直轨式定向器设计-航天器发射技术

设计定向器时，要选择总的结构方案，同时设计导轨的长度，计算导弹的滑离参数，分析和计算结构承受的载荷，以及进行结构的强度和刚度设计。

1.定向器结构方案选择

选择定向器的结构方案时，要对导弹、发射技术及发射装置的要求等进行综合考虑和必要的估算。定向器结构方案选择的基本内容如下：

1）选择基本结构形式

用自推力发射导弹时，定向器的基本结构形式有两种：一种是导轨式，另一种是支承式。可以根据发动机的推重比（推力与导弹起飞重量之比）、发射配置方式，以及制导系统对发射初始散布的要求来选择。

（1）导轨式定向器。由定向器本体和导轨组成。发射时，由于导轨的初始导向作用，能确定并控制导弹的发射方向。这种形式适用范围比较广泛，多用于各种有翼导弹的倾斜发射，也用来发射弹道导弹。

（2）支承式定向器。其导轨长度为零，故又称为零长式定向器。它只能确定导弹的起始方向，不能控制飞行路线。如果导弹起飞时的推重比较大，导弹的自动驾驶仪在整个发射阶段都能进行控制，或者与发射散布关系不大，就可使用这种定向器。如图4.9（a）所示的发射配置方案，导弹在定向器上时成水平姿态，导弹支于助推器的接合件上，助推器喷管倾斜一定角度，推力的竖向分力很大，使导弹一开始就可起飞，故可用支承式定向器，当串联或并联的助推器推力较大，又采用较大的高低角发射时，也可用支承式定向器。

在使用支承式定向器时，必须保证前、后支承要同时解除约束，还要保证导弹与定向器之间有足够的间隔，以免导弹下沉后与定向器相碰；闭锁力的大小也必须满足要求。

2）确定导轨结构

定向器上的导轨可以有一至数根，导弹上的定向元件，可以用2～4个。导轨和定向元件的数量及配置的方式主要应保证导弹在定向器上的姿态稳定，特别是对舰载发射装置来说尤为重要。另外还应考虑装弹方便。导轨可以使导弹同时滑离的，也可以使导弹不同时滑离。当制导系统不允许导弹有较大的头部下沉，而且滑离速度又较低时，则应选用使导弹同时滑离的导轨。

导轨一般都是平直的，但在有些特殊情况下，导轨的前端也可做成曲线形状。如图4.9（b）所示，助推器装在导弹的下方，推力线与导弹纵轴有一夹角，导弹滑离后，其推力垂直于地面的分量与导弹重力平衡，导弹质心飞行轨迹的仰角（即飞行路线仰角）小，俯仰姿态不变，此时导轨可以短些。但当导弹滑离时，飞行路线仰角与导弹在导轨上的仰角不一致，约束作用会突然消失，从而产生激震。当这个值的影响较大时，可以使导轨前端弯曲，以便使导弹在导轨上的仰角逐渐改变成与离轨时的飞行路线仰角一致。

导轨截面形状有T形、匚形、双Γ形等，应与定向元件的形式相适应。对其的要求是要保证有适当的配合间隙、导向平稳、加工方便。

3）确定导弹在定向器上的位置

导弹可以挂在定向器的下方，叫下挂弹；也可安放在定向器的上面。采用下挂弹，比较容易解决导弹下沉后的碰撞问题，但使起落部分的耳轴位置增高。在舰载发射装置上，发射助推器串联导弹时［图4.9（c）］，多采用下挂弹。因为这种发射配置方式使用的定向器长，导弹下沉量大，加上舰艇摇摆，更有可能产生碰撞，而采用下挂弹所要求的耳轴高度在舰艇上容易保证。对机载发射装置来说，由于在飞机上位置的关系，也多采用下挂弹。

