无人机火箭助推器型谱化研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：胡丰泽（1971），男，汉族，山西大同人，工程硕士，高级工程师，海军装备部，研究方向为固体火箭发动机设计研究、检验验收相关工作。-57-无人机火箭助推器型谱化研究 胡丰泽1 靳向往2 刘静洋2 1.海军装备部，内蒙古 呼和浩特 010010 2.中国航天科工集团六院 41 所，内蒙古 呼和浩特 010010 摘要：摘要：无人机火箭助推器结构简单、安全可靠、密度比冲高、可长期贮存、使用机动、维护方便、综合成本低,在世界各国应用广泛。本文从建立无人机火箭助推器型谱的意义出发，通过阐述说明建立型谱才能适应装备低成本、大批量生产的需求。提出了建立产品型谱的指导思想和基本方法，并依此建立起无人机火箭助推器型谱，总体单位选用型谱内的产品可实现低成本、高可靠性的要求。关键词：关键词：无人机助推器；型谱化；低成本大批量生产 中图分类号：中图分类号：TP3 0 引言 随着科学技术的发展以及军事战略思想的转变，无人机已成为现代战争常态化应用的主力装备，运用范围越来越广泛。无人机可用于执行侦察、监视及毁伤评估等任务，具备持久的情报收集和战场监视能力，并且可用作无人作战平台，具备价格低、数量大及集群作战等特点，有效满足目标精确打击与目标火力覆盖要求，成为当今各国武器装备发展的重点。无人机火箭助推器是无人机起飞的动力装置，采用无人机火箭助推器发射方式起飞的无人机技术成熟，可实现零长发射，具有便捷、快速、对发射阵地无严格要求，适合于野战环境等优点，故在世界各国的应用都比较广泛。用于无人机起飞的火箭助推器具有结构简单、安全可靠、密度比冲高、可长期贮存、使用机动、维护方便、综合成本低等特点，是各类武器的主要动力装置。随着军方竞争机制的引入，武器装备采购市场化程度逐步提高，工业部门的竞争呈现出白热化态势。单机竞争择优已经成为军方武器装备研发及采购的新趋势。为了适应无人机火箭助推器低成本、大批量生产的迫切需求，随着综合技术的不断进步，无人机火箭助推器的结构也在不断多元化发展，由传统固体火箭发动机结构发展出无绝热结构、可回收重复使用结构等，已有多个产品进入定型阶段交付部队列装。与传统固体火箭发动机相比，无人机火箭助推器具有结构简单、可靠性高、需求量大、成本低的特点。无人机火箭助推器工作阶段在无人机起飞的前期，工作时间短、无复杂空中环境、机械和电气接口易统一，具备产品型谱化的前提。随着无人机行业爆发式的发展，火箭助推器大量应用，用户性质非常复杂，我单位配套的无人机总体单位有传统军工单位，也有近年来兴起的民营企业。各用户对无人机火箭助推器的要求不同，尤其是各民营企业无法提出合理的试验、验收技术要求。各型号无人机火箭助推器提出的试验、验收技术要求各不相同。为了进一步规范我单位（后续可扩展至军工行业）无人机火箭助推器设计、制造、试验、验收、交付等技术要求，在低成本、大批量生产的框架下高质量的交付产品，有必要建立无人机火箭助推器型谱，型谱内的产品有规范的交付流程、技术成熟度高、可靠性高。1 无人机助推器型谱化研究意义 我国航天领域较早使用型谱一词的是运载火箭，建成了长征系列运载火箭型谱，具备发射低、中、高不同地球轨道，覆盖不同的运载能力梯度。产品型谱是产品通用化、系列化、组合化的结合与发展。就无人机助推器而言，通用性是有限的，只能满足一定范围、一定条件下的使用要求。为了扩大某一类产品的适用范围，就必须增加该类产品的规格，构成产品系列，但产品的规格不能无限制扩展，需要经过分析、比较和选优，用最小数目的不同规格产品，来满足全部使用要求。将所有这些不同规格产品汇集组合，就中国科技期刊数据库 工业 A-58-形成产品型谱。建立无人机助推器型谱的意义主要有两点：1.加速新产品的开发设计过程，减少重复开发，交付产品技术成熟度高，可靠性高；2.增加型谱内各型号产品的生产批量，减少工艺工装设备投入，降低产品生产、管理成本。1.1 无人机助推器型谱化产品技术成熟度高，可靠性高 技术成熟度是指技术相对于某个具体系统或项目而言，能达到预期目标的满足程度。通俗的说，技术成熟度就是一种技术在产品开发过程中确保能用，不至于失败或导致最终结果超出可控范围，可在一定角度上表征可靠性，技术成熟度越高，则可靠性越高。