空空導彈機彈分離安全性研究

鄭書娥，廖志忠

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

隨著武器系統(tǒng)性能的提高，隱身、超聲速巡航、超機動性已經(jīng)成為新型武器系統(tǒng)的典型特征。為了實現(xiàn)良好的隱身、超聲速巡航性能與超強機動能力，先進戰(zhàn)機的武器由外掛方式變?yōu)閮?nèi)埋方式，對內(nèi)埋武器機彈安全分離技術(shù)提出新的要求［1，2］。由于機彈分離時氣動干擾流場的存在，加之更為復雜的內(nèi)埋武器艙流場，以及超強機動帶來的載機復雜運動，對機彈分離安全技術(shù)帶來了新的難題和挑戰(zhàn)。因此，空空導彈機彈分離安全技術(shù)已經(jīng)成為新型戰(zhàn)斗機武器系統(tǒng)研制的一項關(guān)鍵技術(shù)和重要研究內(nèi)容。

針對新型武器系統(tǒng)機彈分離安全的新需求，結(jié)合機彈分離技術(shù)的研究進展，本文從空空導彈總體設計的角度出發(fā)，結(jié)合多年工程實踐經(jīng)驗，統(tǒng)一了機彈安全分離的基本概念，詳細研究機彈分離安全技術(shù)涉及的問題并給出研究方法。

1 機彈分離基本概念

1.1 機彈分離

載機發(fā)射導彈的分離過程中，包括電氣分離與物理分離。通常情況下，機彈分離是指解除導彈與載機、或與載機上的其他懸掛物之間的所有物理接觸，即物理分離。

1.2 機彈安全分離

機彈安全分離是指導彈與載機的分離不超過導彈或載機或其他機載物的設計極限，且不會對載機、懸掛裝置或其他懸掛物造成損壞或與之碰撞，或?qū)λ鼈儺a(chǎn)生不良的副作用。從概念上看，機彈安全分離主要是要求導彈分離后離開載機足夠的距離，由載機和導彈兩者運動特性的重復性和規(guī)律性而決定的。

1.3 機彈許可分離

機彈許可分離是指導彈與載機的分離不僅符合“安全”離機準則，而且符合有關(guān)作戰(zhàn)準則。導彈從載機上分離時，它可以隨意俯仰、偏航或側(cè)滾，盡管不會突破干擾范圍或發(fā)生彈與彈的碰撞現(xiàn)象，但有些分離也不是所希望的，如一旦導彈超過了控制極限，就會成為不精確的武器?；蛘?，盡管機彈分離安全，但是角偏移會大到改變預定彈道散布的程度，使武器喪失命中精度。因此，一次成功的分離包括懸掛物從載機安全分離開始直到精確命中目標為止的整個飛行彈道。

從概念上看，機彈許可分離是廣義的機彈安全分離，其要求導彈離開載機足夠距離的同時，能夠姿態(tài)穩(wěn)定可控且不能影響對目標的截獲與摧毀，其要求比機彈安全分離更苛刻。

1.4 空空導彈彈射機彈安全分離判斷準則

對空空導彈而言，其機彈分離安全性研究的主要內(nèi)容是機彈許可分離。因空空導彈一般都具有制導控制系統(tǒng)，機彈分離期間導彈的姿態(tài)偏離對導彈精確命中目標的影響很小，因此，空空導彈的機彈許可分離與機彈安全分離判斷準則比較一致［3］，具體如下:彈射后導彈與載機的外包絡不碰撞;導彈發(fā)動機點火后尾煙不燒蝕載機及外掛物;具有足夠的安全距離，發(fā)動機尾煙不影響載機發(fā)動機工作; 具有合適的相對姿態(tài)角和相對運動，具有良好的機彈分離品質(zhì)。

2 主要研究內(nèi)容

由機彈分離研究的基本概念以及動力學原理可以知道，影響彈射機彈分離安全的主要因素及機彈分離安全性研究的主要內(nèi)容如下。

2.1 干擾流場

在高速飛行條件下，內(nèi)埋發(fā)射導彈遇到的主要問題是武器艙內(nèi)的強渦流場。復雜的強渦流場使得艙內(nèi)氣動壓力變化劇烈，導致機彈分離過程中導彈會出現(xiàn)抬頭、橫滾、翹尾等不穩(wěn)定狀態(tài)，可能發(fā)生碰撞艙體、艙門、或艙內(nèi)其他武器，嚴重威脅載機和飛行員安全。

