火箭弹增程技术研究

火箭弹增程技术研究

桑满仙  马越  李鹏  曹文君  于建军  张宽

晋西工业集团有限责任公司 山西太原030027

摘要：随着科技的飞速发展，各型火箭弹武器的技术含量也在不断得到提升，实现了射程更远、精度更准、毁伤效果更狠的性能需求。增程技术是未来火箭弹发展的趋势之一，实现射程增加，一方面是提升发动机性能，但不能过多损失其它性能指标；二是进一步减阻，配合滑翔弹道实现射程提升。本文提出了一种大长细比滑翔增程火箭弹的总体设计方案，分析其气动特性，配合倾斜转弯（BTT）控制实现滑翔增程，仿真及分析表明设计方案可有效实现射程提升，可为后续火箭弹增程设计工作提供依据。

关键词：火箭弹   增程  总体方案  大长细比

中图分类号：文献标志码：

Abstract: With the rapid development of science and technology, the technical content of various types of rocket weapons is also constantly improved, and the performance requirements of longer range, more accurate accuracy and more destructive effect are realized. Increasing range technology is one of the trends of rocket development in the future, to achieve increased range, on the one hang is to improve engine performance, but not too much loss of other performance indicators; The second is to further reduce drag, with the glide trajectory to achieve range improvement. In this paper,an overall design scheme of glide extenged range rocket with large slengerness ratio is proposed, and its aerodynamic characteristics are analyzed, and glide extended range is realized with BTT control. Simulation and analysis show that the design scheme can effectively achieve the range improvement, which can provide a basis for the subsequent design work of rocket extended range.

Key words:Rocket  The estenged range  The overall  plan With large slenderness ratio

0 引言

火箭弹武器系统是国内外市场比较受欢迎的武器装备，具有反应时间短、火力猛、造价低、威力大等优点，充分利用现有装备，发展射程拓展弹种，可以实现一炮多弹，一弹多用，提高武器装备利用率和联勤保障的高效性。如何大幅度提高火箭弹的射程，扩大其打击范围，提高作战能力，始终是当今制导火箭武器发展的主流方向[1]。

制导火箭弹由引信、制导舱体、战斗部舱体、火箭发动机、电点火装置及稳定装置组成（涡轮弹除外），是可以提供瞬间大范围密集火力的武器装备，主要打击及压制敌方有生力量，摧毁固定军事目标及移动武器装备等。火箭弹具备准备时间迅速、发射速度快、造价成本低、摧毁范围大、操作简单、和维修方便等优点，所以被广泛运用在实战中，装备于地面火箭炮、战斗机、舰船和武装直升机上，目前广泛应用在海陆空领域。火箭弹的发展历史悠久，随着目前各国科技的迅速发展，传统领域小口径火箭弹的射程提升难度也逐日增大[2]。

文中提出一种大长细比滑翔增程火箭弹的总体方案，采用大升阻比鸭式气动布局，轻量化、大装填比高能固体火箭发动机，先进的滑翔增程控制技术，应用多种新材料、新工艺，最终达到了战技指标要求。

1火箭弹与导弹区别

制导火箭弹近些年来作为精确打击武器，经常与航空导弹各方面性能进行比较。总体来看，导弹和火箭弹的主要区别如下所述：首先，导弹和火箭弹的两者造价成本有差别。相较于导弹，火箭弹携带战斗部炸药少、助推装药也少，因此造价较低。但导弹一般会装填较多较昂贵的助推燃料，因此相比于火箭弹，其造价更高。其次，两者有效射程存在差距。导弹中的洲际导弹有效射程可实现全球打击，射程可达到上万公里，而现役火箭弹的有效射程一般都在

500公里以内。第三，两者作战方式存在差别。导弹追求对目标的精确打击，而火箭弹主要追求集束饱和攻击，以数量来给敌方大范围打击[2]。

2  火箭弹增程技术现状

研究火箭弹的发展历史，设计人员致力于提升火箭弹的性能，包括射程、精度、威力等，其中，射程是重点研究方向，常用的提升射程的方法是采用增大助推发动机口径和长度，增加发动机的装药量，进而实现射程拓展的目的，这种增程方案直接有效。但增大发动机的口径及长度会大幅度提高成本、加工以及设计难度，因此在控制成本的基础上合理进行火箭弹发动机的性能提升。

另外一种提升射程的方案是在火箭弹上配装可折叠的弹翼[3]，依据弹翼增加火箭弹的升力，进而提升射程，此类增程技术方案局限的问题是增程效果不够显著，同时会增大整体结构设计及加工难度。

在尽量降低火箭弹成本的基础上提升射程，可优化火箭弹发动机方案，优化设计弹翼，从而可提高升阻比，同时合理选用控制方案实现飞行过程中的弹道拉升和滑翔，最大限度地提高射程[4]。