图4.9　助推器配置方式

4）确定定向器的联装数

为了提高发射时的火力，常采用多联装的定向器，无控火箭及小型导弹一般均采用多发联装形式。大型导弹舰载发射时，可用2～4联装的定向器。大型导弹地面机动发射时，一般不采用联装形式，因其结构较大，运输不便。由于导弹的直径、翼展和质量大小不同，每台发射装置的联装数量及布置形式也不相同。要考虑发射车总的质量限制及运输时外廓尺寸的限制。联装的形式如图4.10所示。定向器联装数及发射间隔见表4.1。

图4.10　定向器联装形式

（a）双联；（b）3联；（c），（d），（e）4联；（f）8联；（g）12联；（h）14联

表4.1　定向器联装数及发射间隔

多发联装定向器的轴线一般都是互相平行的，因此导弹的发射方向也是平行的。如果是无控火箭，为了减小散布，定向器轴线应有一个交会角。如果制导系统要求导弹的初始弹道与瞄准线间的偏差小，以使制导系统能容易捕捉导弹，不致丢失，或使捕捉时间短，以免影响最小射程，这时也应使定向器有一个交会角。交会角的大小由制导系统允许的开始控制飞行的距离而定。

采用联装型号的发射装置在确定发射间隔和发射次序时必须考虑发射稳定性的要求，还要考虑控制初始扰动的要求。射序安排的一般原则是“先上后下，左右交替”，即先发射上排的，后发射下排的；在同一排则左右交替，如图4.10（h）所示。发射间隔与弹－架系统的固有频率有关，不能与固有周期相同或成倍数。射速与射序要通过发射动力学的计算来确定最佳结果。

5）确定本体结构形式

定向器本体有由板件构成的箱形梁或槽形梁，也有由杆件（管件）构成的桁架，导轨安装在它的外面；还有一种箱式（或筒式）的，这时导轨安装在它的内部。各种结构都各有其特点，主要根据导弹的形式、导轨的结构和受力情况等来选定。近年来，多采用贮运发射箱式结构，本体是箱式构件，导轨装在箱内，两端有密封盖，在发射时自动打开。由于导弹在事先检测后装在箱内的导轨上，故发射时不用再检测，这样可缩短发射准备时间。另外，这种形式的定向器往起落部上安装也十分方便，缩短了再装弹的时间。贮运发射箱式结构的内部，有时还有保温设备，或注入惰性气体，使导弹贮存和发射的环境条件能满足技术条件的规定。

下面介绍两种国外已用的定向器，说明其结构方案设计时所考虑的一些特殊问题。

图4.11　苏联“CA-2”地-空导弹地面机动发射装置的定向器

1—前导轨；2—电分离器；3—让开机构；4—后导轨；5—后定向元件；6—前定向元件

图4.11所示是苏联“CA－2”地－空导弹地面机动发射装置的定向器。这种导弹的重量大、尺寸长，采用波束导引，要求发射的初始偏差小；作为攻击空中目标的导弹，要求装弹迅速。因此，这个定向器较长，以保证具有必要的支承长度和滑离速度。导轨采用同时滑离式结构，安装配合要求比较高，以减小初始扰动。定向器前、后两段之间有复杂的让开机构，上表面有阶梯差，以防导弹下沉后相碰。同一种导弹，用在舰艇上时，采用下挂方式来解决碰撞问题，这时增加了耳轴的位置高度，但省去了复杂的让开机构。定向器本体是封闭的箱形梁，使装在内部的有关机构不受燃气烧蚀。其导轨的结构还考虑了迅速装弹的要求。

虽然是发射同一种导弹，但因使用条件不同，定向器的结构也相应的有变化。例如单兵携带的背箱式结构要求轻便、尺寸小，所以将导弹分成两段携带，一段是战斗部，单独放在背箱内；另一段是发动机及控制舱，装在定向器上以后放在背箱中，定向器的长度正好与发动机及控制舱的长度相当，因此背箱的长度较短。但车载反坦克导弹发射装置对定向器尺寸及质量限制较小，故定向器长度增加到大约与全弹前端齐平，这样可弥补使用短导轨发射导弹时初始偏差较大的不足。要在背箱式的定向器全长不能太长的限制下，使导弹有足够的滑离长度，故将前定向元件在导弹上的位置后移，移到全弹重心之后，这样就缩短了两定向元件之间的支承长。这种导弹用到车载发射装置上时，运行时的稳定性不好，因此又增加了一个辅助支承，专供车载时用。此支承在发动机壳体的最前端。此外，车载发射装置还增加了弹簧式的闭锁器，以保证运输时的闭锁需要。

