整体式液体冲压发动机堵盖应用研究
张晓航+李立翰+何勇攀
摘要：随着军事技术的发展，整体式液体冲压发动机成为新型空射导弹动力系统的优选方案。本文对空射导弹用整体式液体冲压发动机不同形式的进气道出口堵盖进行了比较，重点介绍了一种易碎式堵盖，并对其受力和破碎性情况进行了分析和验证，结果表明该易碎式堵盖可以满足整体式液体冲压发动机对进气道出口堵盖设计时的强度、密封等要求，可为其在未来先进空射导弹上的应用提供参考。
关键词：空射导弹；液体冲压发动机；进气道出口；堵盖
中图分类号：V434 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0032-05
0 引言
新型空射导弹多任务、远射程、轻重量的特点对动力装置提出了更高的要求。冲压发动机没有压气机及涡轮等转动部件，质量轻，超声速（Ma 1.5～Ma7.0）飞行时，比冲和航程参数上有明显的优越性（比冲可由固体火箭发动机的2200～2500N·s/kg提高到10000N·s/kg左右），是一种结构简单、经济性较好的吸气式发动机[1-3]，特别适合作为超声速、高超声速、远航程飞行器的动力装置。
冲压发动机的上述优点可以使新型中远程空射导弹拥有以飞行马赫数3.5～4.0攻击400km以外大空域范围内有相当机动性能空中目标的能力。
冲压发动机由进气道、燃烧室、尾喷管、燃料供应和控制系统等主要部件组成[4]，高速气流经进气道减速增压，再进入燃烧室与燃料混合燃烧，产生高温高压燃气经尾喷管膨胀加速后排出，从而产生推力，其工作原理如图1所示。液体冲压发动机采用灵活的燃油流量调节系统，根据弹道的需求进行推力大小的调节，发动机燃烧效率高，特别适合高速巡航，因此在世界各国空射导弹中得到了广泛应用，如美国的先进战略空中发射导弹（ASALM）、空射小体积冲压发动机（ALVRJ）、先进拦截空空导弹（AIAAM）、法国的常规中程空地导弹（ASMP）等。
整体式液体冲压发动机是将固体助推器与巡航用液体冲压发动机组合成为一个整体的动力装置，其结构方案如图2所示。其主要部件有：作为冲压发动机系统，有进气道和冲压燃烧室；作为附属系统有燃油排放系统、燃油调节系统和整体式助推器。将固体助推火箭发动机安置于冲压燃烧室内，共用一个壳体，固体助推药柱烧完后空出的空间就作为冲压发动机的燃烧室使用[5]。固体助推器与冲压发动机的一体化设计使得发动机容积效率得到重大突破，与外挂式和串联式冲压发动机相比，在阻力、重量和体积上有明显的优越性，特别适合作为空射导弹的动力装置。
整体式液体冲压发动机将固体火箭助推器发动机与液体冲压发动机一体化设计，因此冲压燃烧室具有双重功能。当助推器工作时，燃烧室压力高，前端需用进气道出口堵盖密封进气道与燃烧室界面，以防止高压燃气沿进气道逆流；而当冲压发动机工作时，进气道出口堵盖应及时打开，以便让空气流入燃烧室。
因此进气道出口堵盖是整体式液体冲压发动机转级过程中的关键部件之一，其设计要求如下：
（1）在环境温度为-55～70℃，压力为14 MPa情况下，必须保证燃烧室和进气道之间界面的密封；
（2）堵盖必须能承受助推器内7～14MPa的压力，必须质量小，抛出时发动机结构无任何损坏；
（3）必须能准确、迅速地打开（<300ms），所需开启压差尽量小，作动过程简单、可靠[5]。
1 进气道出口堵盖1.1 国外堵盖应用情况
进气道出口堵盖主要有可抛式堵盖和不可抛式堵盖两大类。
可抛式堵盖方案有整块式、易碎式和拼合式等几种形式，如图3所示。
等均采用整体式堵盖。整块式堵盖用高强度的轻合金或模压玻璃钢作堵盖材料，安装时用O形圈或压力密封垫密封。助推级工作结束后，利用进气道与燃烧室的压差打开。整块式堵盖优点是结构简单、打开过程易于实现，缺点是当发动机转级工作时，抛出相当大的物块，有可能损坏冲压燃烧室和喷管。整块式堵盖适用于进气道尺寸比喷管喉道尺寸小得多的发动机。
