機載導(dǎo)彈特殊環(huán)境分析

史明麗，毛劍暉

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000）

機載導(dǎo)彈特殊環(huán)境分析

史明麗，毛劍暉

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000）

目的 為避免由于設(shè)計階段環(huán)境適應(yīng)性要求涵蓋范圍的縮小造成使用風(fēng)險，對機載導(dǎo)彈特殊環(huán)境進行分析。方法 梳理機載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)除典型環(huán)境外的特殊氣候、力學(xué)和綜合應(yīng)力環(huán)境，深入分析每項特殊環(huán)境產(chǎn)生的機理和應(yīng)力特點，以及其對機載導(dǎo)彈功能、性能產(chǎn)生的不利影響和在這些特殊環(huán)境下使用的風(fēng)險。結(jié)果 在此基礎(chǔ)上對機載導(dǎo)彈適應(yīng)這些特殊環(huán)境需開展的工作進行了梳理，提出了綜合解決方案。結(jié)論 機載導(dǎo)彈研制中應(yīng)盡快開展針對特殊環(huán)境的設(shè)計和試驗驗證工作。

導(dǎo)彈；特殊環(huán)境；環(huán)境適應(yīng)性；振動；載荷

目前，機載導(dǎo)彈的環(huán)境適應(yīng)性要求制定的主要依據(jù)是GJB 150A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》系列標(biāo)準(zhǔn)[1—3]，同時參考已定型或在研產(chǎn)品的環(huán)境要求和實測數(shù)據(jù)，以及載機平臺的要求[4]。其中未包含以下特殊環(huán)境：GJB 150A有規(guī)定但本產(chǎn)品未考慮的環(huán)境；GJB 150A明確指出未包含的環(huán)境；自然界發(fā)生概率極低的環(huán)境；由導(dǎo)彈設(shè)計決定的、與環(huán)境相關(guān)的其他情況。

為避免由于環(huán)境適應(yīng)性要求涵蓋范圍的縮小造成使用風(fēng)險，有必要在產(chǎn)品典型環(huán)境適應(yīng)性要求的基礎(chǔ)上，對機載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)除典型氣候環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和生物環(huán)境外可能經(jīng)歷的特殊環(huán)境進行分析，并對這些環(huán)境對導(dǎo)彈服役可能產(chǎn)生的風(fēng)險進行分析，提出綜合解決方案。

1 壽命期環(huán)境剖面分析

機載導(dǎo)彈從出廠到壽命終結(jié)要經(jīng)歷六個典型環(huán)境事件，見表1，經(jīng)歷多種自然和誘發(fā)環(huán)境。

表1 機載導(dǎo)彈壽命期環(huán)境剖面

通過壽命期剖面分析，發(fā)現(xiàn)雪、冰、冰雹、霧、霧霾、有害氣體通常在機載導(dǎo)彈研制的環(huán)境工程工作中未予考慮。隨著我國環(huán)境污染的加重和極端天氣的多次出現(xiàn)，這些特殊氣候環(huán)境對機載導(dǎo)彈的影響問題已無法回避，有必要對其進行分析。溫度、濕度、力學(xué)環(huán)境（含振動、加速度、沖擊）通常在研制中開展了大量的設(shè)計和試驗驗證工作，但在實際使用中由它們誘發(fā)的故障仍時有發(fā)生，分析原因主要是按標(biāo)準(zhǔn)進行了設(shè)計和考核，但仍有部分特殊情況和與機載導(dǎo)彈自身使用方式相關(guān)的特殊環(huán)境未予考慮，必須對這些特殊環(huán)境進行分析。以下從氣候、力學(xué)、綜合應(yīng)力三方面對特殊環(huán)境進行分析。

2 特殊氣候環(huán)境

2.1 溫度

典型溫度環(huán)境已包含了地面和掛飛高低溫環(huán)境，未包含以下特殊狀態(tài)下的溫度環(huán)境。

1）自主飛氣動加熱造成的局部溫度環(huán)境。由自主飛氣動加熱具有溫度高（300 ℃以上）、持續(xù)時間短（數(shù)十秒）、不同區(qū)域差別大、與產(chǎn)品氣動熱緊密相關(guān)等特點，彈內(nèi)溫度是與彈體熱防護相關(guān)的一個快速變化的動態(tài)過程，很難給出傳統(tǒng)意義上通用的溫度環(huán)境要求，需開展結(jié)合氣動熱的專項分析。

