弹射器内弹道参数设计也即弹射内弹道学的反面问题——求得合理的装填条件和弹射装置内部结构诸元方案,以使规定质量和直径、长度的火箭在不超过允许发射加速度的条件下获得规定的初始速度。
满足给定条件的设计方案实际上存在多个,必须在设计过程中进行分析比较,在满足某些限定条件(如限定发射筒长度等)下,从中选择合理的方案,或者通过优化方法得到最优方案。
进行弹射器内弹道设计的基本假设为:火箭在低压室平均压强的作用下(大部分时间)作匀加速直线运动,这样设计出来的弹射器使火箭受力均匀、运动平稳,且可减小低压室壁厚,从而减小弹射器的质量和体积。
内弹道正面问题的求解是由高压室开始的,而反面问题的求解则需从低压室入手。
1.低压室内径的选取
低压室内径即发射筒内径,选定了发射筒内径则低压室承压面积即可确定。火箭在筒内处于待发射状态时的最大直径是已知的,从结构方面考虑,发射筒内径只要能将火箭最大直径包含进去就可以了。另一方面,弹射力为S2 p2,故低压室内径需与低压室压强的选取一并考虑。
2.低压室压强p2的选取
低压室压强的选取主要考虑两方面的要求,一是满足出口速度(出口动能)的要求,即
二是满足火箭加速度的要求,即
式中,为常温下实际的平均发射加速度允许值。
式中,为给定的发射加速度最大允许值;A1=1.1~1.25,为考虑温度影响的修正系数;ηg=0.65~0.9,为充满系数,是对匀加速直线运动假设的修正;δp2≈5%,为考虑加工误差等引起的低压室压强跳动量。
p2和S2的选取是一个反复的过程,一般根据经验在限定范围内选取,在后续设计中进行调整。
3.火箭在发射筒中运动时间tg的确定
对于选定的p2,可计算出对应的平均发射加速度am的大小:
根据基本假设,火箭在弹射器中作匀加速直线运动,有
4.高压室火药燃烧结束时间tk的确定
一般地,取
式中,∂=0.9~0.95。
即高压室火药应在火箭离筒之前燃烧完毕,否则造成火药的浪费;但火药燃烧也不能过早结束,否则第二时期的压强冲量将不能使火箭的速度由vk增加到vg。
5.低压室初始容积V20的选取
弹射初期,初始容积V20越小,则p2越大,低压室压强曲线上升得很快,可能出现初始压强峰;当火箭开始运动以后,弹后空间不断增加,V20相对于S2 lm变为小量,对p2的影响越来越小。
V20的选取受结构限制,其值不能过大。根据经验可初步取(www.xing528.com)
在设计过程中再作进一步调整。
6.火药的选择
选择火药种类时,应遵循以下基本原则:能量适中而爆温较低、燃速较高、燃速压强指数和燃速系数较低、侵蚀性小、临界压强低、生产成本低,经济性好、力学性能好、物理化学安定性好、安全性好、燃烧产物无烟或少烟。
弹射器高压室较多选用双基药和改性双基药,以及一些燃气发生剂,有时也选用复合火药。
火药选定后,与火药性能相关的所有参数都随之确定,包括能量性能参数如密度、爆温、爆热、火药力、燃气比容、燃气平均分子量、特征速度等,燃烧性能参数如燃速系数和燃速压强指数、燃速温度敏感系数等,以及其他相关参数如燃气比热比等。
7.高压室工作压强的选取
高压室工作压强指的是常温下(20℃)高压室的平衡压强。高压室工作压强的大小不仅影响高压室工作的正常与稳定,而且影响火药尺寸、工作时间及高压室的结构质量。高压室工作压强越高,火药工作时间越短,高压室壁厚越大,壳体质量也越大。
选取高压室工作压强的基本原则是:必须保证火药在高压室内能正常燃烧,同时必须保证高压室喷喉流动的临界状态。
对于发射运载火箭的大型弹射器,低压室压强相对较低,则高压室工作压强可在7~20 MPa范围内选取,对于增面燃烧火药,其终了压强宜控制在30 MPa以下。
8.高压室喷管喉部直径的确定
根据内弹道设计的基本方程式:
已经确定了R、T1、K0、p2、V20、S2、tk等参数后,对于选定的p1,即可确定St1。
确定了高压室喷管喉部面积后,即可确定高压室喷管喉部直径:
9.火药燃面的确定
若选用恒面燃烧火药,则根据选定的工作压强,由平衡压强公式可求出面喉比
而火药燃面
若选用增面燃烧火药,则可根据点火压强及式(3.3.19)初步确定初始燃面和终了燃面,在后续设计中逐步调整。
10.火药设计和点火药设计
确定了燃面后,再根据燃烧时间确定火药肉厚,进而确定火药量,便可继续火药设计和点火药设计。火药设计包括火药的排列方式、火药尺寸等,具体可参阅“固体火箭发动机设计”方面的书籍。
特别需要注意的是,火药设计要满足通气参量的要求,以免造成有害的“侵蚀燃烧”,引起不必要的高压室的初始压强峰,如图3.54所示。
图3.54 高压室火药设计不当引起的初始压强峰
常用点火药种类主要有黑火药、烟火剂型点火药和均质火药等,可单独使用,也可组合使用,如黑火药与烟火剂型点火药的组合、黑火药与均质火药的组合等。
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