航空水雷空投布放試驗(yàn)邊界條件分析

許海昀，謝君紅，季 新

(解放軍91439部隊(duì)，遼寧 大連 116041)

海軍航空兵攻勢(shì)布雷一般由機(jī)動(dòng)突防性能良好的高機(jī)動(dòng)性飛機(jī)來(lái)完成，掛載的航空水雷一般都帶有小型減速傘，用于增加水雷下落過(guò)程中的空氣阻力［1］，保證空投水雷入水條件得到滿(mǎn)足，從而提高航空水雷的布雷任務(wù)可靠度［2］?？胀恫挤旁囼?yàn)是航空水雷定型(鑒定)試驗(yàn)一個(gè)重要的項(xiàng)目，其試驗(yàn)?zāi)康闹饕菣z驗(yàn)空投水雷是否滿(mǎn)足抗沖擊條件，特別是最?lèi)毫舆吔鐥l件下的抗沖擊條件。因此，需要對(duì)投雷條件區(qū)間進(jìn)行詳細(xì)分析，以提出合理的空投布放試驗(yàn)方案。

影響航空水雷沖擊性能的最主要因素是入水速度和入水角，空投布放試驗(yàn)邊界條件分析主要是對(duì)航空水雷雷傘系統(tǒng)空中彈道進(jìn)行分析，通過(guò)其運(yùn)動(dòng)速度和航跡角的變化趨勢(shì)，找出邊界條件進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以達(dá)到全面考核鑒定的目的。

1 雷傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

雷傘系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，在其開(kāi)傘過(guò)程中，它的外形和阻力是變化的，減速傘打開(kāi)張滿(mǎn)以后，在其下落過(guò)程中隨高度變化空氣密度也有所變化。因此，要想精確計(jì)算雷傘系統(tǒng)的軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)是比較困難的。為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常是將雷傘系統(tǒng)視為集中在雷傘系統(tǒng)重心處的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)［3］，并假設(shè)質(zhì)點(diǎn)作平面運(yùn)動(dòng)，采用解析法求解［4］。

為了建立雷傘系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，取xoy為慣性坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 雷傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

坐標(biāo)原點(diǎn)o為雷傘系統(tǒng)的離機(jī)點(diǎn)，ox軸指向飛機(jī)平飛運(yùn)動(dòng)航向，oy軸垂直向下指向重力方向。雷傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的速度v與ox軸的夾角θ為軌跡角，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。水雷離機(jī)開(kāi)傘后，經(jīng)過(guò)時(shí)間t運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，可寫(xiě)出其運(yùn)動(dòng)方程:

式中，m為雷傘系統(tǒng)的質(zhì)量;Q為雷傘系統(tǒng)的阻力;v為雷傘系統(tǒng)在下落時(shí)間t時(shí)刻的瞬時(shí)速度;θ為雷傘系統(tǒng)的軌跡角;g為重力加速度;t為雷傘系統(tǒng)離機(jī)后的時(shí)間;ρ為空氣密度;K為雷傘系統(tǒng)阻力系數(shù);S為雷傘系統(tǒng)阻力面積。

如果把雷傘系統(tǒng)的阻力特征參數(shù)(KS)看作常量，則雷傘系統(tǒng)阻力Q是空氣密度(即高度)和速度的函數(shù)。

在航空水雷空投布放試驗(yàn)中，水雷入水速度和入水角直接影響到航空水雷的抗沖擊性能檢驗(yàn)。通過(guò)求解雷傘系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，就能詳細(xì)知道雷傘系統(tǒng)的切向速度和軌跡角的變化過(guò)程，從而進(jìn)行航空水雷入水沖擊邊界條件分析。

采用分段積分法，把雷傘系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡分成若干段位移d，在每一小段內(nèi)，認(rèn)為空氣密度ρ為常數(shù)，則雷傘系統(tǒng)的阻力Q僅是速度的函數(shù)。根據(jù)這一假設(shè)就可以分段求解運(yùn)動(dòng)方程(1)和(2)。