图4.12所示是美国“响尾蛇”空－空导弹用定向器。定向器本体为铝制箱形梁，下面有一条槽形导轨。导弹用前、中、后3个定向元件挂在定向器下方，发射时不同时滑离。由于导弹较长，又在飞机上使用，为了保证必要的支承稳定性，所以前、后两定向元件之间的距离较长。为解决采用两个定向元件时，不同时滑离时的导弹头部下沉量过大的问题，所以采用了3个定向元件。

图4.12　美国“响尾蛇”空-空导弹用定向器

1，2，3—定向元件；4—导轨；5—电分离器；6—切刀

图4.13所示是机载导弹发射用定向器本体常用的断面形状。这些结构最主要的特点是强度与刚度好、结构简单、尺寸小、轻便，符合机载武器的设计要求。

图4.13　机载导弹发射用定向器本体常用的断面形状

（a）整体结构；（b）螺栓连接结构；（c）焊接结构

2.导轨长度设计

导轨长度是设计时必须首先决定的问题之一，因为它影响导弹发射的初始条件及定向器的结构和力量，同时也关系到发射装置的总体布置。早期的导弹广泛使用很长的导轨，如德国“V－1”飞航式导弹，其导轨长达15 m，苏联“海岛”导弹发射装置的定向器长达十余米。经验证明，导轨并不需要很长，导轨长度要求也并不很严格。应在满足发射和勤务要求的情况下，首先考虑采用短导轨，因为这样既有导轨式定向器的优点，又使结构紧凑、质量小。(www.xing528.com)

导轨长度由3部分组成（图4.14），即

式中，s为导轨全长；s1为导弹前定向元件滑离时的滑行距离；s2为导弹支承长，是导轨前、后定向元件之间的距离；Δs为定向器结构上或勤务上需要而增加的长度，此长度不一定加在尾端，有时前端也可能要加长。

对同时滑离的定向器，s1就是导弹在导轨上的滑离长，即s1＝sl。这段长度取决于导弹滑离时的速度要求。导弹运动到s1时，其质心的速度即滑离速度（vt），对应的时间为滑离时间（tl），对不同时滑离的定向器来说sl＝s1＋s2。

决定导轨长度时主要依据以下因素：

图4.14　导轨长度组成

（a）同时滑离定向器；（b）不同时滑离定向器

（1）保证发动机全部点火。

在助推器（或发动机）点火及压力逐渐建立的过程中，应保证导弹仍在导轨上。因为在发动机点火时，其燃烧是不稳定的，横向推力变化较大，若无导轨约束，发射初始偏差则较大。根据这一时间要求，所定出的导轨滑离长度是最短的。如果导弹发射配置方式与发射技术具备使用支承式定向器的条件，这时导轨滑离长度就可为零了。在这种情况下，导弹在发动机全部点火前不滑动的要求，是由闭锁挡弹器来保证的。

（2）考虑制导系统对发射散布的敏感程度。

从导弹发动机点火到导弹开始控制飞行，这一阶段叫发射阶段。制导系统对导弹在发射阶段偏离预定的飞行路线是有一定要求的。如果导弹偏离过大，就可能使制导系统不能截获导弹，造成导弹丢失，或使制导系统开始控制导弹的时间滞后，从而限制了最小有效射程。

不同制导系统对发射偏差的要求是不同的。应根据制导系统允许的最大发射偏差值，以及截获导弹开始制导时的位置，进行无控飞行弹道的计算，从而提出导弹滑离时的参数，如滑离速度、偏差角及角速度等。根据要求的滑离速度确定导轨的滑离长度。

