贮运发射箱箱盖设计——航天器发射技术

1.结构方案选择

箱盖是贮运发射箱的重要部件，对导弹的贮存寿命、使用维修性能、发射时的反应时间及可靠性有直接影响。所以在型号研制中，往往将箱盖作为关键部件专门进行研究。为了协调弹、箱间的要求，节省试验经费，箱盖的设计一般是与弹、箱同步进行的。

箱盖设计的基本要求如下：

（1）需要箱盖关闭时要能关得住。所谓“能关得住”是指：箱盖关闭时，有一定的强度与刚度，防止导弹遭受机械撞击；有良好的气密性能和隔热性能；对电磁场有屏蔽作用。

（2）需要箱盖打开时要打得开。所谓“打得开”是指开盖要方便、可靠，不能给导弹的发射带来不利影响。

目前在贮运发射箱中应用的箱盖有图4.32所示的各种形式。还有一种方式是用塑料薄膜封住简口，起密封作用；用普通盖罩于筒口，保护薄膜不致碰破，发射时弹头冲破薄膜与盖子。

图4.32　箱盖形式

几种开盖方式分别具有以下特点：

（1）机电式开盖。前、后盖一般用金属材料制成，用液压机构开、关盖，压缩弹簧伸张时开盖或用电动机构开、关盖。其优点是关盖确实，开盖可靠，可多次使用。其缺点是机构复杂，需要把液压机构或电动机构接入贮运发射箱中，重量大。

（2）整体抛掷。用外力把整个盖子抛出，抛出的力有两种：

①箱内气体压力。箱盖用爆炸螺栓与箱体法兰相连，发射时电点火器点燃爆炸螺栓中的火药将螺栓炸断，在箱内所充0.1 MPa气压的气体作用下箱盖被抛出。

②火药气体压力。在箱盖法兰处装有炸药索，发射时引爆电爆管从而点燃炸药索，在盖体与法兰间产生火药气体，使箱盖沿法兰破裂整体抛出。

（3）易碎式箱盖。这种箱盖在发射时要靠外力作用破裂成块。有的碎成几大块（4块或更多些），有的碎成小碎块，这由发射要求而定。破裂外力有的是导弹头部撞击的结果，有的则由埋于箱盖中的炸药索爆炸产生。这种方案的优点是：

①箱盖的前盖由导弹头部冲开，箱盖的后盖由发动机的燃气流吹开，既简化了发射程序，又省去了一套开盖机构，结构简单，重量较轻，可靠性也提高了；

②箱盖的打开或关闭对相邻导弹都无影响；

③具有防潮、隔热、自熄等性能；

④制造方便，成本低，适于批量生产。

2.电动开盖机构设计

1）结构组成

箱盖体由箱盖本体、耳轴座、铰链座及密封件等构成，如图4.33所示。箱盖是铝板加工而成，其上有密封用的沟槽、红外导引头的观察孔及防护盖。箱盖下端有两个铰链与箱体法兰相连，可绕链转动向下开盖或向上开盖。为了保证箱内所充气体不漏出，在箱盖上的沟槽内装有密封胶圈及密封胶囊。在贮运过程中，箱盖与箱体用螺栓固定，压紧密封圈，从而保证气密。进入待机发射状态，解脱固定螺栓，仅剩一个爆炸螺栓，此时由充气胶囊保证气密，而密封胶圈因螺栓去掉后未压紧不再起密封作用。爆炸螺栓保证待机发射的箱盖去掉固定螺栓后仍然关闭，由充气囊密封。

图4.33　电动开盖机构

1—电动机构；2—推杆；3—箱盖本体；4—铰链座

电动开盖机构由电动机构、推杆、电缆及插头等组成，电动机构中有电动机及减速器。电动机的旋转运动经减速后变成直线运动，使箱盖打开或关闭。推杆升出时开盖，收回时关盖。

开盖动作：待机发射时，拧掉固定螺栓，仅剩一个爆炸螺栓，按下点火指令后，发控系统使爆炸螺栓炸断，随后起动电动机，使推杆向前移动，将箱盖迅速打开，直至箱盖到位。电动机自动断电。箱盖打开速度即推杆移动速度，由于开盖的阻力不大于电动机的额定载荷，所以开盖速度不小于额定速度。