2）發(fā)動機燃燒造成的局部溫度環(huán)境。發(fā)動機燃燒造成的局部溫度雖然很高（500 ℃以上），但其持續(xù)時間更短（幾秒）、影響范圍僅限于發(fā)動機上/旁邊安裝的設(shè)備，因此可結(jié)合地面和空中的發(fā)動機點火試驗對其環(huán)境進行測試、分析和考核。

3）設(shè)備工作發(fā)熱造成的局部溫度環(huán)境。機載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)存在空中長時間加電的情況，導(dǎo)彈內(nèi)大功率電子設(shè)備工作時會散發(fā)熱量，熱量的累積造成局部溫度逐漸升高，而在空中低氣壓的環(huán)境下，熱量將更不容易散出、溫升更大，彈內(nèi)溫度會上升10～30 ℃，這使得其他組部件的工作環(huán)境溫度高于導(dǎo)彈的工作溫度[5]。因此，需要進行長期加電狀態(tài)下的熱分析和測試，適當(dāng)提高組部件高溫工作溫度要求。

2.2 濕熱

典型濕度環(huán)境包含了自然界地面最惡劣的高濕環(huán)境，以及在高濕環(huán)境下的凝露、滲透、吸收和呼吸效應(yīng)，不包含以下特殊狀態(tài)下的濕熱環(huán)境。

1）壓力和溫度變化導(dǎo)致的凝露。在飛機掛彈執(zhí)行訓(xùn)練或巡航任務(wù)的過程中，壓力和溫度同時變化造成凝露出現(xiàn)[1—3]。機載導(dǎo)彈有淋雨試驗要求，外部凝露不會造成導(dǎo)彈工作異常。內(nèi)部凝露一般不會很多，在水不大量積聚的情況下，經(jīng)過濕熱試驗考核的產(chǎn)品應(yīng)該可以正常工作。

2）呼吸效應(yīng)造成積水。密封或半密封產(chǎn)品內(nèi)部留存的液態(tài)水一般很難再自然釋放出來，時間一長必然會對產(chǎn)品功能性能造成影響[1—3]。機載導(dǎo)彈生產(chǎn)過程中嚴格控制廠房濕度，溫度試驗后也進行產(chǎn)品烘干，所以生產(chǎn)環(huán)節(jié)可避免積聚液態(tài)水。服役后國防倉庫貯存溫濕度也受控，也不會積聚液態(tài)水。地面貯存、掛機飛行的內(nèi)部凝露雖然比較少，但也存在留存液態(tài)水的概率，所以還需加強密封設(shè)計以避免這種情況的發(fā)生。

2.3 霧、霧霾

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是水汽凝結(jié)（或凝華）的產(chǎn)物，多出現(xiàn)于秋冬季節(jié)。霾是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等顆粒物組成的氣溶膠系統(tǒng)。霧霾是霧和霾的混合物，早晚濕度大時霧的成分多，白天濕度小時霾占主力。霧的厚度只有10～200 m，霾則有1～3 km。霧和霧霾的存在會降低空氣透明度，光線在傳播的過程受微小水滴、冰晶和顆粒物的散射作用而強度變?nèi)?，造成光學(xué)系統(tǒng)從背景中識別目標(biāo)的能力降低，甚至功能喪失。

目前，標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定裝備霧、霧霾天氣的考核評估方法，但隨著我國自然環(huán)境污染的加劇，霧霾天氣出現(xiàn)的頻次增多、持續(xù)時間加長，有必要開展機載導(dǎo)彈對霧、霧霾環(huán)境適應(yīng)能力的評估，給出針對不同強度霧、霧霾環(huán)境限用或禁用的使用要求和建議。

