双脉冲发动机对火箭弹增程可行性分析*(2)
综上所述,对火箭弹射程影响较大因素主要有弹体阻力系数、飞行速度和附加推力等。
2 影响火箭弹射程的主要因素特性分析
2.1 不同射程火箭弹气动阻力特性分析
2.1.1 近程火箭气动阻力特性分析
近程火箭弹如图4所示,射程在10 km左右的近程火箭弹飞行速度低,最大速度大多在Ma2以下,大部分弹道飞行速度在亚音速段,从阻力系数随马赫数变化曲线(图5)中可以看出,火箭弹在亚音速的阻力系数较小,对飞行速度大部分时间在亚音速的火箭弹气动外形设计重点考虑降低亚音速阶段阻力系数,然而在短时超音速阶段飞行时,气动阻力系数会陡然增加,对于火箭弹的射程也有一定的影响。
图4 近程火箭外形示意图
图5 近程火箭阻力系数随飞行马赫数变化
2.1.2 中程火箭气动阻力特性分析
射程在40 km左右的中程火箭弹(见图6)飞行速度明显增加,最大速度大多在Ma3.5左右,大部分弹道飞行速度在亚跨音速阶段,从图7的阻力系数随马赫数变化曲线中可以看出,火箭弹在亚跨音速的阻力系数明显较大,亚音速和超音速阶段的阻力系数较小。
图6 中程火箭外形示意图
图7 中程火箭阻力系数随飞行马赫数变化
2.1.3 远程火箭气动阻力特性分析
射程在100 km左右的远程火箭火箭弹(见图8远程火箭)飞行速度增加更加明显,最大速度大多在Ma4以上,大部分弹道飞行速度在超音速阶段,从图9的阻力系数随马赫数变化曲线中可以看出,火箭弹在超音速的阻力系数呈减小趋势。
图8 远程火箭外形示意图
图9 远程火箭阻力系数随飞行马赫数变化
2.2 不同射程火箭弹速度特性分析
2.2.1 近程火箭弹速度特性分析
近程火箭弹飞行速度大多在Ma2以下,大部分弹道的飞行马赫数范围为0.5~0.8。从图10近程火箭的单室单推力发动机和双脉冲发动机的速度曲线对比中可以看出,双脉冲发动机最大飞行速度明显减小,而且在弹道末段的飞行速度相对较高。采用单室单推力发动机的火箭弹飞行速度最大超过Ma1.6,在Ma1以上的时间持续5.3 s,而采用双脉冲发动机的火箭弹最大速度小于Ma1.2,超过Ma1的时间不到2.5 s。在此弹道段采用双脉冲发动机不但减小了初始低空飞行速度产生飞行阻力外,也明显减小了气动阻力特性产生的飞行阻力。
图10 采用两种火箭发动机近程火箭速度曲线对比
2.2.2 中程火箭弹速度特性分析
中程火箭弹飞行速度最大接近Ma3.5,大部分弹道的飞行马赫数在1~1.5的跨音速范围。从图11中程火箭的单室单推力发动机和双脉冲火箭发动机的速度曲线对比中可以看出,双脉冲发动机最大飞行速度明显减小,而在弹道后半段的飞行速度增加并不明显。虽然降低了初始低空飞行最大速度,减小了飞行速度产生飞行阻力,但大部分弹道的飞行速度仍然在气动阻力系数较大的跨音速阶段,射程增加优势不明显。
图11 采用两种火箭发动机中程火箭速度曲线对比
2.2.3 远程火箭弹速度特性分析
远程火箭弹飞行速度最大达到Ma4.5,大部分弹道的飞行速度在Ma1.5以上的超音速范围。从图12远程火箭单室单推力发动机和双脉冲火箭发动机的速度曲线对比中可以看出,双脉冲发动机最大飞行速度明显减小,降低了初始低空最大飞行速度带来的阻力的同时,提高了弹道后半段的飞行速度,有利于减小飞行阻力系数,增加火箭弹射程。
图12 采用两种火箭发动机远程火箭速度曲线对比
2.3 不同弹道高附加推力变化量
从式(1)可以看出,发动机推力的附加推力随着大气压力的减小而增加,弹道飞行越高气压越小,附加推力增加值越大。以远程火箭弹为例,如图13所示,附加推力随着弹道高度增加而增加,在高度10 000 m以下的增加非常迅速,之后增加量趋缓。因此对于远程火箭采用双脉冲发动机的延迟二脉点火技术,可以有效提高附加推力值,达到提高射程的目的。
图13 附加推力随高度变化曲线
3 不同射程火箭弹增程仿真分析
3.1 近程火箭弹增程仿真分析
从近程火箭弹道仿真结果可以看出,采用单室单推力发动机的火箭弹在弹道初始的速度较大时,受到比较大的空气阻力,火箭弹受到空气阻力的总冲量为7.109 kN·s,如图14所示。而采用双脉冲发动机的火箭弹空气阻力明显较小,受到空气阻力的总冲量只有6.057 kN·s,相比采用单室单推力发动机减小了14.7%。
文章来源:《弹道学报》 网址: http://www.tdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0208/342.html