淺談軍用飛機外掛系統(tǒng)機械環(huán)境適應性設計鑒定流程

盧麗金，沈祖輝

（航空工業(yè)第一飛機設計研究院，西安 710089）

外掛系統(tǒng)是當今作戰(zhàn)飛機的主要武器之一，隨著飛機平臺性能的不斷提升和外掛武器系統(tǒng)的不斷升級以及作戰(zhàn)能力的迅速發(fā)展，現(xiàn)階段采用的外掛系統(tǒng)的環(huán)境適應性研制流程已經無法滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要。從某種意義上講，外掛系統(tǒng)的環(huán)境適應性設計成功與否，成為了決定戰(zhàn)爭成敗的一個重要的勝負手。

環(huán)境適應性要求包括：外掛系統(tǒng)對其壽命期預期遇到的自然和誘發(fā)環(huán)境的環(huán)境適應性要求和其內部產品對其所處的微環(huán)境或平臺環(huán)境的環(huán)境適應性要求[1-4]。誘發(fā)環(huán)境主要包括振動、沖擊、恒加速度、噪聲振動、炮振等機械環(huán)境[5]；因此，外掛系統(tǒng)為了滿足載機平臺壽命剖面內的誘發(fā)環(huán)境使用要求，在設計時需考慮所在區(qū)域的機械環(huán)境設計要求，保證其經受機械環(huán)境條件的適應性以及評價其結構的完好性。

外掛系統(tǒng)的環(huán)境適應性工作應包括從方案、研制、設計定型、生產交付以及外場使用階段等全壽命周期內的一系列設計、分析和試驗工作。早期外掛系統(tǒng)的研制往往是研制廠家獨立進行，未與主機所進行研制技術條件協(xié)調。由于分析與試驗設計過程涉及的因素較多，如分析時邊界的模擬、載荷的選取、模型的簡化等關系著仿真分析結果的有效性，試驗設計過程中對規(guī)范的解讀、試驗譜制定、試驗控制技術、試驗夾具設計等相關技術，研制單位無法在前期開展有效的分析和驗證工作[6-8]，所以在研制后期（甚至是掛裝放飛前）才考慮機械環(huán)境適應性是否滿足技術要求，往往由于上述相關環(huán)節(jié)設計不合理（甚至未考慮）致使項目不滿足技術要求而延期，更甚者不能掛裝。因此，有必要形成一套完整規(guī)范的載機/外掛系統(tǒng)機械環(huán)境適應性設計鑒定流程（如圖1 所示），合理、正確地指導外掛系統(tǒng)掛機論證、設計及裝機。

圖1 環(huán)境適應性要求的設計流程Fig.1 Design process for environmental adaptation requirements

1 外掛系統(tǒng)機械環(huán)境適應性設計流程

1.1 研制現(xiàn)狀

規(guī)范合理的外掛系統(tǒng)機械環(huán)境適應性設計流程是提高外掛系統(tǒng)設計效率和設計質量的重要指導性文件，是外掛系統(tǒng)與載機平臺相容性設計的必要工作。機械環(huán)境適應性設計是基于工程分析和試驗驗證相結合的一種研制形式，任何一個設計環(huán)節(jié)的缺失都將直接影響環(huán)境適應性分析結果。

現(xiàn)階段，由于研制單位的研制能力和水平參差不齊，研制管理和技術團隊還未意識到環(huán)境適應性設計研制工作的重要性，在研制過程中投入的人力精力和財力均有限，還遠遠談不上能夠開展外掛系統(tǒng)的環(huán)境適應性正向設計工作。因此，目前開展環(huán)境適應性工作的主要流程如下。

1）在方案階段，主機所根據型號研制總要求及國軍標、航標等相關標準規(guī)范的要求，確定外掛在壽命期內的環(huán)境剖面，并根據環(huán)境剖面，編制外掛裝備的環(huán)境適應性設計要求頂層設計文件。

