【摘要】：自彈式發(fā)射方式利用導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)本身的能量,作為推動(dòng)導(dǎo)彈出筒的動(dòng)力,不需要額外的動(dòng)力輸出裝置,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高,便于提高裝填密度與作戰(zhàn)反應(yīng)速度。因此,全面、深入研究自彈式發(fā)射Qg彈道流場(chǎng),分析發(fā)射過(guò)程中流場(chǎng)變化情況,探究流場(chǎng)特性與影響因素,對(duì)自彈式發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。本文以某快速響應(yīng)、高速發(fā)射導(dǎo)彈為背景,以CFD數(shù)值計(jì)算方法為主要研究手段,結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)自彈式發(fā)射Qg彈道流場(chǎng)進(jìn)行了細(xì)致研究,主要工作包括以下幾個(gè)方面:1.建立了由導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、噴管與發(fā)射筒低壓室組成的一體化自彈式發(fā)射Qg彈道流場(chǎng)模型。根據(jù)最小吉布斯自由能理論,建立了推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物組分平衡方程,并使用同倫算法對(duì)此非線性方程進(jìn)行了穩(wěn)定求解,將燃燒產(chǎn)物以源項(xiàng)形式添加到流場(chǎng)控制方程組中,以動(dòng)網(wǎng)格方法模擬推進(jìn)劑燃面推移過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了固體推進(jìn)劑燃燒過(guò)程與流場(chǎng)變化的耦合計(jì)算。研究了RDX-CMDB固體推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理,在此基礎(chǔ)上建立了包含12種組分20種基元反應(yīng)的C-H-O-N化學(xué)反應(yīng)體系。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)自由射流實(shí)驗(yàn),對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證,將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的溫度、壓強(qiáng)數(shù)據(jù)以及高速攝影圖片進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明本文建立的數(shù)值模型可以較好地模擬燃燒產(chǎn)物間的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與流場(chǎng)狀態(tài)變化,并給出較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。對(duì)數(shù)值迭代過(guò)程以及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明迭代過(guò)程穩(wěn)定、殘差收斂精度高、數(shù)值耗散率小,滿足計(jì)算要求與守恒性約束。2.本文對(duì)自彈式發(fā)射Qg彈道流場(chǎng)的一般過(guò)程進(jìn)行了深入分析,根據(jù)發(fā)射過(guò)程中不同時(shí)期,Qg彈道流場(chǎng)的特性,將整個(gè)變化過(guò)程分為了初始變化、流場(chǎng)發(fā)展與穩(wěn)定工作三個(gè)階段。在初始變化階段內(nèi),起始沖擊波引起低壓室壓強(qiáng)震蕩,燃?xì)庥龅綒埩艨諝獍l(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。在流場(chǎng)發(fā)展階段中,固體推進(jìn)劑持續(xù)燃燒,燃燒室內(nèi)環(huán)境逐漸向平衡狀態(tài)過(guò)渡。低壓室內(nèi)的壓強(qiáng)與溫度首先經(jīng)歷了快速上升的過(guò)程,隨著導(dǎo)彈的前進(jìn),低壓室容積增大,彈底壓強(qiáng)快速下降,而溫度下降則較為緩慢。在外界高壓的作用下,發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降,低壓室推力成為推動(dòng)導(dǎo)彈前進(jìn)的主要?jiǎng)恿�。同時(shí),噴管擴(kuò)張段內(nèi)的駐激波被逐漸推向喉部,但是擴(kuò)張段內(nèi)始終存在超聲速區(qū)域,燃燒室環(huán)境未受低壓室影響。在穩(wěn)定工作階段中,燃燒室環(huán)境無(wú)變化,彈底壓強(qiáng)與溫度繼續(xù)下降,導(dǎo)彈仍不斷加速前進(jìn)。此階段內(nèi)導(dǎo)彈具有很高的速度,因此導(dǎo)彈位移量在三個(gè)階段中最大。3.通過(guò)改變彈底與筒底之間距離,研究了低壓室初始容積對(duì)自彈式發(fā)射Qg彈道流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明,初始容積對(duì)起始沖擊波的影響最為明顯。減小初始容積可以起到抑制彈底壓強(qiáng)震蕩的作用,并且能夠進(jìn)一步提高推進(jìn)劑能量轉(zhuǎn)化效率、提高出筒速度、縮短出筒時(shí)間,但是會(huì)使導(dǎo)彈過(guò)載增大,彈底最大溫度升高。增大初始容積則會(huì)使彈底壓強(qiáng)震蕩幅度上升、震蕩時(shí)間延長(zhǎng),并且降低能量轉(zhuǎn)化效率、降低出筒速度、延長(zhǎng)出筒時(shí)間,不過(guò)能夠使導(dǎo)彈的最大過(guò)載下降、彈底最大溫度降低。4.使用DPM模型建立了包含熔融23液滴以及氧化鋁固體顆粒的氣、液、固多相流流場(chǎng),對(duì)推進(jìn)劑添加鋁粉產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,添加了15%的鋁粉后,燃燒室內(nèi)的總溫、總壓上升,尤其是總溫上升了619K幅度較大。由此導(dǎo)致彈底壓強(qiáng)增大、溫度上升,發(fā)射過(guò)程中導(dǎo)彈的最大過(guò)載增大,導(dǎo)彈出筒速度增大、出筒時(shí)間縮短,而推進(jìn)劑的能量轉(zhuǎn)化率則降低了49.3%。考慮了熔融23液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性造成的破裂,得到了熔融23液滴的粒子直徑變化過(guò)程與分布情況。研究了凝固后的氧化鋁固體顆粒對(duì)發(fā)射筒壁面與彈底壁面的侵蝕與沉積作用,結(jié)果表明侵蝕與沉積主要發(fā)生在自彈式發(fā)射Qg彈道過(guò)程前期,隨著低壓室溫度升高氧化鋁固體顆粒再次融化,對(duì)壁面的侵蝕與沉積作用逐漸消失。5.針對(duì)自彈式發(fā)射過(guò)程中,導(dǎo)彈過(guò)載過(guò)大、彈底溫度過(guò)高的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了向發(fā)射筒底部預(yù)先注水的減載降溫方案。使用Mixture模型建立了燃?xì)馀c液態(tài)水的氣液兩相流流場(chǎng),以Lee模型描述液態(tài)水的汽化與凝結(jié)過(guò)程。結(jié)果表明,注入2.545kg液態(tài)水之后,由于液態(tài)水通過(guò)汽化過(guò)程吸收了大部分的燃?xì)饽芰?使得推進(jìn)劑的能量轉(zhuǎn)化效率降低了84.24%,并且由于“汽化渦流”的存在,使彈底壓強(qiáng)出現(xiàn)波動(dòng),可能造成導(dǎo)彈震動(dòng)。但是,發(fā)射筒內(nèi)整體溫度大幅下降,尤其是導(dǎo)彈底部的最大溫度下降了76.02%,降溫效果十分明顯,導(dǎo)彈受到的最大過(guò)載也下降了73.57%。并且,由于液態(tài)水對(duì)起始沖擊波的分散作用,還抑制了初期彈底壓強(qiáng)的震蕩。
【圖文】：

