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標題: 從這篇文章我們可以學到些機械設計知識 [打印本頁]

作者: 冷水黃金 時間: 2010-4-7 12:52
標題: 從這篇文章我們可以學到些機械設計知識
新聞鏈接：http://liuqiankktt.blog.163.com/blog/static/1212642112010119113336766/

4.1 發動機殼體
按照印度媒體的報道，烈火3一級發動機裝藥約30噸，二級裝藥約9噸，殼體材料是馬氏體時效鋼。馬氏體時效鋼是一種高合金超高強度鋼，常被選作制造固體發動機殼體的材料。超高強度鋼是最早采用的一種固體發動機殼體材料，與復合材料相比，其屈服強度/質量比不高，但成本較低，加工簡單，因此仍被廣泛用作下面級固體發動機殼體。據報道，位于海德拉巴的印度國有Midhani鋼鐵公司可以生產屈服強度250psi級(1720 Mpa)的馬氏體時效鋼，已用于印度PSLV運載火箭火箭的一級固體發動機殼體。由于馬氏體時效鋼中含有較多（8~9%）的貴金屬鈷，成本較高，我國一般不采用這種材料，自行研制了性能相當而成本較低的低合金406鋼（用于JL-1/DF-21）、D406A鋼（用于DF-31系列）。而在上面級發動機中，我國的型號已經普遍采用了復合材料殼體，如玻璃鋼、芳綸纖維、碳纖維，殼體材料也基本實現了國產化。由于烈火3采用了金屬材料殼體，其發動機質量比較低，這是造成其裝藥/起飛質量比（~39/50=0.78）低的主要原因。作為比較，我國40年前研制的DF-3導彈的裝藥/起飛質量比就已經達到了0.914。參照采用金屬材料殼體的PSLV運載火箭火箭一級固體發動機，烈火3的兩級發動機質量比可能只有0.82~0.83，遠低于我國的金屬材料殼體發動機（如DF-31一級質量比達到0.88）。PSLV運載火箭的三級固體發動機采用Kevlar-49殼體材料，裝藥7.58 t，質量比為0.866。而我國采用復合材料殼體的發動機質量比要高得多，如90年代初研制的長征二號E遠地點發動機EPKM采用玻璃鋼殼體，裝藥5.4 t，質量比為0.907；DF-21A二級發動機采用玻璃鋼殼體，裝藥3.7 t，質量比為0.893；DF-31A二級發動機采用F-12芳綸纖維殼體，裝藥約8 t，質量比為0.904。何況印度本國無法生產Kevlar-49纖維，所需材料完全依賴進口，這可能是烈火3二級發動機不得不仍然采用金屬材料殼體的原因。而我國的宇航級高強度芳綸纖維和碳纖維都已經形成小批量生產能力，可基本滿足國內型號需求，正逐步擴大生產能力并提高性能。
4.2 推進劑性能
烈火3應該與PSLV運載火箭、GSLV火箭助推器一樣采用HTPB中能推進劑，一級海平面比沖為229~237，比我國和美、俄等國類似尺寸的HTPB下面級發動機比沖都要低（243~255），更不要說和NEPE和HTPB+HMX這些高能推進劑相比了。推進劑實測比沖不僅與其理論比沖有關，還與燃燒室壓強和噴管設計有關。一般而言，燃燒室壓強越大，實際比沖越高。可見，印度的固體發動機燃燒室壓強較低，這同樣說明了其較低的殼體材料性能和加工水平。
4.3 發動機推力
發動機燃燒室壓強低還會導致發動機的推力低。發動機推力大，則加速較快，主動段時間減小，重力速度損失減小。盡管由于低空時加速變快，氣動阻力造成的速度損失增加，但對于中程導彈和洲際導彈，重力速度損失遠大于氣動阻力速度損失，因此總是追求更大的發動機推力和起飛推重比。此外，主動段時間減小還對突防有利。但是發動機推力也不能隨意增大，除了受到發動機燃燒室壓強和推進劑燃速的限制外，還對整個導彈的結構設計造成影響。當發動機推力增加，一方面導彈的軸向過載增大，另一方面主動段工作時間減小，彈道轉彎速率加大，導彈攻角及橫向過載增大，因此與軸向過載和橫向過載有關的結構都需要加強，在材料性能給定的條件下有可能需要增加結構重量。總之，只有殼體和結構材料性能高、加工工藝好、載荷設計合理，才能實現較大的發動機推力。
美蘇等國導彈的推重比大致為（P0x為x級開始工作時的推重比）：
單級液體導彈：P0=1.67~1.82；
兩級液體導彈：P01=1.33~1.82，P02=1.11~1.43；
兩級固體導彈：P01=2~2.5，P02=3.3~5；
三級固體導彈：P01=2~2.5，P02=3.3~5，P03=6.6~5。
我國的導彈型號也基本在這個范圍，而法國研制中的新型潛地洲際導彈M51的起飛推重比更是達到了驚人的3.2（180 t/56 t）。
筆者在網上找到了一段DRDO發布的烈火3第四次試射的錄像（http://www.youtube.com/watch?v=WqkmDUOiFCs
）。從導彈起飛段推算，烈火3的起飛加速度約為0.4~0.5 g，即起飛推重比只有約1.4~1.5，30噸裝藥的一級發動機海平面推力還不到75噸，明顯偏低。而根據公開報道，我國研制中的35噸裝藥運載火箭固體助推器推力可達120噸，軍用發動機型號的推重比還要更高。這也再次說明了印度的固體發動機性能明顯低于我國。
4.4 發動機其他性能
