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水下活塞式弹射火工喷管装置弹射技术研究

张晋晖 孙国瑞

张晋晖, 孙国瑞. 水下活塞式弹射火工喷管装置弹射技术研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0108
引用本文: 张晋晖, 孙国瑞. 水下活塞式弹射火工喷管装置弹射技术研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0108
ZHANG Jinhui, SUN guorui. Research on Ejection Technology of Underwater Piston-type Pyrotechnic Nozzle Device[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0108
Citation: ZHANG Jinhui, SUN guorui. Research on Ejection Technology of Underwater Piston-type Pyrotechnic Nozzle Device[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0108

水下活塞式弹射火工喷管装置弹射技术研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0108

Research on Ejection Technology of Underwater Piston-type Pyrotechnic Nozzle Device

  • 摘要: 随着水下航行器技术的发展, 其弹射分离装置被提出体积小、质量轻、低扰动、低噪声的更高设计要求。文中针对活塞式弹射火工喷管装置的关键技术展开了系统性研究, 通过原理分析阐明了装置的工作原理及弹射体抛射的工作流程, 基于零维内弹道模型对燃烧室的压力-时间特性进行了数值仿真计算, 采用FLUENT软件对拉瓦尔喷管流场进行了二维定常数值仿真, 并通过陆上和水下抛射试验对设计方案进行了验证。研究结果表明, 采用收敛-扩张型拉瓦尔喷管的设计方案, 能显著提高能量转换效率, 有效减少装置体积、降低推进剂装药量, 从而提升系统安全性。文中通过将拉瓦尔喷管创新性地应用于活塞式弹射火工装置, 成功解决了传统水下弹射技术中能量损失大、系统体积大、安全性不足的关键问题, 为水下弹射装置的优化设计及多平台应用提供了理论依据和技术参考。

     

  • 图  1  活塞式弹射火工喷管装置示意图

    1—固定销; 2—止动环; 3—弹射体; 4—活塞; 5—拉瓦尔喷管; 6—挡药板; 7—燃烧室; 8—药柱; 9—点火药盒; 10—发火头

    Figure  1.  Schematic diagram of the piston-ejected pyrotechnic nozzle device

    图  2  7根管形药柱示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of seven tubular propellant grains

    图  3  燃烧室压力-时间曲线

    Figure  3.  Pressure-time curve of combustion chamber

    图  4  燃烧室平均压强与喷喉直径关系曲线

    Figure  4.  Relationship curve between average pressure of combustion chamber and nozzle throat diameter

    图  5  燃烧室平均压强与燃烧面积关系曲线

    Figure  5.  Relationship curve between average pressure of combustion and combustion area

    图  6  燃烧室平均压强与温度关系曲线

    Figure  6.  Relationship curve between average pressure and temperature of combustion chamber

    图  7  拉瓦尔喷管结构示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of the Laval nozzle structure

    图  8  拉瓦尔喷管几何模型

    Figure  8.  Geometric model of the Laval nozzle

    图  9  拉瓦尔喷管对比算例几何模型

    Figure  9.  Geometric models of comparative examples of Laval nozzle

    图  10  拉瓦尔喷管对比算例网格模型

    Figure  10.  Mesh models of comparative examples of Laval nozzle

    图  11  拉瓦尔喷管内燃气速度矢量分布图

    Figure  11.  Velocity vector distribution of combustion gas in Laval nozzle

    图  12  拉瓦尔喷管内燃气温度分布图

    Figure  12.  Temperature distribution of combustion gas in Laval nozzle

    图  13  拉瓦尔喷管内燃气压强分布图

    Figure  13.  Pressure distribution of combustion gas in Laval nozzle

    图  14  拉瓦尔喷管壁面压强分布图

    Figure  14.  Pressure distribution on the wall of Laval nozzle

    图  15  陆上弹射试验现场图

    Figure  15.  Site diagram of land-based ejection test

    图  16  水下弹射试验现场图

    Figure  16.  Site diagram of underwater ejection test

    表  1  喷管内截面积变化对燃气流动参数的影响

    Table  1.   Effects of cross-sectional area change in nozzle on gas flow parameters

     喷管段Ma$ \text{d}P/P $$ \text{d}\rho /\rho $$ \text{d}T/T $$ \text{d}V/V $$ \text{d}Ma/Ma $
    收敛段(dA<0)<1<0(流动膨胀)<0(密度变小)<0(温度降低)>0(流动加速)>0(随着截面变小, Ma增大)
    >1>0(流动压缩)>0(密度变大)>0(温度升高)<0(流动减速)<0(随着截面增大, Ma减小)
    扩张段(dA>0)<1>0(流动压缩)>0(密度变大)>0(温度升高)<0(流动减速)<0(随着截面增大, Ma减小)
    >1<0(流动膨胀)<0(密度变小)<0(温度降低)>0(流动加速)>0(随着截面变小, Ma增大)
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    表  2  相同发火条件下的45°角陆上弹射试验结果

    Table  2.   Results of 45° land-based ejection test under the same ignition conditions

    试验
    方案
    试验
    数量
    发火
    情况
    弹射距离/m备注
    理论值试验值
    方案a1发火6.46.3电缆完好
    方案b1发火6.46.6电缆完好
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    表  3  相同发火条件下的水下弹射试验结果

    Table  3.   Results of Underwater Catapult Tests under the Same Ignition Conditions

    试验
    方案
    水下弹射
    角度/(°)
    数量 发火
    情况
    弹射试验结果
    方案a451发火弹射体未弹出, 拆开装置可见电缆烧蚀, 表明已完成发火动作, 但弹射体未完成弹出过程
    方案b01发火弹射体弹出, 电缆完好
    301发火弹射体弹出, 电缆完好
    451发火弹射体弹出, 电缆完好
    601发火弹射体弹出, 电缆完好
    901发火弹射体弹出, 电缆完好
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-08-19
  • 修回日期:  2025-10-27
  • 录用日期:  2025-11-07
  • 网络出版日期:  2026-03-30
图(16) / 表(3)

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