直升機(jī)載光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈機(jī)彈相容性分析*

劉鈞圣，楊云剛，王 琨，陳 韻

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

武裝直升機(jī)具有突出的超低空飛行能力，較強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，以及靈活、機(jī)動(dòng)的作戰(zhàn)特點(diǎn)[1-2]，在未來戰(zhàn)爭(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)中，承載著不可替代的重要使命。同時(shí)由于大量高技術(shù)兵器，尤其是電子干擾等設(shè)備的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)形態(tài)在時(shí)間、空間、作戰(zhàn)方式等方面發(fā)生了巨大變化，對(duì)武裝直升機(jī)在各種復(fù)雜電磁環(huán)境[3]和戰(zhàn)術(shù)背景下遂行多種作戰(zhàn)任務(wù)產(chǎn)生著極大影響。

光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈制導(dǎo)過程中不輻射電磁波，也不受電磁輻射影響，抗干擾能力強(qiáng)，具備在強(qiáng)敵電磁干擾環(huán)境下的作戰(zhàn)能力[4-5]。光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈采用“人在回路”作戰(zhàn)模式，可有效解決復(fù)雜背景條件下目標(biāo)可靠識(shí)別問題。同時(shí)，光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈具備偵察、打擊、評(píng)估一體化能力[6]。

武裝直升機(jī)作為武器平臺(tái)掛裝、發(fā)射導(dǎo)彈時(shí)的機(jī)彈相容性是必須研究的重要內(nèi)容。文中根據(jù)直升機(jī)載平臺(tái)特點(diǎn)，從光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈光纖放線方案設(shè)計(jì)、初始段彈道安全性分析、制導(dǎo)光纖與載機(jī)干涉分析、發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰及后噴物影響等幾個(gè)方面對(duì)機(jī)彈相容性進(jìn)行了研究。

1 光纖放線方案設(shè)計(jì)

直升機(jī)載光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈大多采用筒式發(fā)射方式，發(fā)射筒既是導(dǎo)彈發(fā)射定向器，同時(shí)發(fā)射筒壁設(shè)置光纖固定與切斷裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)載端光纖位置約束?？紤]導(dǎo)彈飛行過程高速放線穩(wěn)定性，采用機(jī)載端固定不動(dòng)、彈載端單端釋放的光纖放線方案。

光纖由加強(qiáng)段和普通段組成。光纖加強(qiáng)段線徑大，強(qiáng)度高，用以承受發(fā)射過載造成的拉伸和彎曲。光纖普通段纏繞于光纖線管(導(dǎo)彈尾部艙段)上，線徑小，是光纖主要組成部分。

導(dǎo)彈發(fā)射后，在發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用下導(dǎo)彈沿發(fā)射筒向前運(yùn)動(dòng)，光纖加強(qiáng)段逐漸從彈壁分離；導(dǎo)彈出筒后，續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，使導(dǎo)彈保持一定的飛行速度，在導(dǎo)彈與載機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度差作用下，普通段光纖從光線線管上高速剝離，并在空中處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。導(dǎo)彈命中目標(biāo)后，發(fā)射筒壁的光纖固定與切斷裝置執(zhí)行切線動(dòng)作，切斷光纖。

2 初始段彈道安全性分析

2.1 發(fā)射擾動(dòng)因素

導(dǎo)彈依靠彈壁上的定位塊提供準(zhǔn)確定位,當(dāng)前定位塊出筒、后定位塊尚在筒內(nèi)時(shí)，導(dǎo)彈處于一種半約束運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在重力作用、發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏心等擾動(dòng)因素條件下，導(dǎo)彈離筒時(shí)必然存在一定的初始擾動(dòng)[7]。

2.2 出筒速度與續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻

導(dǎo)彈出筒速度越大，初始發(fā)射擾動(dòng)引起的姿態(tài)擾動(dòng)越小，而續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻的確定與導(dǎo)彈出筒速度相關(guān)，應(yīng)保證導(dǎo)彈飛離載機(jī)一定的安全距離，防止發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰對(duì)載機(jī)造成影響。

2.3 射角約束

導(dǎo)彈以一定射角發(fā)射，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏心、初始擾動(dòng)等干擾條件下，導(dǎo)彈飛行軌跡可能與直升機(jī)旋翼產(chǎn)生干涉。為避免這種情況出現(xiàn)，通常在射角設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留出足夠余量，使導(dǎo)彈初始段導(dǎo)彈高低角ε遠(yuǎn)小于發(fā)射筒前端與載機(jī)旋翼邊緣的夾角θ，如圖1所示。

2.4 旋翼下洗流影響

發(fā)射初始段，導(dǎo)彈飛行速度與直升機(jī)旋翼下洗氣流速度有相同的數(shù)量級(jí)，旋翼下洗流對(duì)導(dǎo)彈飛行彈道和命中精度的影響不能忽視。直升機(jī)下洗流場(chǎng)參數(shù)可通過工程計(jì)算方法、自由尾跡分析計(jì)算方法[8-10]等獲取。

旋翼下洗對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射的初始飛行狀態(tài)和彈道軌跡的影響，主要表現(xiàn)在下洗流誘導(dǎo)速度場(chǎng)引起來流速度、攻角、側(cè)滑角的變化，具體如式(1)：

(1)

式中：Vrx、Vry、Vrz為導(dǎo)彈的相對(duì)速度的3個(gè)分量;Vx、Vy、Vz為導(dǎo)彈速度的3個(gè)分量;Wx、Wy、Wz為直升機(jī)旋翼下洗流速度的3個(gè)分量;αr和βr為相對(duì)攻角和相對(duì)側(cè)滑角。