2.4 有害氣體

車輛、船舶、飛機的尾氣、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)排放、居民生活和取暖、垃圾焚燒、火山爆發(fā)等活動排出大量有害氣體，其中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物、臭氧、氫氟酸等與裝備的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由此帶來材料外觀變化、強度降低、電性能變化等一系列問題。如造成金屬表面腐蝕、失去光澤，造成漆層褪色、軟化或龜裂，造成陶瓷制品表面光澤損失、反射率下降，造成橡膠制品脆化、發(fā)黏、裂紋，造成電接觸點氧化、導(dǎo)電率降低。

目前的裝備設(shè)計中，都會考慮鹽霧環(huán)境，有害氣體環(huán)境一般都未予以考慮，但自然界的鹽霧和有害氣體環(huán)境經(jīng)常會同時出現(xiàn)，它們的共同作用會造成腐蝕的加速和加劇。因此僅對鹽霧環(huán)境開展適應(yīng)性設(shè)計和試驗驗證無法滿足實際使用的需求，需在此基礎(chǔ)上開展針對有害氣體的設(shè)計和試驗驗證工作。

3 特殊力學(xué)環(huán)境

3.1 加速度

典型加速度環(huán)境不包括：導(dǎo)彈掛機飛行時，暴露在氣流中的機載導(dǎo)彈表面除承受慣性載荷外還承受氣動載荷，機載導(dǎo)彈承受氣動載荷應(yīng)按照這些載荷的最嚴重組合情況來設(shè)計和試驗，這需要開展結(jié)構(gòu)強度（靜力和疲勞）分析和驗證[2—3,6]。

3.2 沖擊

典型沖擊環(huán)境包含了機載導(dǎo)彈壽命期的跌落沖擊、基本設(shè)計沖擊等環(huán)境，用于考核飛行器在使用和裝卸中預(yù)期可能遭受的非重復(fù)性沖擊，不包含著陸沖擊環(huán)境。著陸沖擊是機載外掛壽命期內(nèi)遇到的典型動力學(xué)環(huán)境，應(yīng)力量級大、重復(fù)次數(shù)多，易造成外掛物結(jié)構(gòu)疲勞和損傷，威脅飛行安全，必須進行考核。該環(huán)境是外掛在特定安裝狀態(tài)和特定任務(wù)下的典型結(jié)構(gòu)響應(yīng)，試驗時必須模擬實際安裝狀態(tài)和激勵，才能得到比較貼合實際的響應(yīng)，使產(chǎn)品受到恰當(dāng)考核。

由于基本設(shè)計沖擊無法在低頻段覆蓋著陸沖擊環(huán)境，且作用次數(shù)遠小于著陸沖擊環(huán)境實際出現(xiàn)的次數(shù)，無法考核產(chǎn)品的著陸沖擊環(huán)境，所以機載導(dǎo)彈研制過程除了進行基本設(shè)計沖擊試驗外，歡迎開展針對著陸沖擊環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計和考核[7]。

3.3 振動

機載導(dǎo)彈現(xiàn)行的外部掛飛振動要求按 GJB 150.16/GJB 150.16A制定，包含了隨機振動和機動抖振，屬于一般意義上的振動。標(biāo)準(zhǔn)中同時指出，外部懸臂在流場中由氣流擾動引起的強迫振動可以產(chǎn)生極其惡劣的振動環(huán)境，有時會造成機載導(dǎo)彈快速失效。懸臂振動動態(tài)特性有以下特點：懸臂受激勵作用的表面積相對于支撐結(jié)構(gòu)和截面積要大；懸臂容易出現(xiàn)大幅值的運動響應(yīng)，并在支撐基座上出現(xiàn)大的根部應(yīng)力；當(dāng)懸臂的形狀為“翼型”時，會產(chǎn)生氣動升力和拉力并疊加在波動壓力載荷上[2—3]。帶舵翼面飛行的機載導(dǎo)彈完全滿足這種動態(tài)特征。強烈的氣動擾動產(chǎn)生的強迫振動有兩種重要的激勵類型。