2）在設計定型階段，裝備研制單位根據主機所編制的環(huán)境適應性設計要求文件，開展外掛的環(huán)境鑒定試驗工作。在完成鑒定試驗工作的基礎上，開展外掛的鑒定工作。如無法滿足環(huán)境鑒定試驗工作的考核，則需要開展外掛的設計改進，重新開展外掛的設計鑒定工作。只有外掛通過環(huán)境鑒定試驗驗證，才最終完成外掛的環(huán)境鑒定工作。

上述現(xiàn)有的機械環(huán)境適應研制流程，容易使研制項目延期甚至擱置，造成經濟損失以及政治影響等。

1.2 正向設計流程

要使現(xiàn)代化外掛系統(tǒng)能夠適應各種復雜和惡劣的誘發(fā)環(huán)境，需在研制各階段依據載機平臺環(huán)境要求，真正把環(huán)境適應性作為一個質量特性認真對待，與其他工作一起并行，納入研制各個階段工作計劃中，進行科學的管理和控制。機械環(huán)境適應性正向設計及鑒定流程如圖2 所示，具體內容如下。

1）方案階段，主機所依據型號研制總要求和外掛的壽命期環(huán)境剖面，編制機械環(huán)境要求文件。研制設計單位按照GJB 4239—2001 的要求，進行環(huán)境信息的管理，制定環(huán)境適應性工作計劃、適應性設計準則、環(huán)境設計要求協(xié)議書以及環(huán)境試驗及評價計劃。

2）工程研制初步設計階段，依據載機制定的初步外掛系統(tǒng)的機械環(huán)境要求，進行定性的環(huán)境適應性預計、分析及評估工作。

3）工程研制詳細設計階段，依據載機制定的明確外掛系統(tǒng)的機械環(huán)境要求，開展定量的環(huán)境適應性預計分析。

4）設計定型階段，依據載機最終的機械環(huán)境要求，完善環(huán)境適應性預計工作，開展鑒定試驗，確定環(huán)境適應性是否滿足設計要求。

由以上設計流程可以看出，在全壽命周期內，需要開展的環(huán)境適應性工作重點集中在工程研制階段及設計定型階段。主要是因為在方案階段，需要開展環(huán)境適應性的模型和環(huán)境條件缺失，僅能開展一些指導環(huán)境適應性設計的相應的工作內容；而在生產定型階段，外掛已經經過鑒定試驗考核，無需開展環(huán)境適應性預計分析工作。除非在外場使用過程中出現(xiàn)了由于地面試驗模擬不到的環(huán)境適應性所導致的破壞故障，需要開展外場的排故工作，可以參考上述2）及3）條進行環(huán)境適應性分析，指導故障的分析評估，并對提出的結構改進方案進行仿真分析，為改進方案的試驗驗證提供理論支持。

圖2 機械環(huán)境適應性正向設計及鑒定流程Fig.2 Forward design and appraisal process of mechanical environment adaptability

1.3 外掛系統(tǒng)機械環(huán)境要求制定

主機所依據型號研制總要求和外掛的環(huán)境特點，以及壽命期環(huán)境剖面，進行外掛系統(tǒng)機械環(huán)境技術要求設計，以適應在使用壽命中預期會遇到的環(huán)境條件。因此在外掛系統(tǒng)機械環(huán)境技術要求制定中應遵循以下原則。

1）明確外掛系統(tǒng)參數：依據研制要求之外掛系統(tǒng)（武器/吊艙）裝機后的作戰(zhàn)使用需求及任務能力要求，外掛物掛機技術要求來輸出所掛載的型號、數量及質量特性，以及飛行速度-高度范圍和機動能力等任務要求，作為飛機/外掛系統(tǒng)機械環(huán)境適應性設計的輸入。