根據(jù)式(1)獲得的導(dǎo)彈相對(duì)速度、相對(duì)攻角和相對(duì)側(cè)滑角，可得到導(dǎo)彈在旋翼下洗流作用下的氣動(dòng)力及力矩，從而利用導(dǎo)彈飛行力學(xué)原理，計(jì)算出導(dǎo)彈在載機(jī)旋翼下洗流作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.5 綜合仿真分析

綜合考慮載機(jī)發(fā)射擾動(dòng)、導(dǎo)彈離軌速度及射角約束、載機(jī)旋翼下洗流影響等因素，對(duì)導(dǎo)彈初始段彈道進(jìn)行仿真分析，仿真條件設(shè)置見表1，仿真結(jié)果見圖2、圖3。

表1 仿真條件

在各項(xiàng)發(fā)射約束條件下，導(dǎo)彈初始段飛行正常，導(dǎo)彈離軌速度約30 m/s。由圖2可知，續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻導(dǎo)彈已飛離載機(jī)機(jī)頭約2.8 m，且導(dǎo)彈飛離載機(jī)旋翼邊界時(shí)距離旋翼約2.0 m，縱向平面內(nèi)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)與載機(jī)機(jī)體、旋翼等發(fā)生干涉。由圖3可知，導(dǎo)彈初始段側(cè)向位移較小，距離機(jī)體側(cè)向距離大于0.8 m，側(cè)向平面內(nèi)導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡也不會(huì)與載機(jī)機(jī)體發(fā)生干涉。綜上，導(dǎo)彈初始段彈道不影響載機(jī)飛行安全性。

3 制導(dǎo)光纖與載機(jī)干擾分析

3.1 制導(dǎo)光纖與載機(jī)旋翼位置分析

導(dǎo)彈飛行過程中，制導(dǎo)光纖與導(dǎo)彈、載機(jī)可看作是一個(gè)拖曳系統(tǒng)，光纖在空中的軌跡由光纖質(zhì)量分布特性、氣動(dòng)力特性和相對(duì)氣流速度等因素共同決定[11-12]。將光纖等效成彈簧柔性體模型，計(jì)算每一微元所受光纖各段之間的拉力、重力及氣動(dòng)力。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)光纖微元橫向運(yùn)動(dòng)及兩端拉力可忽略，則在豎直方向微元受力平衡時(shí)有：

(2)

通過導(dǎo)彈六自由度彈道仿真，獲得飛行彈道上各段光纖與發(fā)射點(diǎn)所形成的角度關(guān)系如圖5所示。觀察可知，在各擾動(dòng)邊界條件下，導(dǎo)彈飛行彈道上光纖與發(fā)射點(diǎn)形成的機(jī)彈高低角最大為8.2°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射筒前端與旋翼邊緣所呈的夾角(21.3°)，即導(dǎo)彈飛行過程中制導(dǎo)光纖不與載機(jī)旋翼發(fā)生干涉。

3.2 光纖放線異常對(duì)載機(jī)影響分析

載機(jī)火控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有自動(dòng)切線保護(hù)措施。當(dāng)出現(xiàn)光纖放線卡滯或?qū)楋w行軌跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離正常彈道等異常情況時(shí)，火控系統(tǒng)自動(dòng)向光纖固定與切斷裝置發(fā)出切線指令，切斷光纖，避免制導(dǎo)光纖對(duì)載機(jī)飛行安全造成威脅。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰與后噴物

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰影響分析

發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)在導(dǎo)彈出筒前工作結(jié)束，其尾焰被約束在發(fā)射筒內(nèi)，因此對(duì)載機(jī)安全性無影響。

應(yīng)用fluent軟件，對(duì)續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)尾流場(chǎng)進(jìn)行建模仿真[14-15]，其射流方向溫度分布曲線見圖6。后噴燃?xì)獾哪芰恐饕性谳S線附近，溫度和速度沿徑向衰減很快。以溫度1 800 K判斷火焰長度，則該穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的火焰長度約為0.6 m，半徑方向最大影響范圍約0.3 m。續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻，導(dǎo)彈飛離載機(jī)機(jī)頭距離大于2 m，因此續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰對(duì)載機(jī)飛行安全性無影響。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)后噴物影響分析

發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)后噴物主要來自易碎噴堵及襯管碳布碎片等，其最大重量小于0.1 g，且發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)在導(dǎo)彈出筒前工作結(jié)束，因此其后噴物對(duì)載機(jī)安全性無影響。

續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻導(dǎo)彈已飛離載機(jī)一定距離，因此也不會(huì)給載機(jī)安全性帶來影響。

5 結(jié)論

文中根據(jù)直升機(jī)載平臺(tái)約束和光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用特點(diǎn)，詳細(xì)分析了直升機(jī)載光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈機(jī)彈相容性，得出結(jié)論如下：

a)機(jī)載端固定不動(dòng)、彈載端單端釋放的光纖放線方案原理可行，適用于直升機(jī)載光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈筒式發(fā)射方式；

b)在發(fā)射擾動(dòng)、載機(jī)旋翼下洗流等約束條件下，導(dǎo)彈初始段飛行正常，導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡不與載機(jī)發(fā)生干涉，不影響載機(jī)飛行安全性；

c)導(dǎo)彈飛行過程中，制導(dǎo)光纖下降速度緩慢，不與載機(jī)旋翼發(fā)生干涉；

d)發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰及尾噴物對(duì)載機(jī)安全性無影響。

文中的研究對(duì)于直升機(jī)載光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈工程研制具有一定參考價(jià)值。