国军标把技术成熟度划分为 9 个等级：1.提出基本原理并正式报告；2.提出概念和应用设想；3.完成概念和应用设想的可行性验证；4.以原理样品或部件为载体完成实验室环境验证；5.以模型样品或部件为载体完成相关环境验证；6.以系统或分系统原型为载体完成相关环境验证；7.以系统原型为载体完成典型使用环境验证；8.以实际系统为载体完成使用环境验证；9.实际系统完成使用任务。无人机助推器暂时没有建立技术成熟度的标准，可参照国军标确定。技术成熟度对于产品研发的意义是非常重要的，一种新技术必须在成熟度达到一定水平之后才能在产品开发中应用。比如，波音公司规定一项技术的成熟度达到 6 以上才能应用与产品。建立无人机助推器型谱后，新产品研发选择型谱内产品时技术成熟度1级6 级内的工作已完成，第 7 级按照无人机总体提供的载荷环境完成环境验证，然后根据用户要求及行业标准完成地面热试车，配合总体完成飞行试验后，产品成熟度即达到 9 级。而且无人机总体要求的典型载荷环境和热试车的典型要求基本相同，型谱内的无人机助推器在研制过程中大概率已全部覆盖，则交付总体单位用于飞行试验的产品技术成熟度达到 8 级。随着技术成熟度的提高，产品可靠性逐步提升。无人机助推器的研发是一种投资行为，是要在预定的时间、成本和质量的前提下完成的，必须交付可供使用的产品，是不允许失败的。产品的技术成熟度越高，交付产品可靠性越高，才能满足双方需求。1.2 无人机助推器型谱化产品批量大、成本低 建立无人机助推器型谱后，用户选用型谱内的产品，将减少产品规格型号，同一规格型号产品批量增大，成本降低。廉价可靠的无人机助推器是降低无人机武器装备系统成本的重要环节。无人机助推器主要由燃烧室壳体、药柱（推进剂）、喷管、点火装置、直属件等部件组成。1.2.1 燃烧室壳体 无人机助推器燃烧室壳体既是助推器本身的重要部组件，也是无人机系统的一部分，不仅要承受助推器工作的内压，还要承受无人机起飞过程中的各种外力。燃烧室壳体质量很大程度上决定了助推器的结构质量和可靠性，降低燃烧室壳体的成本既关系到无人机助推器的价格，又关系到无人机助推器的可靠性。目前为止，无人机助推器燃烧室壳体材料主要有两种大类：一是金属材料，包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、超高强度钢等；另一种是复合材料，包括玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等。对于金属材料壳体，型谱化的无人机助推器需求量大，可通过模锻、冷拔、冲压等加工方式以及减少壳体水爆试验比例达到低成本、大批量生产的目的。复合材料壳体以其卓越的比强度、比模量，以及材料性能的可设计性、制备的灵活性和易于加工性而受到了高性能无人机助推器燃烧室壳体的重视，但成本较金属材料壳体偏高。型谱化的无人机助推器需求量大，可通过降低缠绕模具分摊、原材料批量采购、固化工艺流程、减少壳体水爆试验比例等方式达到低成本、大批量生产的目的。1.2.2 固体推进剂 固体推进剂是一种具有特定功能的含能材料，是各型无人机助推器的动力源，通过助推器工作转化成为高温高速燃气，为无人机起飞提供飞行动力。在推进剂制作过程中成型模具费用占比较高，采用型谱化产品后，装药模具费用分摊比例大大降低，且制作过程程序化，减少推进剂生产前配方性能预示过程，降低性能预示费用，减少地面热试车比例等方式均能达到低成本、大批量生产的目的。1.2.3 喷管 喷管是无人机助推器能量转换的重要结构，固体推进剂燃烧产生的高温高压气体需要通过喷管进行能量转化形成高速喷出的燃气流，由此无人机助推器获得了动力。由于喷管的性能优劣直接影响到无人机助中国科技期刊数据库 工业 A-59-推器的生存能力和作战效能，同时喷管特别是喉衬的工作环境十分恶劣，导致长期以来喷管的造价昂贵，其价格约占固体火箭发动机总价的三分之一。无人机助推器喷管内的烧蚀、绝热材料多采用模压制品，采用型谱化产品后，模压模具费用分摊比例大大降低，且制作过程程序化，减少材料试样比例，最终降低产品成型费用。1.2.4 点火装置 点火装置是无人机助推器推进剂的启动装置，关系助推器工作的成败。点火装置一般由点火药盒壳体、点火器、点火药等组成。