ANS、AMPT等均采用了易碎式堵盖[6，8-9]。易碎式堵盖由经过处理的高强度易碎玻璃或易碎陶瓷制成（或在堵盖内部预制应力集中网纹），堵盖需打开时，用一个小型起爆装置使堵盖破裂成微小颗粒。
拼合式堵盖由若干个板条模块彼此用斜面搭接拼合而成，用弹性材料制成固定套固定，使之只能单向受力。当助推发动机工作结束，进气道空气压力高于燃烧室压力时，堵盖被分散吹落[10]。
不可抛式堵盖有可消耗式堵盖、机械式堵盖和机械-可消耗式堵盖三种方案。
可消耗式堵盖由覆盖在进气口格栅上的可烧蚀材料（金属复合层或固体推进剂）制成。如图4所示。格栅上带有多个纵向分布的叶片，堵盖固定在格栅上，助推器工作结束时，堵盖在极短时间内烧蚀掉，空气流把烧蚀后的残渣吹掉。
EURAAM[6]，METEOR[11]，HSAD[12]等采用机械式堵盖。
机械式堵盖有多种方案，其主要特点是使用可控制的机械机构控制堵盖的开合，多数机械式堵盖打开后不抛出而留在冲压燃烧室内，如百叶窗式、铰接式、滑动式和活塞式（中心进气）等，也有整块抛出的，如突进式，如图5所示。机械式堵盖利用冲压空气或作动器打开[6，10-11，13]。
机械-可消耗式堵盖兼有机械式堵盖与可消耗式堵盖的功能，其主要形式是使用可控制的机械机构控制堵盖的开合，如铰接式等，利用冲压空气或作动器打开，堵盖打开后在短时间内烧掉，如图6所示。
1.2 国内堵盖应用情况
不可抛式堵盖方面。中国空空导弹研究院开展过可烧蚀堵盖的研究[14]。堵盖由钯（Pd）和铝（Al）组成的层状结构的薄板，包括6个Pd-Al交接面，Pd层在外表面。也可以认为堵盖是由3个夹心层（T1，T2和T3）焊接或扩散粘结在一起制成。T1，T2和T3均为Pd-Al-Pd的结构。通过点火片将堵盖引燃，生成钯铝化合物。堵盖燃烧完成后，空气流把烧蚀后的残渣吹掉，而格栅仍留在原位。格栅上带有多个纵向分布的叶片，对进气道出口气流起到整流和稳定作用。结构形式如图7所示。
可抛式堵盖方面。北京动力机械研究所在20世纪80年代进行了整体式火箭冲压发动机试飞器的研制，并进行了试飞，试飞器采用整体式模压玻璃钢堵盖[15]，试飞获得了圆满成功。现在主要开展易碎式堵盖的研究。
易碎式堵盖的两侧承担不同的功能：冲压燃烧室一侧承受封堵空间内的高压，起到堵盖作用；进气道侧在需要打开时能容易地破碎打开。因此，易碎式堵盖材料应具有高抗压强度、低抗拉强度和高弹性模量的特性；可通过热处理获得较大的表面残余应力以储存较大的弹性应变能；具有良好的成形、加工性。
易碎式堵盖打开方式有两种：一种是采用硬质金属针撞击堵盖，使堵盖从撞击点处扩展破碎，是一种单点到面的破碎模式；另一种是在堵盖表面铺设导爆索或切割索，引爆导爆索，使堵盖从每处炸点扩展破碎，是一种多点到面的破碎模式。本文主要就后一种模式的一种易碎式堵盖进行分析研究。
2 易碎式堵盖
2.1 材料特性及结构形式
该易碎式堵盖是一种高强度玻璃堵盖，其材料特性见表1。其安装结构如图8所示，堵盖安装在上下两层金属结构之间，与金属之间采用端面密封。助推级工作结束之后，引爆导爆索，使堵盖迅速破碎，空气流入燃烧室，从而完成转级。
2.2 受力分析
进气道出口堵盖在火箭助推器工作时承受燃烧室内7～14MPa的高压负荷，同时由于堵盖采用端面密封方式，因此堵盖的变形对界面密封可靠性影响很大，所以，对其进行受力分析十分必要，本文用有限元法对易碎式堵盖模型进行了强度校核，划分网格后的模型如图9所示。计算了堵盖的应力场和变形情况，结果如图10所示。