雷傘系統(tǒng)軌跡各點(diǎn)瞬時(shí)速度為

雷傘系統(tǒng)動(dòng)態(tài)軌跡角為

在利用式(4)和式(5)確定每一段軌跡步長(zhǎng)d的大小時(shí)，取決于投雷高度及對(duì)計(jì)算精度的要求，步長(zhǎng)d越小，則計(jì)算精度越高，所求得的切向速度v和動(dòng)態(tài)軌跡角θ越精確。再將切向速度v按照動(dòng)態(tài)軌跡角θ分解為垂直分速度和水平分速度，即可求出雷傘系統(tǒng)在下落總時(shí)間t內(nèi)的垂直降落高度和水平運(yùn)動(dòng)距離(水平射程)。

2 水雷入水抗沖擊性能邊界條件分析

為達(dá)到較好的隱蔽布雷作戰(zhàn)效果，水雷在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)盡可能短［5］，此外布雷飛機(jī)若能采用貼近海面掠海飛行的方法，利用海面自然波浪作掩護(hù)實(shí)施突防布雷，也將會(huì)起到隱蔽布雷作戰(zhàn)效果，因此，本文認(rèn)為空投試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中應(yīng)更加注重對(duì)低空高速投雷邊界條件的分析。

假設(shè)航空水雷雷傘系統(tǒng)總重530kg，飛機(jī)投雷真空速700km/h，雷傘阻力面積2.2m2，阻力系數(shù)0.68，飛機(jī)投雷時(shí)為水平直線(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用上述方法可求得不同投雷高度下雷傘系統(tǒng)的下落時(shí)間、水平射程、入水角和入水速度，如表1所示。入水角與入水速度隨高度的變化趨勢(shì)如圖2所示。

表1 不同投雷高度下彈道與入水姿態(tài)參數(shù)表

圖2 不同投雷高度下入水角及入水速度變化趨勢(shì)圖

由表1及圖2可以發(fā)現(xiàn)，航空水雷在投雷高度200m以上時(shí)，由于水雷入水時(shí)空氣阻力和重力切向力基本達(dá)到平衡，入水速度基本保持恒定，而入水角越來(lái)越大，水雷入水抗沖擊條件越來(lái)越寬松;在投雷高度100m以下超低空投雷時(shí)，入水角小于30°且入水速度較大，是抗沖擊條件較惡劣的投雷區(qū)間。

圖3 不同投雷速度、投雷高度下入水角變化趨勢(shì)圖

在空投試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，除了考慮投雷高度的變化，還應(yīng)考慮投雷速度的變化，按照上述假設(shè)條件，同樣計(jì)算方法求得600km/h～1000km/h不同投雷速度、100m～300m不同投雷高度下雷傘系統(tǒng)入水角和入水速度如表2、表3所示，其變化趨勢(shì)如圖3、圖4所示。

表2 不同投雷速度、投雷高度下入水角參數(shù)表

表3 不同投雷速度、投雷高度下入水速度參數(shù)表

圖4 不同投雷速度、投雷高度下入水速度變化趨勢(shì)圖

由表2、表3及圖3、圖4中可以發(fā)現(xiàn)，投雷速度對(duì)入水角、入水速度的影響遠(yuǎn)小于投雷高度對(duì)其的影響。在投雷高度200m以上情況下，投雷速度對(duì)入水速度影響很小。因此，空投試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中，投雷高度的變化，尤其是低空投雷條件必須充分考核，而投雷速度的變化范圍，高、低速有所體現(xiàn)即可。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)原理具體分析研究了航空水雷離機(jī)下落過(guò)程中運(yùn)動(dòng)速度和軌跡角的變化過(guò)程，提供了空投布放試驗(yàn)邊界條件的分析方法，并給出了具體實(shí)例分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:

1)投雷高度100m以下超低空投雷時(shí)，入水角小、入水速度大，是抗沖擊條件較惡劣的投雷區(qū)間，是空投試驗(yàn)必須考核的投雷區(qū)間;

2)在投雷高度200m以上時(shí)，由于空投水雷入水時(shí)空氣阻力和重力切向力基本達(dá)到平衡，入水抗沖擊條件越來(lái)越寬松;

3)投雷速度不是影響空投水雷入水沖擊的主要因素，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)指標(biāo)要求考核到速度邊界范圍即可。

［1］潘光，韋剛，杜曉旭.空投水雷入水及水下彈道的設(shè)計(jì)與仿真［J］.火力與指揮控制，2007，32(3):85-87.

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