導彈與載機物理分離后，載機和導彈之間的流場分布與機彈相對運動緊密相關(guān)，而流場狀態(tài)又反過來影響導彈的運動，干擾流場內(nèi)的運動十分復雜，因此在機彈分離安全性設計時希望導彈盡快脫離流場的干擾。

2.2 發(fā)射狀態(tài)

對載機而言，不同的發(fā)射狀態(tài)，干擾流場不同，當機動發(fā)射導彈時，氣流以一定的角度進入武器艙，干擾流場將會發(fā)生變化，而且不同發(fā)射環(huán)境對載機運動也會造成不同的影響。對導彈而言，不同的發(fā)射狀態(tài)，導彈所受的氣動力、重力分量、牽連運動均不相同。

通常發(fā)射狀態(tài)對導彈的運動影響更大，對載機運動的影響可以忽略。

2.3 彈射分離參數(shù)

彈射技術(shù)決定了發(fā)射安全。發(fā)射后，彈射裝置賦予導彈一定的分離速度和分離角速度，使導彈快速與載機脫離。對特定條件下的載機運動、干擾流場，彈射分離參數(shù)對機彈分離安全起著至關(guān)重要的作用［4］。當彈射分離參數(shù)有保證時，干擾流場與發(fā)射條件對分離軌跡的影響較小，可以保證機彈分離安全，但是提高了對彈射裝置的設計要求。

2.4 發(fā)射后導彈的運動

發(fā)射后導彈采取怎樣的分離措施、何時增穩(wěn)、何時起控以及發(fā)動機點火時機的選擇，都是機彈分離安全設計的內(nèi)容。增穩(wěn)時間不同，導彈穩(wěn)定后的姿態(tài)差異較小，但是相對載機的姿態(tài)有一定的差異。一般情況下，在導彈離開載機一定距離后，控制發(fā)動機點火，當距離足夠遠時再起控。

2.5 發(fā)射后載機的運動

發(fā)射后載機的運動對機彈分離安全起決定性作用。一般情況下，發(fā)射導彈后載機都盡快脫離。如果發(fā)射后載機朝接近導彈的方向飛行，將會帶來極大的風險。

2.6 發(fā)射狀態(tài)散布

發(fā)射狀態(tài)散布對機彈分離安全性也有影響。不管是數(shù)值計算或者是風洞試驗，在進行機彈分離安全性研究時都是在典型條件進行的，而實際試驗時很難與理論條件相符，設定的發(fā)射條件越復雜，實際試驗時越難達到。

3 研究手段與發(fā)展

目前，國內(nèi)外研究機彈分離特性的手段主要有3 種: 數(shù)值模擬法，風洞試驗，空中飛行試驗［5］。其中飛行試驗是驗證安全分離設計的最終手段，一般都是在數(shù)值計算和風洞試驗都證明分離是安全可行之后進行飛行試驗。由于空中飛行試驗高成本，高風險，隨著仿真技術(shù)水平的提高，機彈分離安全數(shù)字仿真技術(shù)也得到了快速發(fā)展，并逐步發(fā)揮重要作用，作為機彈分離特性研究一種新的技術(shù)手段在風洞試驗與飛行試驗前被廣泛使用。

3.1 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬方法主要是通過計算機求解載機與導彈的六自由度運動方程來研究機彈分離特性，涵蓋學科眾多，包括流體力學、數(shù)學理論、計算數(shù)學以及空氣動力學、飛行力學、自動控制等，是各學科的綜合運用。由于分離過程是非定常過程，數(shù)值模擬的計算量很大，往往采用多站點并行計算的方式求解，目前多采用三位動態(tài)非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格的N -S 方程進行運算。

