前缘称为冲击波阵面，阵面后的球形区为压缩区（正压区），其间的大气密度和压力升高，物体若处在此区域内，将受到高压和高速流动的大气的作用。压缩区与爆炸中心之间为负压区，其压力和空气密度较未受爆炸影响时的大气低。以上是爆炸产生在自由空间（如空中）时的情况，若冲击波遇到障碍（如地面），则将由于反射而产生反射冲击波，与原冲击波叠加而使压力增加2～3倍。

图3.6　爆炸时大气的变化

爆炸影响区内某一点处大气的压力是随时间变化的，如图3.7所示。其中p0是大气未受爆炸扰动时的压力，pH是冲击波阵面内的压力，ΔpH＝pH－p0，称为超压。在压缩区，ΔpH＞0；在负压区，ΔpH＜0。是冲击波阵面到达时间，t＋是压缩区（正压区）作用时间，t－是负压区作用时间。核爆炸冲击波防护一般只考虑空中爆炸和地面爆炸，在考虑核爆炸冲击波防护时，按空中爆炸和地面爆炸两个公式可判断出核爆炸是空中爆炸还是地面爆炸，然后按不同公式计算冲击波峰值超压。

图3.7　爆炸时大气压力随时间的变化

空中爆炸：

地面爆炸：0≤≤0.35

式中，为相对爆炸高度；H为爆炸高度（m）；W为核武器TNT当量（kg）。

式中，ΔpH为峰值超压（Pa）；R为发射装置至爆炸中心的距离（m）。

地面爆炸时，峰值超压为

冲击波阵面的传播速度vH为

（2）爆炸冲击波对发射装置的冲击载荷。

图3.8所示为爆炸冲击波对发射装置作用的几个阶段的情况，图中给出了发射装置正面和背面所受的力随时间的变化规律。

当冲击波遇到发射装置或其他设备时，气流突然受阻，设备正面（迎向爆炸方向的垂直表面）受到空气的压力Δp1。图3.8（a）表示冲击波到达时发射装置正面受的压力。其值为

冲击波流过发射装置时，发射装置的上表面（所有平行于冲击波传播方向的表面）承受的压力等于冲击波阵面的峰值超压，即ΔpH。图3.8（b）表示冲击波流过上表面时，正面和上面的受力情况。由于与冲击波比较，发射装置的尺寸较小，未与发射装置接触的冲击波将继续传播，此时反射波阵面后气体的压力高于两侧冲击波阵面后气体的压力，气体由高压区很快流向低压区，使正面的压力Δp1很快下降，正面的超压将减少一半，如图3.8（c）所示，即

图3.8　爆炸冲击波对发射装置的作用

（a）冲击波到达瞬时；（b）冲击波绕过侧面及流过上表面时；（c）冲击波绕到背面后；（d）冲击波阵面全部通过后

当冲击波于时间t2通过了侧面和上表面而开始到达背面时，作用于发射装置背面的超压逐步加大，当冲击波阵面后的稀疏波于时间t3通过背面时，背面所受的超压达到最大值：

冲击波作用到发射装置上的载荷是随时间变化的，图3.9所示为发射装置所受压力与时间的关系，图中曲线a是正面受的压力，曲线b是背面受的压力。压力是由几个方面的作用力合成的，设计时应根据需要确定具体的计算方法。例如，计算局部的强度和稳定性，则按上述公式计算局部位置所受的压力；若算整体受载，则应按不同时间将各方向作用力按图3.8所示进行合成，以得到最大或最不利载荷。应该注意的是，合成载荷的大小主要是由冲击波速度头的持续作用决定的，而不是由压力Δp1的短暂作用决定的，合成压力的最大值可用下式求出：

式中，Cx为气动阻力系数；q为冲击波速度头（Pa）。

图3.9　发射装置所受压力与时间的关系

作用在发射装置上的最大载荷为：

式中，SL为发射装置受冲击作用的计算面积（m2）。

需说明的是，有些国家在有关标准上，明确而具体地规定了发射装置在核战条件下应能承受的空气冲击波超压值，设计时可直接引用这些数据，而不必另行计算。

2）地震波

各种核武器爆炸可以引起地震。一种是在地面或地下爆炸点产生的瞬时超强高压直接引起地震，这种地震引起的地震波在到达需要防护的地下设备之前，在地层之间有折射和反射，破坏作用随着地下设备距爆炸点距离的增加而具有较快的衰减速度。另一种是在空中爆炸，在空气中运动的冲击波是诱发地震的另一个原因，这种地震波随着距离增加的衰减比较慢。

为了设计隔振设备，使地下设施免受核爆引起的地震波的损坏，需要对不同原因引起的核爆地震波的性能和数据有所了解，即从激励源到所需防护的设施的传递时间，地震的位移、速度、加速度和动应力的峰值以及上述变量随时间的变化规律。

仅依靠理论计算还不能满足工程设计要求的准确度，通过实际测试或参考有关资料，获取实测数据对理论计算进行修正，或建立半经验公式，是解决工程设计问题的可行途径。