1）一個是寬帶隨機擾動造成的寬帶隨機振動，產(chǎn)生在相對鈍的流場障礙后面或薄片后面，外掛的尾舵/翼一般暴露在掛架或前方外掛的后部擾動中，強烈的寬帶擾動向下游方向運動，可以在擾動部件后方維持3～5倍擾動部件最大截面尺寸的距離。

2）另一個是渦流，在一個“翼”兩側(cè)的壓力不同時形成，速度和方向不斷變化的流體翻滾形成的擾動產(chǎn)生了這些氣動力，這些變化以攻角和流場速度的變化對翼施加影響，渦流造成的低頻振動，這個問題一般與機載導(dǎo)彈的某個振動模態(tài)有關(guān)，有時會引起快速的疲勞和磨損失效[7—9]。

局部擾動是無法預(yù)測的，在研制過程中應(yīng)首先盡量避免發(fā)生這種情況，標(biāo)準(zhǔn)中給出的具體做法為：機載導(dǎo)彈安裝在已知的擾動區(qū)域外，在平臺規(guī)定的使用包絡(luò)線內(nèi)操作平臺，如果出現(xiàn)了問題要評估這些問題等。對于機載導(dǎo)彈來說，要隨戰(zhàn)斗機進行全包線的飛行，且掛裝飛機、掛點等均不應(yīng)受限。因此解決該問題可行的辦法只能是預(yù)示這種環(huán)境的應(yīng)力特征和量級并開展針對性設(shè)計，使導(dǎo)彈適應(yīng)這種環(huán)境。目前，業(yè)內(nèi)這方面開展的工作比較有限，對這種典型環(huán)境的知識儲備并不多。要解決這個問題需開展不同載機、不同掛點的氣動力和擾動情況分析，以確定是否存在出現(xiàn)外掛懸臂氣動擾動的情況，同時開展飛機邊界條件飛行時的振動環(huán)境實測。

4 綜合應(yīng)力環(huán)境

機載導(dǎo)彈經(jīng)受的實際環(huán)境一般都是幾個因素共同作用，需對典型環(huán)境中未包含、共同出現(xiàn)概率高、共同作用會造成產(chǎn)品失效或失效加速的綜合應(yīng)力環(huán)境進行分析。

4.1 溫度-濕度-振動-高度/振動-噪聲-溫度

GJB 150.24A，GJB 150.25A規(guī)定了溫度-濕度-振動-高度四綜合試驗和振動-噪聲-溫度三綜合試驗。其中溫度-濕度和溫度-高度綜合已在典型環(huán)境中進行了分析和考核，暫不作考慮。噪聲對產(chǎn)品的作用機理是誘發(fā)振動，振動的產(chǎn)品再向外輻射噪聲，所以它們對產(chǎn)品的作用機理和失效模式基本相同，但考慮到振動試驗的頻率（一般為5～2 000 Hz）不能覆蓋噪聲試驗的頻率（一般為5～10 000 Hz），從試驗考核來說它們還是有區(qū)別的，但由于作用機理，振動和噪聲的耦合作用可通過提高單個應(yīng)力的量級來近似考核[13]。高低溫會使得材料的物理特性（例如結(jié)構(gòu)尺寸、強度、剛度等）改變，造成產(chǎn)品耐振性能的變化、進而造成產(chǎn)品功能性能的劣化，在高低溫下施加振動對產(chǎn)品考核非常必要。導(dǎo)彈和彈上設(shè)備的溫度-振動綜合應(yīng)力可結(jié)合可靠性試驗進行。

4.2 加速度-氣動-振動載荷

在飛機作機動（含大機動、復(fù)雜特技、戰(zhàn)斗特技）飛行時，強烈的低頻氣流擾動會造成導(dǎo)彈低頻的大量級振動響應(yīng)，時域的峰值有時會超過 10g[7]。同時彈身還要承受飛機機動的加速度過載，飛機整機的加速度過載能達到 8g，而機載導(dǎo)彈由于掛裝在翼尖或外翼遠離飛機中心線，同時要考慮機動情況所引起的附加角速度對線加速度的影響，因此量值較整機大很多。按標(biāo)準(zhǔn)給出的方法計算，對于一般飛機量值為（13.5～23）g[2—3]。機動飛行時，彈身/舵翼面承受的氣動力載荷也達到最大，這三種載荷同時作用在導(dǎo)彈上，加上掛飛狀態(tài)導(dǎo)彈的懸臂梁結(jié)構(gòu)，將在懸臂的根部-吊掛附加造成高量級的應(yīng)力集中，存在很大的風(fēng)險。需在導(dǎo)彈強度分析時考慮這三種應(yīng)力同時作用的情況[12—13]。