2）明確掛載方式：主機根據主要任務要求明確飛機的外掛系統(tǒng)掛載方式。

3）明確掛裝位置：主機評估并明確外掛系統(tǒng)的排列位置及構型。

依據以上原則，進行外掛系統(tǒng)機械環(huán)境技術要求設計。一般情況下，除非特殊規(guī)定，加速度及沖擊均可以依據載機平臺的環(huán)境技術要求直接用于外掛系統(tǒng)設計使用，而振動、炮振或噪聲由于涉及環(huán)境因素較多，需要載機根據外掛系統(tǒng)研制單位提供的設計參數（質量、體積、蒙皮厚度等）進行耐振動、炮振或噪聲技術要求制定。

1.4 定性預計分析

在工程研制初步設計階段，外掛系統(tǒng)（包含內部產品）無法開展仿真預計與分析時，或者在研制進度緊迫、經費不足等特殊情況下，為確保外掛研制工作的順利開展，將采用定性類比分析預計方法開展其環(huán)境適應性預計工作。通過對外掛系統(tǒng)（包含內部產品）或者相似產品已進行過的環(huán)境試驗情況與其環(huán)境鑒定試驗要求進行類比分析，以確定可借用前期環(huán)境試驗結論的環(huán)境鑒定試驗項目。

外掛系統(tǒng)（包含內部產品）基于類比分析方法的環(huán)境適應性定性預計與分析一般流程描述如下：首先，從外掛系統(tǒng)的設計方案及相關設計要求文件中收集LRU 的組成、材料、工藝、元器件、零部件以及結構設計等信息，同時獲取外掛的環(huán)境適應性設計要求信息；其次，收集相似外掛系統(tǒng)的實驗室環(huán)境試驗數據以及外場使用數據，同時獲取相關材料、元器件、零部件的耐環(huán)境極值信息；第三，充分考慮相似產品在材料、工藝、元器件、零部件、結構設計和使用環(huán)境上的差異，結合設計技術成熟度分析，基于產品耐環(huán)境安全裕度量值，擬利用打分法對比分析相似產品與新研產品的耐環(huán)境能力，對外掛各環(huán)境因素的適應性進行預計分析；最后，綜合上述分析預計內容，給出產品環(huán)境適應性預計與分析結果，并形成環(huán)境適應性預計與分析報告。

外掛系統(tǒng)（包含內部產品）基于類比分析方法的借用前提、必備的條件及要求：

1）前提。對于改進型產品，其鑒定試驗規(guī)定的項目和改型前規(guī)定的項目應一致，試驗條件能夠被改進前裝備的環(huán)境鑒定試驗條件覆蓋（改進前設備已鑒定）。

2）借用類比的必備條件：結構狀態(tài)（外形、內部布置）相同或相似；質量特性滿足不超±10%變化，固有頻率滿足不超±5%變化；對于試驗項目及條件以及功能性能指標要求相同或更低；能提供被借用的有效的試驗報告。

3）借用的要求：需提交完整準確的類比分析報告。類比分析報告應根據被借用對象的機械環(huán)境要求逐條進行對比分析，并提交鑒定會專家審查。

1.5 定量預計分析

在外掛系統(tǒng)研制過程中，特別是在研制前期，及時開展裝備的機械環(huán)境適應性預計[9-12]，有助于提前發(fā)現(xiàn)外掛系統(tǒng)的設計薄弱環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化設計，改進設計缺陷，確保外掛能夠滿足環(huán)境適應性，為外掛的順利定型鑒定打下良好的基礎。

1.5.1 預計方法

通過建立仿真有限元模型開展環(huán)境適應性預計，在建模過程中，應詳細對坐標系、網格劃分、單元簡化、所用材料屬性（包括彈性模量、泊松比、密度、強度極限等）、邊界約束等情況進行詳細描述。建模時應模擬結構、設備的質量特性，要真實模擬機上的實際邊界約束情況。根據載機環(huán)境設計要求確定載荷環(huán)境條件，采用相應計算方法進行仿真計算。計算結果應至少包含位移和應力，對仿真分析結構的最大的位移和應力進行剛度和強度評估，并給出評估結論。