关盖动作：用电动机自动将箱盖抬起。推杆收回到位，箱盖也关到位，电动机自动断电，随后用爆炸螺栓固定。若进入贮运状态，应拧上全部固定螺栓，使贮运发射箱保持完好的长期贮存的气密状态。

2）开盖时间

在设计开盖时间时，略去箱盖转动时铰链轴的摩擦力、作用在箱盖上的空气阻力及箱内充气压力，只考虑电动机构推力的作用，受力如图4.34所示，箱盖运动方程为

式中，J，G为箱盖的转动惯量及重力；F为电动机构推力；Φ为箱盖打开角度，一般为0°～90°；lF，lG为F及G到转动中心的力臂；αF，αG为箱盖关紧时的初始结构角；n为过载系数。

图4.34　开盖时箱盖上的作用力

假设箱盖由Φi开到Φi＋1，F及G作用的力臂不变，因而式（4.3.1）右边为不随Φ变化的函数，所以在Φi～Φi＋1期间积分，得

式中，t为箱盖开始运动的时间。初始位置时，t＝0，Φ＝Φi＝0°，ω＝ωi＝0，随后的Φi及ωi即前一间隔末的值。

3.易碎式箱盖设计

易碎式箱盖由盖体、法兰、承力栅格等组成，结构外形有平面形、圆锥形、半球形、半椭圆形等。按厚度分为单层、多层，但内部均有沟槽，以便于破裂。

1）易碎式箱盖破碎方案选择

易碎式箱盖破碎方案可以采用弹头冲破式、燃气冲破式和激波冲破式。

弹头冲破式是在导弹向前运动时，利用弹头将前盖冲破，这样前盖破碎过程中会对导弹头部造成一定的冲击。在设计易碎式箱盖的破碎压力时，需要考虑弹头的抗冲击能力，确保弹头冲破易碎式箱盖时不会遭受破坏。“海麻雀”导弹贮运发射箱前盖即采用弹头冲破式，如图4.35所示。

图4.35　“海麻雀”导弹贮运发射箱采用的易碎式箱盖

当导弹头部装有防护罩（如鱼雷头罩）时，因防护罩本身易碎，不能再利用导弹头部冲破易碎式箱盖，此时就需要寻求其他碎盖方式，如燃气冲破式、激波冲破式。

燃气冲破式是利用导弹发射时产生的高速燃气将易碎式箱盖冲破。燃气流可以将贮运发射箱的后盖冲破，也可将同心发射筒的前盖冲破。

激波冲破式可利用导弹助推器点火产生的激波将易碎式箱盖打开，后盖被发动机喷管所喷射的燃气流冲破，前盖利用燃气冲击波在后盖发生反射而传播到前盖而将其打开。采用激波冲破式需要通过计算、试验等手段确定易碎式箱盖的开盖压力，以此作为易碎式箱盖的设计依据，同时，确保导弹及贮运发射箱能够承受在箱内传播的激波的压力，并对相关薄弱设备进行激波防护。

2）易碎式箱盖材料选择

易碎式箱盖可以选择下列材料制造：

（1）以硬质聚氨酯泡沫塑料为基材，用金属模具浇铸成型。材料表观密度为0.3～0.4 g／cm3，抗拉强度可达6～8.5 MPa，抗冲击强度可达2～4 kg·cm／cm2，其性能足以满足易碎式箱盖的强度要求。

（2）以玻璃纤维布为基材，加树脂、填料，层压固化成型。根据破碎力的要求确定玻璃布的层数、树脂配方及含量、固化温度及固化时间。

泡沫塑料质量较小，材质较软，在破碎过程中不会划伤导弹的头部。

用金属模具发泡成型，批量生产时能保证易碎式箱盖的尺寸与性能参数的一致性。金属模具使用寿命长，批量生产效率高，较经济。

法兰材料可以选择铝或玻璃钢，两者都较轻，性能都能满足要求，但设计制造时需注意不同材质的特点，采取相应的措施。(www.xing528.com)