如果制导系统对发射散布并不敏感，则由其他因素来考虑导轨的长度。

（3）使导弹具有稳定飞行所必要的条件。

如果要求导弹刚滑离就能稳定飞行，其滑离速度必然很大，实际上这是难以实现的，所以允许导弹刚滑离时，在一段时间内有一定的不稳定度，但由飞行不稳定所造成的角偏差不能超过舵面正常工作时允许的极限值，以便导弹能够恢复稳定飞行。由这一出发点确定导轨长度，可以根据允许的不稳定度，通过外弹道计算，提出要求的滑离速度，再由这个滑离速度确定所要求的导轨长度。

（4）机载发射装置必须考虑机翼四周非均匀气流场对刚滑离导弹飞行的影响。

一般来说，由于飞机上空间的限制，其定向器的长度都特别短，但仍需要有一定长度的导轨。在确定这个长度时，必须考虑非均匀气流场的作用力。导轨长度应能保证导弹相对飞机的运动速度还很低时，导弹的运动由导轨约束，不致产生发射偏差；当导弹在非均匀气流场外层，并已有较大的速度时，才允许导弹滑离。

（5）考虑发射时的安全需要。

导弹滑离后，由于下沉可能与定向器相碰，尤其在发射条件不利的情况下，例如推力小、导弹质量大、舰艇摇摆等同时出现时，就更可能出现碰撞现象。增长导轨、加大滑离速度、有利于解决该问题。

（6）勤务和结构空间等的需要。

由上述各个因素所确定的导轨长度，是从满足发射要求的角度确定的。为了满足装弹或投弃导弹的需要，或者满足支承工作台或导流器的需要，可适当增长或缩短由上述标准决定的导轨长度。

（7）根据支承导弹的要求来确定支承段长度。

支承段长度由导弹前、后定向元件之间的距离来确定。确定定向元件在导弹上的位置时，要保证导弹在定向器上运动时姿态稳定，考虑助推器的配置，以及定向元件在导弹上连接可靠。在这些前提下，尽可能缩短支承段长度。支承段长度短，可缩短导轨全长，当不同时滑离时，还可减小导弹头部的下沉。有的导弹在纵轴方向采用3个定向元件，就是为了解决支承稳定性和头部下沉的矛盾。一般导弹质心均在前、后定向元件之间，这对保证姿态稳定是有利的。但有时为了缩短导轨长度，或为了便于在导弹上固定定向元件，导弹质心有可能处于前、后支承点之外。这样布置的支承点，一般来说是不好的，若装在机动发射装置上运行时，应增设辅助支承点，以保证运行时支承可靠且使导弹处于稳定状态。

导轨长度确定后，定向器的长度也可相应确定。一般大、中型导弹使用的定向器，其最大长度不宜超过导弹与助推器组合后的长度。贮运发射箱形式的定向器，其长度应能容纳全弹，或分段贮运部分的长度。

3.定向器强度设计

定向器除了长度要满足发射和使用方面的要求外，还必须从强度、刚度和稳定性方面来考虑它的形状、尺寸和所用的材料等。定向器的强度计算包括：

（1）定向器本体的强度、刚度和稳定性计算，焊缝强度计算。稳定性包括定向器整体稳定性和构成本体的板件（或杆件）的局部稳定性。

（2）导轨强度和连接强度计算。

（3）耳轴（或轴承）强度计算。

（4）齿弧（或其他支承件）强度和连接强度计算。

定向器强度计算是在外载荷分析的基础上求出定向器所受的最大载荷条件下进行的。有关计算的基本知识，在机械设计基础课程中已有专门介绍，这里只是具体应用的问题，不再介绍。定向器本体结构设计可参看关于金属结构设计的专门书籍及规范。由于定向器影响整个发射装置的质量以及结构的紧凑性，因此在这里只简单介绍在满足强度的情况下如何减小质量，具体措施可以是：