數(shù)值模擬計算過程:給定初始計算狀態(tài)，生成網(wǎng)格，求解流場進行氣動力計算，求解導彈六自由度運動方程，得到導彈的質(zhì)心運動軌跡及導彈姿態(tài)，分析導彈能否安全離開載機。數(shù)值模擬方法所用設備簡單，費用低，重復性好，易于進行參數(shù)調(diào)整，可以大大減少風洞試驗次數(shù)，同時通過數(shù)值計算進行基本的理論研究和分析，可以指導與完善風洞試驗。

針對內(nèi)埋武器機彈分離研究，數(shù)值模擬法需要深入研究艙內(nèi)流場運動機理，結(jié)合風洞試驗情況，弄清艙內(nèi)外的干擾流場與流動特性，同時要考慮分離后導彈的運動控制，建立完善的機彈分離模型，提高機彈分離預測的精度和準確度。

3.2 風洞試驗

利用風洞試驗進行機彈分離安全性研究主要有四種方法:動力相似模型法、流動角測量法、捕獲軌跡法和網(wǎng)格測力法。動力相似模型法可較好地模擬低速無動力自由投放，但幾乎無法模擬有投放力的彈射。流動角測量法國內(nèi)很少應用，目前國內(nèi)外采用較多的是捕獲軌跡法與網(wǎng)格測力法，其中捕獲軌跡法應用最為廣泛。

捕獲軌跡試驗［6］采用計算機與風洞試驗相結(jié)合的方法，在風洞中，利用機械手支撐導彈模型，測量導彈在當前位置所受的力與力矩，求解運動方程，給出下一位置的位置與姿態(tài)，轉(zhuǎn)換到風洞機構(gòu)坐標系下的位置與姿態(tài)，控制機械手帶動導彈模型達到預計的位置與姿態(tài)，不斷循環(huán)直到分離時間段內(nèi)的導彈相對載機運動的整個軌跡。利用風洞捕獲軌跡試驗，可以預測空空導彈從飛機上發(fā)射分離后離開飛機的初始運動軌跡，研究飛機外形、飛行速度、高度與姿態(tài)以及導彈外形、在飛機上的懸掛位置和姿態(tài)等參數(shù)對機彈分離軌跡的影響;判斷導彈能否安全離機; 為空空導彈研制及其在飛機上的合理布局與安全分離提供試驗數(shù)據(jù)。針對內(nèi)埋武器機彈分離研究，風洞試驗需要考慮開艙狀態(tài)、載機機動等帶來的新問題，對試驗系統(tǒng)提出了更為復雜的要求。

網(wǎng)格測力法是測量相對載機不同軸向、橫向及垂直方向許多點以及導彈不同姿態(tài)角下的干擾力與力矩矩，試驗工作量很大且十分麻煩，花費昂貴，往往在載機與導彈狀態(tài)基本穩(wěn)定時進行。

3.3 飛行試驗

隨著新研武器系統(tǒng)性能的提高，單獨驗證機彈分離安全性的飛行試驗開始大量進行。國外就機彈安全分離技術(shù)開展了大量飛行試驗。美國軍方用5年時間內(nèi)組織四架F -22A 試驗飛機進行了約100 次的分離試驗，分離試驗項目多條件復雜，以發(fā)射AIM -120C 導彈的分離飛行試驗項目［3］為例，不僅包含各種速度高度條件下常規(guī)的平飛發(fā)射，還包括載機在不同攻角與過載下進行機動發(fā)射，以及載機滾轉(zhuǎn)狀態(tài)下甚至邊機動邊滾轉(zhuǎn)時進行導彈發(fā)射，發(fā)射時載機飛行條件日趨復雜。由于飛行試驗條件復雜，試驗風險高成本高，飛行試驗往往慎之又慎，帶動了飛行試驗前數(shù)字仿真技術(shù)的快速發(fā)展。

3.4 數(shù)字仿真

以往的機彈分離研究集中在數(shù)值計算、風洞試驗的研究，載機往往是靜態(tài)的且飛行狀態(tài)有限。對于復雜的發(fā)射條件，數(shù)值計算模型復雜、風洞試驗系統(tǒng)難度大成本高，很難進行機彈分離安全性分析。數(shù)字仿真以其直觀、可控、可重復、安全、高效的特點，在機彈分離安全性研究中逐步發(fā)揮不可替代的作用。