因此能量利用效率有待提高。另外，高溫、高速燃?xì)猱a(chǎn)生的聲、光、熱信號(hào)較強(qiáng)如圖1-1 所示，不利于導(dǎo)彈武器發(fā)射時(shí)的隱蔽性。圖 1-1 美國(guó) MK41 垂直發(fā)射裝置 圖 1-2 并聯(lián)式燃?xì)庹羝麖椛溲b置彈射發(fā)射方式利用額外的能量來(lái)源例如：液壓系統(tǒng)、高壓空氣、燃?xì)�、燃�(xì)?蒸汽等為導(dǎo)彈提供推力[10]，不需要消耗導(dǎo)彈自身發(fā)動(dòng)機(jī)的能量。同時(shí)發(fā)射時(shí)做功工質(zhì)密封在密閉空間中，沒(méi)有明顯的發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，也提高了工質(zhì)的能量利用率使導(dǎo)彈獲得更大的加速度和出筒速度[11]。但是，因?yàn)樾枰~外的裝置提供能量，增加了發(fā)射裝置整體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、重量和體積。例如燃?xì)?蒸汽式彈射裝置需要在發(fā)射筒旁并聯(lián)或者底部串聯(lián)燃?xì)獍l(fā)生器、水室和霧化器[12]（圖 1-2），增加了發(fā)射裝置橫向發(fā)射筒導(dǎo)彈適配器初容室燃?xì)獍l(fā)生器水室

圖1-5雙基推進(jìn)劑與復(fù)合推進(jìn)劑燃燒尾焰對(duì)比
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TJ768

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本文編號(hào)：2646752