（1）玻璃钢法兰刚度较差，用螺栓固定于管口时易变形，气密性不好保证，设计时需加强刚性。铝材法兰没有此问题，结构厚度可小些。

（2）温度变化时，铝与非金属的膨胀系数不一致。黏结部位容易开裂，所以应当进行高低温试验，检查黏结牢度，保证气密要求。

3）易碎式箱盖的结构

（1）单层结构易碎式箱盖

单层结构易碎式箱盖如图4.36所示，可选用一种适当强度的聚氨酯泡沫塑料，模压成适于镶嵌在贮运发射箱口上的前盖，并通过一个金属框架固定在贮运发射箱上，金属框架由金属材料制成，例如由铝合金制成方框，形状与易碎式箱盖相同，但尺寸稍大，框架四边内侧有角形构件，正好同易碎式箱盖的外缘直角配合；框架凸耳上有孔，螺钉通过此孔将易碎式箱盖固定在贮运发射箱上，此时易碎式箱盖外表面突出的铝膜与铝角形构件密切配合，构成一个光滑封闭的平面，保护导弹免受电磁辐射的影响。对这种形式的易碎式箱盖，为了使其易于破裂，还可在易碎式箱盖上做出适当形状的沟槽，沟槽的截面形状一般为等腰直角三角形或者等边三角形。

（2）多层结构易碎盖。

图4.37所示为多层结构易碎式箱盖，盖体共3层，外层为泡沫塑料，中间为玻璃布，里层为铝箔。玻璃布两面涂胶，将起屏蔽作用的铝箔牢固地黏结于塑料层上，并保证有良好的密封性。

泡沫塑料层厚14 mm，有8 mm深的沟槽，把全盖分成8块。顶部成半球形，有直径为150 mm的环形沟槽。底部呈圆形，有直径为300 mm的环形沟槽。导弹发射时，弹头与盖体相撞，先将直径为150 mm的圆板冲落，导弹继续运动时，盖体沿沟槽被挤成8块。这种结构可减小导弹撞碎易碎式箱盖时的撞击力。为防止泡沫塑料老化，泡沫塑料层上涂硫化硅橡胶，厚0.2～0.3 mm。

图4.36　单层结构易碎式箱盖

1—框架；2—支耳；3—铝膜

图4.37　多层结构易碎式箱盖

1—铝箔；2—玻璃布；3—泡沫塑料

法兰是铝制圆环，厚20 mm，有足够的刚度，其上有8个圆孔，用8个螺钉将易碎式箱盖固于发射管端，被压紧的橡胶圈起密封作用。

盖体用聚氨酯胶黏结在法兰上，按黏结工艺要求保证黏结牢固。黏结连接的主要优点是：

①不削弱受力面积；

②不发生开孔处的应力集中现象，受力性能及疲劳强度较高；

③连接点外形平滑，气密性好，连接元件的裂纹不易扩展；

④可以用于不同材料的连接，无电化学腐蚀问题。

黏结连接的主要缺点是：

①在胶缝边缘处有较大的剪应力和剥离力，易造成边缘过早剥裂，导致整个胶层破坏；

②强度分散性大，由于温度、湿度等环境因素的影响，黏结强度会降低，所以要注意黏结工艺，并要做高低温试验，以便检查黏结质量。

4.爆破式箱盖设计

这种形式的箱盖有两种开盖方法：一种是盖体与法兰之间有导爆索，靠火药的爆轰力使箱盖破裂，并抛出一定距离；一种是盖体与箱体之间用爆炸螺栓连接，螺栓炸断之后，靠箱内气压将箱盖整体抛出。