進行機彈分離安全性研究時，需要建立干擾流場模型、載機運動模型，導彈運動模型與動力學模型，以及機彈相對運動模型。

數(shù)字仿真已經(jīng)在風洞試驗前、飛行試驗前廣泛使用。通過數(shù)字仿真，可以進行風洞試驗策劃、方案制定，可以進行機彈分離預測，進行飛行試驗風險分析，降低試驗風險。

隨著載機運動性能提高，數(shù)值計算與風洞試驗難度越來越大，數(shù)字仿真技術(shù)將越來越發(fā)揮重要作用。

4 機彈分離安全性評估

4.1 分離品質(zhì)評估

根據(jù)機彈分離安全性判斷準則，分離安全主要考慮: 機彈碰撞，載機復雜干擾流場對導彈飛行的干擾，機彈分離后載機與導彈的運動狀態(tài)，導彈尾煙對載機及武器系統(tǒng)的影響等?？梢詫C彈分離軌跡的品質(zhì)分為安全與不安全兩種類型。

不安全分離的情況有兩種:一種是導彈的俯仰、偏航、橫滾運動，與載機在某個方向上距離逐漸減小并有貼近趨勢;另一種最為危險，導彈發(fā)射分離后因姿態(tài)運動導致直接與載機碰撞。進行機彈分離安全性設計時要力避不安全分離的發(fā)生。

安全分離有3 種情況:一是導彈發(fā)射后與載機在各個方向的距離都是增加的，導彈也沒有呈現(xiàn)明顯的俯仰、偏航、橫滾運動，這種分離為最優(yōu)分離。二是導彈與載機在各個方向上的距離都隨時間增加，導彈呈現(xiàn)小的姿態(tài)運動，這種分離也是安全令人滿意的。三是分離后導彈呈現(xiàn)俯仰、偏航及橫滾運動，盡管較長時間滯留在載機干擾流場內(nèi)，但是與載機之間的距離是緩慢增加的，這種分離也可接受，但盡量避免。

4.2 彈射分離一般趨勢分析

一般情況下，載機不機動水平發(fā)射導彈時，不同發(fā)射條件下機彈分離軌跡會有所不同，但是根據(jù)大量數(shù)字仿真與飛行試驗知道，由于彈射裝置帶來的初始分離參數(shù)，在機體系內(nèi)機彈分離的總體趨勢如下:

在前后方向上，導彈在氣動阻力作用下略向后運動，當發(fā)動機點火后快速向前運動; 在上下方向上，導彈在彈射初速以及氣動力與重力的合成作用下，遠離載機向機翼平面下方運動;在左右方向上，因氣動干擾以及導彈局部不對稱使其左右方向略有運動;俯仰方向為低頭姿態(tài)角。

當載機在復雜機動如滾轉(zhuǎn)條件下發(fā)射導彈時，需要在機體系內(nèi)進行分離趨勢的研究，要考慮導彈離開載機機翼以及頭部包絡的所有危險區(qū)域，避免任何部位的碰撞危險。

4.3 試驗結(jié)果評估

在進行機彈分離安全性設計時，載機發(fā)射導彈時機彈分離快速性與安全距離的一般要求為0.5 s 內(nèi)向下離開一個彈長，評估試驗結(jié)果時，可以評估彈射分離參數(shù)以及彈上控制措施是否合適匹配，是否能保證獲得優(yōu)良或滿意的機彈分離品質(zhì)，杜絕不安全甚至危險的分離現(xiàn)象發(fā)生。

5 結(jié)論

內(nèi)埋空空導彈在超聲速和超機動條件下彈射發(fā)射的機彈分離過程，是在復雜變化空腔流動環(huán)境下的多體運動過程，涉及諸多學科，本文從導彈總體角度分析了機彈分離的物理過程、分離過程中的重點關(guān)注內(nèi)容，探討了機彈安全分離設計要考慮的部分因素，研究了機彈安全分離設計的典型方法與新興方法，明確了機彈分離品質(zhì)評估原則，為導彈武器系統(tǒng)總體設計提供依據(jù)。

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