評定準則

1）對于加速度，應力計算結果，采用式（1）所示的安全裕度來表征。

式中：[σ]為許用應力；σ 為工作應力；k 為特殊系數，如接頭系數或支承系數。

2）對于沖擊引起的結構變形，其合格判據指標為滿足結構的剛度設計指標，避免大變形和發(fā)生干涉等。對應沖擊應力的計算結果，主要采用式（2）的剩余強度系統(tǒng)評估方法進行，要求η＞1，反之，則不滿足設計要求，其中σs為材料屈服極限。

3）對于隨機振動、炮振，確定最大應力的傳統(tǒng)方法是采用所謂的3σRMS法則，采用式（3）所示的公式剩余強度系數評估強度安全。

4）對于噪聲，如有要求，在設計階段僅能對結構聲響應進行分析，判斷準則同3），最終必須通過試驗對外掛設備的耐噪聲環(huán)境適應性進行考核。

1.5.2 預計結果分析

在設計階段僅對外掛結構剛度和強度進行分析，對仿真分析結果進行評估。若不滿足環(huán)境適應性要求，則優(yōu)化設計模型，開展新一輪的仿真分析。由于目前尚無法利用分析手段模擬外掛的功能和性能，因此分析結果不能代替試驗，最終必須通過試驗進行鑒定。

2 外掛系統(tǒng)機械環(huán)境試驗鑒定流程

為了驗證外掛系統(tǒng)滿足所需功能、性能以及機械環(huán)境適應性要求，需要進行試驗鑒定。下面就鑒定試驗可行有效密切相關內容（試驗方案、試驗工裝、試驗激振力預估及試驗方法等）進行詳細闡述。

2.1 確定試驗方案

在進行外掛系統(tǒng)機械環(huán)境適應性試驗方案策劃時，應把外掛系統(tǒng)和載機懸掛裝置組合狀態(tài)作為整體進行構思，通過對比分析選擇試驗狀態(tài)。可借鑒GJB 150A 中提到的當外掛的細長比大于4 時，外掛系統(tǒng)試驗方向可以只開展垂向和側向。為了更加真實地考核，需要對載機的邊界進行模擬，且對于復雜外掛系統(tǒng)，應通過仿真分析對試驗構型進行篩選。例如某副油箱地面振動鑒定試驗，為確定其振動、沖擊試驗狀態(tài)，開展了副油箱滿油、2/3 油以及半油等狀態(tài)的晃振、振動和沖擊分析，確定出在振動、沖擊作用時，副油箱滿油可以涵蓋其他狀態(tài)，由此確定了副油箱掛機振動、沖擊試驗方案。

2.2 試驗工裝設計

根據GJB 150A 的要求，外掛系統(tǒng)不能直接剛性安裝在振動臺臺面上，需要考慮外掛系統(tǒng)在飛機上真實的安裝形式，這就需要設計一套工裝來模擬外掛系統(tǒng)的安裝邊界。在設計工裝夾具時，應考慮產品實際的裝機狀態(tài)以及工裝的質量、重心及剛度的影響，不合理的工裝會導致附加的質量、彎矩、諧振等因素，使產品在進行環(huán)境試驗時出現(xiàn)欠考核或過考核。

一般在設計試驗工裝時，采用有限元仿真分析的手段進行工裝設計[13-15]，通過建立工裝的有限元模型，開展工裝的模態(tài)分析工作，并根據實際產品的模態(tài)和振型等數據，通過調參的手段對工裝模型進行優(yōu)化設計，并最終完成工裝的優(yōu)化設計工作。

2.3 激振力預估

為確保試驗可實施性，在外掛系統(tǒng)開展振動和沖擊試驗前應進行激振力選取。依據試驗量值，并考慮夾具及動圈（或水平滑臺）質量，通過加速度和質量快速估算出激振力。為了確保振動臺穩(wěn)定性及使用性，一般需要激振力小于振動臺推力的70%。