5 結(jié)論

綜上所述，由于特殊環(huán)境與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作狀態(tài)等緊密相關(guān)的，暫時無法給出通用的技術(shù)要求，需在產(chǎn)品設(shè)計方案和仿真模型的基礎(chǔ)上同步開展環(huán)境分析、適應(yīng)性設(shè)計并結(jié)合科研試驗的驗證，解決方案見表2。只有通過對特殊環(huán)境系統(tǒng)進行全面的分析，得到真實全面的環(huán)境數(shù)據(jù)，并開展針對性的設(shè)計和試驗驗證工作，才能確保機載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)的環(huán)境的適應(yīng)性、可靠性和安全性滿足使用需求。

表2 特殊環(huán)境及綜合解決方案

[1] GJB 150—1986, 軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法[S].

[2] GJB 150A—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S].

[3] MIL-STD-810F, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[4] GJB 4239—2001, 裝備環(huán)境工程通用要[S].

[5] 吳清才. 航天電子產(chǎn)品熱環(huán)境試驗策略研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(3): 80—84.

[6] GJB 1C—2006, 機載懸掛物和懸掛裝置接合部位的通用設(shè)計準(zhǔn)則[S].

[7] DEF STAN 00-35-1999, Handbook of National Defense Equipment Environment-Induced Mechanical Environment[S].

[8] 張海濤, 周占廷. 飛行試驗抖振載荷統(tǒng)計技術(shù)[J]. 飛行力學(xué), 2013, 31(3): 277—280.

[9] ROBERT W M, GAUTAM H S. Spatial Characteristics of F/A-18 Vertical Tail Buffet Pressures Measured in Flight[R]. AIAA-98-1956, 1998.

[10] CHRISTOPHER L B, SURESH R P. Buffet Fatigue Sequence Generation from F/A 22 Flight Test Data Using Frequency Domain Methods[R]. AIAA-007-765, 2007.

[11] 姚建軍, 余盛強. 噪聲環(huán)境對彈上電子設(shè)備的作用機理研究[J]. 導(dǎo)航定位與授時, 2015, 2(3): 120—127.

[12] 李春枝, 牛寶良, 黎啟勝. 振動離心復(fù)合環(huán)境下結(jié)構(gòu)響應(yīng)試驗研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(5): 83—87.

[13] 宮曉春, 朱曦全, 胡彥平. 離心振動復(fù)合環(huán)境試驗系統(tǒng)的動力學(xué)建模[J]. 強度與環(huán)境, 2013, 40(3): 15—16.

Special Environment of External-store Missile

SHI Ming-li,MAO Jian-hui
(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471000, China)

Objective To avoid functional risks due to narrowed covering range required by environment suitability in development stage and analyze special environment of external-store missile. Methods Special climate, mechanics and complex stress environment except typical environment in the service life of external-store missile were analyzed. Mechanism and stress features generated in each special environment, their adverse effects on functions and performances of external-store missile and risks on using in special environment were also analyzed in depth. Results Jobs to be completed for external-store missile to adapt to special environment were combined and comprehensive solutions were proposed. Conclusion It is necessary to start design and experimental tests of special environment as early as possible in development of external-store missile.

missile; special environment; environmental adaptability; vibration; load

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.014

TJ76

A

1672-9242(2017)01-0057-04

2016-07-22；

2016-08-24

史明麗（1980—），女，陜西人，碩士，高級工程師，主要研究方向為裝備環(huán)境工程。

毛劍暉（1964—），男，河南人，碩士，高級工程師，主要研究方向為裝備環(huán)境工程。