當給定燃燒室壓力和推進劑燃速時，固體發動機的四個參數（推力、直徑、長細比、推重比）相互制約，以速度增量為優化目標函數時，可以確定各級發動機最佳裝藥長細比：g1=4~5, g2=2.5~3.5, g3=1.5~2.5。因此，陸基多級固體導彈的上面級常比下面級直徑小。烈火3導彈的二級發動機長細比只有1.55，明顯不合理，這也影響了發動機的性能。根據印度媒體的報道，烈火3的兩級發動機都采用了柔性擺動噴管。我國的DF-31導彈發動機首次采用了柔性擺動噴管，而更先進的JL-2導彈的三級發動機已經采用了可拋式雙級延伸噴管，比烈火3的水平高得多。
按照印度媒體的說法，ISRO是純民用的，因此DRDO有自己獨立的固體發動機生產線。軍民結合是各國（包括我國）固體發動機研發的普遍規律，但印度似乎是個例外：民用的發動機水平不高，軍用的居然性能更低。不知道這是由于部門利益的阻礙，還是出于“愛好和平”的目的。
順便指出，按照印度媒體的報道，烈火5只比烈火3重1噸，這實際上違反了導彈設計的基本常識。根據固體導彈設計的一般規律（有興趣的網友可以去參考相關專業教科書），多級導彈的各級發動機工作質量比（本級燃盡時和開始工作時的質量比）基本相同。對于烈火3和烈火5，這一數值大約是20/50=0.4（一級數據）。按照筆者的估算，烈火5應該比烈火3重大約3噸。不過考慮到烈火5可能會對下面兩級發動機進行減重（采用復合材料殼體等），因此在上表中我們暫時采用51噸的數據。
5，結構設計
烈火3采用了級間熱分離方式，即上面級先點火，當推力達到一定大小后再與下面級分離。級間段設計成長1.1米的桿系結構，便于分離時燃氣排出，采用爆炸螺栓分離。熱分離方式結構簡單，易于設計、加工，但對上面級的燃料有一定損失，常用于早期的多級導彈。
在導彈姿態控制系統設計中，對彈性振動也必須保持穩定，即導彈在飛行過程中由于外力干擾出現彈性振動時能迅速地被抑制，不致愈振愈烈，造成彈體結構的破壞。為保持彈性振動的穩定，從姿態控制系統設計觀點來看，希望彈性振動頻率高一些，離導彈飛行姿態變化的正常工作頻率遠一些。而彈體彈性振動頻率主要與結構剛度有關，構件在受一定外力條件下變形量愈小其剛度愈大，結構剛度愈大振動頻率也愈高。構件剛度的大小與構件材料剛度性能、構件的形式、構件所用材料多少有關，級間分離機構采用爆炸螺栓的整體結構的剛度要比采用爆炸索的結構剛度低。這是桿系結構級間段的固有缺點，因此先進的固體導彈級間段一般都采用半硬殼式結構，爆炸索分離。
6，制導與命中精度
烈火3采用環形激光陀螺捷聯式慣導。據印度媒體報道，其第四次飛行試驗中首次使用了自行研制的環形激光陀螺（此報道的真實性同樣值得懷疑），而之前的三次試驗使用的陀螺是從美國Northrop-Grumman公司和Honeywell公司購買的。筆者不禁感慨，連中程導彈用的高精度慣導設備印度都能買到，美國人的所謂反擴散措施豈不是形同虛設？要知道，根據我國《導彈及相關物項和技術出口管制清單》，額定漂移率小于0.5度/小時的陀螺儀和比例誤差小于0.25%的加速度表就屬于出口受管制的物品。而印度的國產慣導水平是相當低的，正因為無法生產高精度的傳統機械平臺式慣導，才改用捷聯式慣導。如果印度國產的慣導設備不堪用，一旦美國停止向印度出口這些實質上的違禁品，“烈火”豈不就成了燒火棍？而我國的所有戰略導彈上使用的慣導設備都全部是國產的，盡管精度比美國的頂級產品要差一些，但完全獨立自主、可靠實用，不會受制于人。慣導設備這樣的高精尖硬件，體現的是全面的基礎工業能力（設計、材料、加工、檢測等等），是不能投機取巧的。
烈火3的命中精度是印度專家津津樂道的一個指標，根據他們的“感覺”，烈火3的精度要高于中國DF-21和DF-25。不過他們同時拒絕披露烈火3命中精度的數值。印度專家們顯然沒有注意去年我國的國慶閱兵中已經公開所謂DF-25其實是DF-21C。對于執行核打擊任務的DF-21和DF-21A來說，由于其彈頭是幾十萬噸當量，以1 km左右的CEP打擊城市一類的面目標已經是綽綽有余，再加以提高并沒有實用價值，且與美蘇法等國的類似型號相當。而對于執行常規打擊任務的DF-21C，采用了全程制導（慣導+星光定位+雷達圖像匹配末制導），命中精度已達到CEP<50m，與美國的Pershing II相當。至于烈火3的精度，由于印度官方沒有公開數據，我們只能加以推測。據印度媒體報道，其關機速度誤差為0.1 m/s量級。假設這個數據是真實的，在3000 km射程上對應的縱向偏差約為150 m。但是，我們不知道這個關機速度誤差是遙外測數據差的實測值，還是設計指標值。一般來說，外測設備的測量誤差應該比被測量值小一個量級，印度的航天測量設備能否達到速度測量精度0.01 m/s是很值得懷疑的。畢竟，目前美國人將GPS的P碼用于靶場外彈道測量后，其外測的速度精度才達到0.01 m/s左右。
影響彈頭命中精度的因素還有再入氣動效應造成的隨機偏差。一般而言，彈頭越大、再入速度越低，此偏差越大。美國60年代研制的洲際導彈上使用的小型化再入載具Mk12底部直徑53.3 cm，長183 cm，再入氣動效應造成的隨機偏差況且有270 m。對于烈火3這樣再入速度慢，體積巨大的彈頭，此偏差不太可能小于300m。
不過最令人感到驚奇的是，在DRDO公布的第四次飛行試驗錄像中，烈火3導彈的實測彈道與設計彈道居然出現了肉眼都可以看得出來的偏差！筆者只能說，烈火3的命中精度實在是個謎團。