图9的计算结果表明，当对模型施加14MPa的压力时，堵盖所受最大拉应力为654.3MPa，小于材料的强度极限，可以安全使用；堵盖的变形很小，只有0.08mm，能够满足端面密封要求。
2.3 地面试验验证
2.3.1 承压能力检验
为了进一步验证进气道出口堵盖的承压能力，对同一批次材料制成的6件易碎堵盖进行水压爆破试验，试验结果见表2，试验结果表明易碎堵盖承压能力满足设计要求。2.3.2 破碎性检验
对堵盖进行导爆索爆破试验，验证爆破试验后堵盖的破碎情况。导爆索布置如图11所示。
堵盖破碎物照片如图12，大部分破碎物呈粉末状，少数尺寸较大，但质地松软、无硬质尖角，线性尺寸小于2.2mm的碎片在80%以上，破碎效果理想。
2.3.3 地面转级试验
单项试验完成后，进行了地面转级试验验证，转级试验前后进气道出口堵盖情况如图13所示，可以看出，试验完成后，堵盖完全被吹除，进气道出口无多余物残留。堵盖破碎时间<100ms，地面转级试验表明，易碎式堵盖满足设计要求。
3 结 束 语
本文对空射导弹用整体式液体冲压发动机不同形式的进气道出口堵盖进行了比较，重点介绍了一种易碎式堵盖，从受力分析、破碎情况、打开时间等方面进行了分析，结果表明，该堵盖可以满足整体式液体冲压发动机助推级的强度、密封和转级过程打开时间的要求，同时，它还具有结构简单、易于控制、抛出物尺寸小等特点，满足空射弹用整体式液体冲压发动机转级要求，具备工程应用条件。
可抛式堵盖方面。北京动力机械研究所在20世纪80年代进行了整体式火箭冲压发动机试飞器的研制，并进行了试飞，试飞器采用整体式模压玻璃钢堵盖[15]，试飞获得了圆满成功。现在主要开展易碎式堵盖的研究。
易碎式堵盖的两侧承担不同的功能：冲压燃烧室一侧承受封堵空间内的高压，起到堵盖作用；进气道侧在需要打开时能容易地破碎打开。因此，易碎式堵盖材料应具有高抗压强度、低抗拉强度和高弹性模量的特性；可通过热处理获得较大的表面残余应力以储存较大的弹性应变能；具有良好的成形、加工性。
易碎式堵盖打开方式有两种：一种是采用硬质金属针撞击堵盖，使堵盖从撞击点处扩展破碎，是一种单点到面的破碎模式；另一种是在堵盖表面铺设导爆索或切割索，引爆导爆索，使堵盖从每处炸点扩展破碎，是一种多点到面的破碎模式。本文主要就后一种模式的一种易碎式堵盖进行分析研究。
2 易碎式堵盖
2.1 材料特性及结构形式
该易碎式堵盖是一种高强度玻璃堵盖，其材料特性见表1。其安装结构如图8所示，堵盖安装在上下两层金属结构之间，与金属之间采用端面密封。助推级工作结束之后，引爆导爆索，使堵盖迅速破碎，空气流入燃烧室，从而完成转级。
2.2 受力分析
进气道出口堵盖在火箭助推器工作时承受燃烧室内7～14MPa的高压负荷，同时由于堵盖采用端面密封方式，因此堵盖的变形对界面密封可靠性影响很大，所以，对其进行受力分析十分必要，本文用有限元法对易碎式堵盖模型进行了强度校核，划分网格后的模型如图9所示。计算了堵盖的应力场和变形情况，结果如图10所示。
图9的计算结果表明，当对模型施加14MPa的压力时，堵盖所受最大拉应力为654.3MPa，小于材料的强度极限，可以安全使用；堵盖的变形很小，只有0.08mm，能够满足端面密封要求。
2.3 地面试验验证
2.3.1 承压能力检验
为了进一步验证进气道出口堵盖的承压能力，对同一批次材料制成的6件易碎堵盖进行水压爆破试验，试验结果见表2，试验结果表明易碎堵盖承压能力满足设计要求。2.3.2 破碎性检验
对堵盖进行导爆索爆破试验，验证爆破试验后堵盖的破碎情况。导爆索布置如图11所示。
堵盖破碎物照片如图12，大部分破碎物呈粉末状，少数尺寸较大，但质地松软、无硬质尖角，线性尺寸小于2.2mm的碎片在80%以上，破碎效果理想。