1）设计要求

爆破式箱盖的主要设计要求如下：

（1）在正常发射条件下，导爆索点燃后，箱盖的盖体与法兰剥离，抛出距离不小于3 m；

（2）在应急发射条件下，导弹头部能冲破箱盖；

（3）箱盖破裂后的碎片不影响导弹的正常飞行；

（4）箱盖有足够的强度，能承受运输时的振动及相邻导弹燃气流的冲击，在一定的静载作用下，箱盖不破裂；

（5）在50 kPa气压作用下，保持24 h不漏气；

（6）耐腐蚀、耐老化、耐高温、有自熄性能；

（7）环境温度为＋50℃或－40℃时，箱盖黏结处不应脱黏，气密性不应破坏。

2）导爆索式抛掷盖结构示例

图4.38　导爆索式抛掷盖

1—盖体；2—法兰；3—导爆装置

如图4.38所示，导爆索式抛掷盖由盖体、法兰、导爆装置组成。

盖体由玻璃纤维细布和环氧树脂制成。中间铺设200目的铜网，以屏蔽电磁场的辐射作用。盖体中间有圆孔，用能透过红外线的护罩罩住，有密封垫防止漏气。导弹在贮运发射箱中，通过透明的护盖接收来自目标的红外信号，盖体四周有一定高度和厚度，中间填充有泡沫塑料的环状突起部，保护导弹头部免受燃气直接冲击。

法兰由玻璃纤维细布和环氧树脂制成。中间铺设铜网，以屏蔽电磁场的辐射作用。铝片则用来增加法兰的抗弯刚度，使导爆索的爆轰力只撕裂盖体而不会使法兰变形。法兰四周有均匀分布的圆孔，螺钉通过这些圆孔将法兰固于箱体上，并由密封垫防止漏气。

导爆装置由起爆器、导爆索、传爆药柱及金属护罩组成。起爆器用于起爆导爆索；导爆索装在箱盖周缘护板上的圆槽内，引爆后形成爆轰力使箱盖从黏结面处脱开，并被抛出一定距离。

开盖原理：两个对称安装的起爆器爆炸后，引爆传爆药柱，并将爆轰能量传给导爆索。沿箱盖黏结面周缘敷设的导爆索被引爆，产生爆轰压力，作用于箱盖之上，使玻璃钢盖从黏结面上剥离，并将箱盖抛出。

导爆装置中的金属护罩承受导爆索引爆产生的爆压后不会破坏，使玻璃钢盖剥离，并能减弱爆炸波对弹头等的影响。试验证明：只要导爆索药量适当，火工品爆炸时弹头上的压力不大，弹头完好无损，箱盖抛出距离符合要求，法兰周边整齐，发射通道畅通，则爆炸力对本体不造成破坏。

3）爆炸螺栓式抛掷盖结构示例

法国“响尾蛇”导弹的贮运发射箱前盖是爆炸螺栓式抛盖。前盖为高655 mm的锥形铝合金旋压件，壁厚1.2 mm，形状与导弹的头部相适应，以减小前盖的尺寸和质量，如图4.39所示。前盖用爆炸螺栓连接在贮运发射箱上，爆炸螺栓结构如图4.40所示。在发射时，点火电路接通，内部炸药点燃爆炸，剪断剪切销，使螺栓分成两部分，在爆炸力和箱内压力的作用下将前盖抛出，前盖让开导弹的飞行弹道。为了保证导弹发射安全，只有当点火电路前盖开关接通，传出前盖已抛出的信号时才可以发射导弹。

图4.39　法国“响尾蛇”导弹贮运发射箱的爆炸螺栓式抛盖结构

图4.40　爆炸螺栓结构

1—药柱；2—剪切销；3—密封环；4—连接体；5—螺栓

前盖开关结构安装在贮运发射箱侧板的前部，在常态下，前盖安装好，开关控制机构的拉绳与前盖相连，同时插销到位，压板由斜柱销和滚珠固定，微动开关断开，发动机点火电路不通。发射时，前盖抛出，插销拔出，斜柱销释放压板，压板在弹簧作用下压住微动开关，使其接通导弹发动机点火电路。如出现故障，前盖未抛出，点火电路不会接通，无法进入导弹发射流程，此时前盖开关起保险作用。