紅色的實測彈道明顯偏離白色的設計彈道

8，發射方式
烈火3導彈由于質量太大，比世界上最重的陸基機動導彈──俄羅斯的白楊M還要重，實在無法裝載在公路機動發射車上，不得不采用所謂的“鐵路機動”發射方式。從網上的這段錄像（http://www.youtube.com/watch?v=8BgRvZLL8Qs）中可以看到，烈火3導彈飛行試驗準備的大致流程是：在技術陣地測試好導彈─吊裝到導彈發射車上─轉運到發射陣地─射前準備─發射。烈火3導彈的所謂“鐵路機動發射車”，只是一個非常簡易的發射裝置，更像一個軌道式轉運車。有人開玩笑說，按照印度的標準，我們的CZ-2F火箭也可以算是“鐵路機動發射”了。

印度獨創的公路-鐵路混合“機動”發射方式

在普通鐵軌路基上千斤頂如何支撐？底盤如何調平？
尤其搞笑的是，試驗中一些設備居然由一輛卡車裝載到現場與軌道發射車對接。難道印度的卡車也可以在鐵路上行駛嗎？而且這個軌道發射車發射前居然需要千斤頂來支撐，地面還要臨時設置排焰道。這意味著在普通鐵軌路基上是根本無法進行底盤調水平的，導彈如何發射？況且，烈火3的彈體裸露，彈上設備能否經受日曬雨淋？

作者: 老鷹 時間: 2010-4-7 12:59
呵呵，有的圖片沒有上來，由于對方有反盜鏈設置。請把圖片下載后上傳。

作者: 見習生小王 時間: 2010-4-7 16:39
不錯，從字里行間的確可以掏摸到許多火箭導彈的專業知識，謝謝樓主推薦。

作者: yangxiaoguang 時間: 2010-4-7 19:28
的確，該學的東西不少！！！

作者: yusixway 時間: 2010-4-8 12:25
確實有很多機械專業知識啊！值得學習啊！

作者: TiGer86120 時間: 2010-4-8 20:58
看了好幾遍，看迷糊了都

作者: tianqiu123 時間: 2010-5-13 11:26
謝謝lz
東西相當不錯

作者: USACHINA 時間: 2010-5-13 19:39
你太牛了！自己分析的嗎？

作者: label 時間: 2010-5-14 10:13
分析的很細致！學習了！！！

作者: wangyou 時間: 2010-5-14 11:31
軍工總是代表一個國家的最高工業水平！
所以搞機械的好多都是軍迷！！
哈哈
阿三可是說他們領先中國二十年啊！！
我記得有一句經典：
你們上海二十年后應該可以達到孟買現在的水平！
有意思吧！
棒子是無恥
阿三是無知啊！！

作者: guxiangjun2008 時間: 2010-5-14 11:40
分析的很細致！學習了！！！

呵呵，樓主直接轉載人家的博客吧，不過還是很不錯的

作者: baiyin511 時間: 2010-5-16 12:23
這個看不懂火箭。。。

作者: raphael 時間: 2010-5-16 17:19
字里行間的確可以掏摸到許多火箭導彈的專業知識，多謝啊

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