2.3.3 地面转级试验
单项试验完成后，进行了地面转级试验验证，转级试验前后进气道出口堵盖情况如图13所示，可以看出，试验完成后，堵盖完全被吹除，进气道出口无多余物残留。堵盖破碎时间<100ms，地面转级试验表明，易碎式堵盖满足设计要求。
3 结 束 语
本文对空射导弹用整体式液体冲压发动机不同形式的进气道出口堵盖进行了比较，重点介绍了一种易碎式堵盖，从受力分析、破碎情况、打开时间等方面进行了分析，结果表明，该堵盖可以满足整体式液体冲压发动机助推级的强度、密封和转级过程打开时间的要求，同时，它还具有结构简单、易于控制、抛出物尺寸小等特点，满足空射弹用整体式液体冲压发动机转级要求，具备工程应用条件。
可抛式堵盖方面。北京动力机械研究所在20世纪80年代进行了整体式火箭冲压发动机试飞器的研制，并进行了试飞，试飞器采用整体式模压玻璃钢堵盖[15]，试飞获得了圆满成功。现在主要开展易碎式堵盖的研究。
易碎式堵盖的两侧承担不同的功能：冲压燃烧室一侧承受封堵空间内的高压，起到堵盖作用；进气道侧在需要打开时能容易地破碎打开。因此，易碎式堵盖材料应具有高抗压强度、低抗拉强度和高弹性模量的特性；可通过热处理获得较大的表面残余应力以储存较大的弹性应变能；具有良好的成形、加工性。
易碎式堵盖打开方式有两种：一种是采用硬质金属针撞击堵盖，使堵盖从撞击点处扩展破碎，是一种单点到面的破碎模式；另一种是在堵盖表面铺设导爆索或切割索，引爆导爆索，使堵盖从每处炸点扩展破碎，是一种多点到面的破碎模式。本文主要就后一种模式的一种易碎式堵盖进行分析研究。
2 易碎式堵盖
2.1 材料特性及结构形式
该易碎式堵盖是一种高强度玻璃堵盖，其材料特性见表1。其安装结构如图8所示，堵盖安装在上下两层金属结构之间，与金属之间采用端面密封。助推级工作结束之后，引爆导爆索，使堵盖迅速破碎，空气流入燃烧室，从而完成转级。
2.2 受力分析
进气道出口堵盖在火箭助推器工作时承受燃烧室内7～14MPa的高压负荷，同时由于堵盖采用端面密封方式，因此堵盖的变形对界面密封可靠性影响很大，所以，对其进行受力分析十分必要，本文用有限元法对易碎式堵盖模型进行了强度校核，划分网格后的模型如图9所示。计算了堵盖的应力场和变形情况，结果如图10所示。
图9的计算结果表明，当对模型施加14MPa的压力时，堵盖所受最大拉应力为654.3MPa，小于材料的强度极限，可以安全使用；堵盖的变形很小，只有0.08mm，能够满足端面密封要求。
2.3 地面试验验证
2.3.1 承压能力检验
为了进一步验证进气道出口堵盖的承压能力，对同一批次材料制成的6件易碎堵盖进行水压爆破试验，试验结果见表2，试验结果表明易碎堵盖承压能力满足设计要求。2.3.2 破碎性检验
对堵盖进行导爆索爆破试验，验证爆破试验后堵盖的破碎情况。导爆索布置如图11所示。
堵盖破碎物照片如图12，大部分破碎物呈粉末状，少数尺寸较大，但质地松软、无硬质尖角，线性尺寸小于2.2mm的碎片在80%以上，破碎效果理想。
2.3.3 地面转级试验
单项试验完成后，进行了地面转级试验验证，转级试验前后进气道出口堵盖情况如图13所示，可以看出，试验完成后，堵盖完全被吹除，进气道出口无多余物残留。堵盖破碎时间<100ms，地面转级试验表明，易碎式堵盖满足设计要求。
3 结 束 语
本文对空射导弹用整体式液体冲压发动机不同形式的进气道出口堵盖进行了比较，重点介绍了一种易碎式堵盖，从受力分析、破碎情况、打开时间等方面进行了分析，结果表明，该堵盖可以满足整体式液体冲压发动机助推级的强度、密封和转级过程打开时间的要求，同时，它还具有结构简单、易于控制、抛出物尺寸小等特点，满足空射弹用整体式液体冲压发动机转级要求，具备工程应用条件。