（1）根据结构的重要性和计算方法的精确程度，选用适当的安全系数。对重要部位，取较大的安全系数，一般情况则取较小值。各部件承载能力应协调一致，避免某些部件有过大的强度裕量。例如耳轴是重要零件，材料的安全系数（按屈服极限计算）一般为3～5，其他部件则为1.5～2。

（2）确定合理的整体结构。利用铸件和钢板焊接成封闭的箱形结构，在安装有复杂机构的部位采用铸件（如安装让开机构、电分离器处），其余部位则用钢板，可减小质量。此外封闭结构的抗扭刚度比半封闭结构大，还可保护许多部件不受燃气流、海水侵蚀，省去专门的护罩，利用大的断面高度、小的板厚来保证必要的抗弯断面系数。因为定向器长度主要取决于导轨的长度，而宽度一般是根据支承导弹的需要来确定，所以断面的强度只能由高度、板厚和材料来确定。增加高度使断面系数增大的效果比增加板厚显著。

（3）根据具体情况选用钢板厚度。定向器本体是应用不同厚度的钢板焊成的箱形件。凡是需要固定其他零件或部件的部位，用较厚的钢板，以相应地增加其强度和刚度。其余则用较薄的钢板，例如固定导轨处，用9～16 mm厚的钢板，其他处用3～6 mm的钢板，下翼缘板和上翼缘板较厚（5～6 mm），而腹板则较薄（3～4 mm）。

（4）配置加强筋，以保证结构的稳定性。一个高而窄的长梁，在对称面内作用一载荷，当此载荷达到某一定值时，结构会突然出现侧向弯曲和扭转，这种现象称为整体失稳，钢板焊成的箱形结构，由于钢板厚度比其他尺寸（长、宽、高）都小得多，故称为薄板。薄板在受载后，还会出现局部失稳现象。例如：受均布压力的板件，可能在长度方向失去稳定性；受下弯曲应力的板件，在挤压区可能沿长度方向失去局部稳定性；受挤压应力的板件，在垂直方向受压，可能失稳。

为防止失稳，可加大板厚或配置加强筋。板在稳定状态下所能承受的最大应力，叫临界应力，它与板的形状、尺寸、支承情况和应力性质有关。根据理论分析，在弯曲应力σ、挤压应力σM或剪切应力τ单独作用下，矩形板的临界应力可用式（4.2.2）计算。

式中，σcr，σMcr，τcr为σ，σM和τ作用下的临界应力（MPa）；δ为板厚；α为矩形板短边长；K，Z，γ为稳定系数，它们与板的尺寸、支承情况和应力分布情况有关，可查阅专门表格。

从上述几个公式可以看出，提高临界应力的办法是加大板厚或配置加强筋。配置加强筋，使板的尺寸（α）变短，这和增大板厚有同样的效果，但用配置加强筋的办法来提高稳定性，梁的结构重量往往比加大板厚时轻。

加强筋有两种，一种是支承筋，一种是间隔筋。支承筋布置在有集中载荷的地方，用以支承集中载荷，这种加强筋把载荷逐渐传给腹板，而不产生很大的挤压应力。间隔筋有横筋与纵筋，横筋将腹板分成尺寸较小的区段，使各段互不相关，增加了局部稳定性；纵筋使腹板变成较窄的条。

加强筋一定要合理布置，否则不起作用，或起反作用。布置加强筋的位置、加强筋的形状和尺寸往往根据经验和试验结果确定。加强筋的设计和稳定性计算可参考专门的钢结构书籍和规范。

（5）焊接时的热应力和变形是焊接结构的主要问题。焊缝的形式、尺寸及位置要考虑加强焊缝的强度、减小热应力和变形。例如：焊缝接头不布置在同一横断面内，以增加接头处的强度；改直线焊缝为斜线焊缝，以增大焊缝长度；利用断续焊、对称焊和塞焊等来减小变形，焊后用热处理方法去掉热应力等。