2.4 試驗方法

對于外掛系統(tǒng)試驗，還有一個與試驗息息相關的因素即試驗控制方法。依據GJB 150A 可知，對于軍用飛機外掛系統(tǒng)，推薦多點平均加速度響應控制方法。該方法將加速度控制器多點分布于外掛系統(tǒng)上，能較真實地反應外掛系統(tǒng)傳遞特性。

試驗中一般采用單一控制方法，但是，當遇到特殊情況時，也可以采用多種方法并行。比如當某一結構位置需求，可以用力限控制方法進行均衡，使用這種方法可以避免在結構最低共振頻率上的過試驗或欠試驗。

2.5 試驗結果分析

依據各試驗狀態(tài)試驗報告數據，判斷試驗控制譜及控制波形是否符合容差要求，結構是否發(fā)生損傷或變形，功能是否正常，性能指標是否在合格范圍。如果都滿足，則滿足環(huán)境適應性設計要求，可以開展設計鑒定。

3 某型飛機外掛系統(tǒng)機械環(huán)境鑒定流程示例

下面為某型飛機掛某外掛系統(tǒng)機械環(huán)境試驗設計鑒定方案示例。

3.1 試驗要求

某外掛系統(tǒng)欲掛機150 飛行小時，依據該載機已制定的機械環(huán)境技術要求，制定出振動、沖擊及加速度機械環(huán)境試驗條件。在方案及工程設計階段，研制單位依據定性分析方法，借鑒已有型號數據開展評估分析，結構強度初步滿足設計要求，最終需要通過試驗鑒定其功能性能并驗證結構強度。

以振動為例，其振動譜見表1，需進行0.5 h 功能振動加46 min 耐久振動+0.5 h 功能振動，試驗方向為y、z方向，試驗構型為兩級懸掛裝置加外掛系統(tǒng)。

表1 振動試驗條件Tab.1 Vibration test condition

3.2 試驗方案及結果

試驗前，首先依據外形確定試驗構型。為保證試驗可行性，進行試驗夾具設計，通過仿真摸底并確定出加速度響應控制方式的四點平均控制開展試驗，控制點分別位于一級懸掛裝置前后吊點的夾具上，以及外掛產品的前后吊點專用懸掛裝置上，如圖3 所示。試驗平均控制譜型如圖4—5 所示。由此可見，試驗控制譜滿足容差要求，且試驗后，外掛系統(tǒng)外觀、功能和性能檢測均符合要求，試驗結果通過地面鑒定要求，完成外掛系統(tǒng)掛飛論證要求。

圖3 試驗安裝狀態(tài)Fig.3 Test installation status

圖4 功能振動試驗控制曲線Fig.4 Functional vibration test control curve

圖5 耐久振動試驗控制曲線Fig.5 Durable vibration test control curve

4 結語

通過梳理外掛系統(tǒng)掛機壽命期預期會遇到的機械環(huán)境約束條件，制定了外掛系統(tǒng)滿足機械環(huán)境適應性的設計鑒定研制流程，指導外掛系統(tǒng)從設計開始，依據載機平臺制定相關機械環(huán)境適應性技術要求，從方案、工程研制及設計鑒定等階段開展機械環(huán)境預計及設計。研制單位依據該流程，可以大大提高外掛系統(tǒng)設計鑒定掛機可行性，并縮短研制經費及周期。

對于外掛系統(tǒng)機械環(huán)境適應性設計鑒定流程，由于目前仿真以及試驗的限制，還存在以下方面需要進一步研究。

1）對于壽命周期內，外掛系統(tǒng)受多種機械環(huán)境因素作用，在仿真預計分析時，無法將相關載荷工況疊加，仿真存在一定偏差。

2）目前試驗驗證時，由于試驗條件的限制，基本上都是單項環(huán)境因素獨立開展，有可能未驗證到由于多環(huán)境因素作用耦合的某些破壞形式，給鑒定結論帶來風險。