3  火箭弹技术方案

本文采用一种小口径大长细比滑翔增程的火箭弹总体方案，采用大升阻比鸭式气动布局，轻量化、大装填比高能固体火箭弹发动机，先进的滑翔增程制导控制技术。

火箭弹所受的空气动力通过速度坐标系可分解成3个分量，分别是阻力、升力和侧向力。

火箭弹在飞行过程中所受阻力受空气黏性的影响最大[5]，可以分为三部分来研究：第一部分是与升力无关的部分，称为零升阻力；另一部分取决于升力的大小，称为诱导阻力；当超音速飞行时，飞行阻力会急剧增加，还会受激波阻力的影响。

火箭弹的升力可以分解为弹身、尾翼等部分产生的升力和各部分干扰引起的附加升力。研究表明，在火箭弹的气动布局和外形确定的条件下，升力系数主要取决于马赫数、攻角和俯仰舵面积及偏转角。

通过分析火箭弹飞行过程中的阻力系数和升力系数等情况，结合弹道控制从而对射程能力进行分析。

4  气动特性仿真计算及分析

火箭弹气动特性可根据理论仿真计算、风洞试验、工程计算等方法进行研究。随着计算机技术的发展，可以通过计算流体力学技术（CFD）模拟真实流程环境，对火箭弹弹飞行过程中的气动特性进行分析。

火箭弹口径为107mm，长细比为25，利用Ansys软件对模型进行仿真计算，分别对不同攻角及马赫数下的飞行阻力系数、升力系数进行了计算，计算结果如图1-4所示。

图1  阻力系数曲线

图2  升力系数曲线

图3  Ma=2.0、2º攻角压力云图

图4  Ma=2、12º攻角压力云图

通过分析可知升力系数随攻角变化的线性度较好，马赫数对升力系数的影响较小。阻力系数基本随攻角变化而变化较小，马赫数对阻力系数的影响较大，马赫数为1.2时阻力系数最大。在火箭弹稳定飞行的前提下，增加升阻比可以提高火箭弹射程，通过大攻角拉起增加其飞行过程中的升力，从而增加火箭弹的射程。

5  发动机设计

在前期单推力固体火箭弹发动机的基础上进行优化设计，进一步提高发动机投送能力，提高射程。

采用碳纤维燃烧室外壳、复合推进剂，内孔前段为圆孔段，后段为星型孔段，圆孔段与星型孔段之间为锥形过渡段。

推进剂与所属燃烧室壳体之间设置有绝热层，绝热层在所属燃烧室壳体内壁沿轴线方向从前向后厚度依次递增。推进剂与前堵盖之间及燃烧室壳体之间均设置有应力释放机构。

火箭弹发动机通过长度与刚度的合理匹配、多段组合药型的自然衔接、绝热层在厚度方向阶梯状分布，可满足设计要求，实现发动机性能的合理有效提升。

6  滑翔增程技术

被动段滑翔飞行控制是增程的有效手段，但需要全弹具有较大升阻比和控制能力。

通过对不同的控制方式进行仿真对比，采用倾斜转弯（BTT）控制技术是最适宜的解决方案，如图5所示纵向弹道曲线，拉升弹道后端曲线，通过BTT控制技术完成滑翔增程，有效提高射程。

相对制导火箭弹常规使用的侧滑转弯（STT）控制技术，本方案采用的BTT控制技术具有平衡攻角、侧滑角、诱导滚动力矩和控制面偏转角小等优点，更适宜于本方案的滑翔增程技术的实现。此外BTT控制可采用“一”字型侧向折叠舵面，重量轻，升阻比高，占用轴向空间小的特点。

      图5 纵向弹道曲线

7  结论

本文对一种大长细比火箭弹增程技术方案进行了介绍，首先对比不同马赫数、攻角下的升力系数与阻力系数变化趋势，设计了可有效提升射程的发动机总体方案，最后仿真分析了采用BTT控制的滑翔增程控制技术在火箭弹被动段的滑翔增程，可有效提升25%的射程，增程效果显著，可为后续增程火箭弹的设计提供参考。

参考文献

[1]  佚名，WS-2多管远程制导火箭弹系统[J].现代军事，2007（2）:34-35

    [2] 火箭弹发展及气动特性研究现状 董思宇 ，龚翠翠，董恩泽，肖红林，陈好北京航天飞腾装备技术有限责任公司

[3]  钟世宏，孙巍，乔园园，等.可控式折叠翼火箭弹的增程技术探究[J].弹箭与制导学报，2014,34（2）：94-97

[4]  郭立力等.分离式火箭弹增程技术探究[J]. 弹箭与制导学报.北京航天长征飞行棋研究所，2020，06

[5]  钱杏芳，林瑞雄，赵亚男.导弹飞行力学[M].北京：北京理工大学出版社，2015