点火器、点火药均属于火工品，火工品运输费用在其成本中占很大比例，型谱化的无人机助推器需求量大，单次运输数量增加，可大大降低运输费用的分摊数额。2 建立无人机助推器型谱的指导思想和基本方法 2.1 指导思想 建立产品型谱是对已有无人机助推器型号产品的总结，支撑现有无人机总体需求，引领未来产品的优化系列。无人机助推器型谱应在时间上满足较长时间内无人机总体对助推器的全部使用要求，无人机总体单位可在型谱内选择适合各型无人机的助推器。型谱内所列的各型助推器的规格相互之间不重复，上下两型助推器的规格衔接规律最好符合国际通用的优先数系。助推器型谱不仅要包含现有的成熟产品，而且必须包含论证产品和根据未来发展需求有待开发的产品，以保证该类产品本身的持续发展和支持无人机型号系统的持续发展。2.2 基本方法 建立无人机助推器型谱绝不是将现有的不同型号的同类产品简单罗列，而是按照建立产品型谱的指导思想，在分析比较的基础上编制。首先对现有无人机助推器各型号进行梳理，对性能相近产品，选择性能优良型号产品进入型谱；然后对当前及今后一段时期内无人机总体单位对无人机助推器的使用需求，典型需求特征为推力、总冲、直径进行调研；最后确定型谱内助推器型号，根据总体需求预留待开发的规格型号。3 无人机助推器型谱的建立 按照前文所述建立无人机助推器型谱的指导思想和基本方法，选取推力、总冲、直径等特征，整理现有产品规格，根据无人机总体载荷要求建立无人机助推器型谱如表 1 所示，覆盖了无人机起飞质量从40kg1000kg 的型号规格，后续根据用户需求进一步进行优化。无人机固体助推器的研制应优先从本系列中选择品种，本系列提供了用户载重需求，可供初选参考。无人机固体助推器系列产品的设计未能从本型谱中选择到满足使用要求的品种时，可按 GB/T 321 优先数和优先数系的要求开发新的基本型。4 结论 本文从无人机助推器型谱建立的意义、指导思想、基本方法等方面进行了阐述，并结合现有产品型号规格初步建立无人机助推器型谱，用户可根据载荷需求 表 1 无人机助推器型谱 序号 总冲/NS 常温平均推力/N 主要外形尺寸 直径系列/mm 适用无人机质量/kg 长度/mm 直径/mm 1 3000 2800 630.0 90.0 50.0 40 2 7531 4070 560.0 107.0 100.0 150 3 9100 5250 625.0 108.5 100.0 150 4 15000 7900 650 140 100.0 200 5 13800 7500 946.0 138.0 100.0 200 6 10800 9000 584.0 157.0 100.0 200 7 20000 10000 1226.0 138.0 100.0 200 8 22000 11000 1200 122 100.0 200 9 25000 12000 1252.0 150.0 100.0 200 10 36000/1050 158 100.0 250 11 32600 16000500 803.0 200.0 200.0 250 12 38000 11900500 893.0 200.0 200.0 200 13 42000 20000 1200 200 200.0 300 14 65000 23000 1200 200 200.0 350 15 104000 8000 1400 240 200.0 200 16 105000 35000 1295 220 200.0 700 17 175745 58300 1400 270 200.0 1000 中国科技期刊数据库 工业 A-60-选择型谱内产品，型谱内产品可靠性高、成本低，可实现双方共赢。参考文献 1朱毅麟.产品型谱初探J.航天标准化,2005(2):5-7.2刘战平.标准化对于提高产品质量和降低成本的重大意义J.综合论坛,2013(9):113.3裴锦华,吴泊宁.大型无人机双发火箭助推发射技术研究J.南京航空航天大学学报,1999,31(01):342-345.4吴喆昊,官鹏,王峰.无人机助推器圆跳检测研究J.中国设备工程,2021,10(11):186-187.5陈慧杰.某型无人机助推火箭推力线偏斜影响分析J.电子测试,2017(9):52-55.