直升機載光纖制導導彈機彈相容性分析*

劉鈞圣，楊云剛，王 琨，陳 韻

(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

武裝直升機具有突出的超低空飛行能力，較強的戰場生存能力，以及靈活、機動的作戰特點[1-2]，在未來戰爭和非戰爭軍事行動中，承載著不可替代的重要使命。同時由于大量高技術兵器，尤其是電子干擾等設備的廣泛應用，現代戰場形態在時間、空間、作戰方式等方面發生了巨大變化，對武裝直升機在各種復雜電磁環境[3]和戰術背景下遂行多種作戰任務產生著極大影響。

光纖制導導彈制導過程中不輻射電磁波，也不受電磁輻射影響，抗干擾能力強，具備在強敵電磁干擾環境下的作戰能力[4-5]。光纖制導導彈采用“人在回路”作戰模式，可有效解決復雜背景條件下目標可靠識別問題。同時，光纖制導導彈具備偵察、打擊、評估一體化能力[6]。

武裝直升機作為武器平臺掛裝、發射導彈時的機彈相容性是必須研究的重要內容。文中根據直升機載平臺特點，從光纖制導導彈光纖放線方案設計、初始段彈道安全性分析、制導光纖與載機干涉分析、發動機尾焰及后噴物影響等幾個方面對機彈相容性進行了研究。

1 光纖放線方案設計

直升機載光纖制導導彈大多采用筒式發射方式，發射筒既是導彈發射定向器，同時發射筒壁設置光纖固定與切斷裝置，實現機載端光纖位置約束。考慮導彈飛行過程高速放線穩定性，采用機載端固定不動、彈載端單端釋放的光纖放線方案。

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

導彈發射后，在發射發動機推力作用下導彈沿發射筒向前運動，光纖加強段逐漸從彈壁分離；導彈出筒后，續航發動機點火工作，使導彈保持一定的飛行速度，在導彈與載機相對運動的速度差作用下，普通段光纖從光線線管上高速剝離，并在空中處于相對靜止狀態。導彈命中目標后，發射筒壁的光纖固定與切斷裝置執行切線動作，切斷光纖。

2 初始段彈道安全性分析

2.1 發射擾動因素

導彈依靠彈壁上的定位塊提供準確定位,當前定位塊出筒、后定位塊尚在筒內時，導彈處于一種半約束運動狀態。在重力作用、發動機推力偏心等擾動因素條件下，導彈離筒時必然存在一定的初始擾動[7]。

2.2 出筒速度與續航發動機點火時刻

導彈出筒速度越大，初始發射擾動引起的姿態擾動越小，而續航發動機點火時刻的確定與導彈出筒速度相關，應保證導彈飛離載機一定的安全距離，防止發動機尾焰對載機造成影響。

2.3 射角約束

導彈以一定射角發射，在發動機推力偏心、初始擾動等干擾條件下，導彈飛行軌跡可能與直升機旋翼產生干涉。為避免這種情況出現，通常在射角設計時應留出足夠余量，使導彈初始段導彈高低角ε遠小于發射筒前端與載機旋翼邊緣的夾角θ，如圖1所示。

2.4 旋翼下洗流影響

發射初始段，導彈飛行速度與直升機旋翼下洗氣流速度有相同的數量級，旋翼下洗流對導彈飛行彈道和命中精度的影響不能忽視。直升機下洗流場參數可通過工程計算方法、自由尾跡分析計算方法[8-10]等獲取。

旋翼下洗對導彈發射的初始飛行狀態和彈道軌跡的影響，主要表現在下洗流誘導速度場引起來流速度、攻角、側滑角的變化，具體如式(1)：

(1)

式中：Vrx、Vry、Vrz為導彈的相對速度的3個分量;Vx、Vy、Vz為導彈速度的3個分量;Wx、Wy、Wz為直升機旋翼下洗流速度的3個分量;αr和βr為相對攻角和相對側滑角。

根據式(1)獲得的導彈相對速度、相對攻角和相對側滑角，可得到導彈在旋翼下洗流作用下的氣動力及力矩，從而利用導彈飛行力學原理，計算出導彈在載機旋翼下洗流作用下的運動軌跡。

2.5 綜合仿真分析

綜合考慮載機發射擾動、導彈離軌速度及射角約束、載機旋翼下洗流影響等因素，對導彈初始段彈道進行仿真分析，仿真條件設置見表1，仿真結果見圖2、圖3。

表1 仿真條件

在各項發射約束條件下，導彈初始段飛行正常，導彈離軌速度約30 m/s。由圖2可知，續航發動機點火時刻導彈已飛離載機機頭約2.8 m，且導彈飛離載機旋翼邊界時距離旋翼約2.0 m，縱向平面內導彈運動軌跡不會與載機機體、旋翼等發生干涉。由圖3可知，導彈初始段側向位移較小，距離機體側向距離大于0.8 m，側向平面內導彈運動軌跡也不會與載機機體發生干涉。綜上，導彈初始段彈道不影響載機飛行安全性。

3 制導光纖與載機干擾分析

3.1 制導光纖與載機旋翼位置分析

導彈飛行過程中，制導光纖與導彈、載機可看作是一個拖曳系統，光纖在空中的軌跡由光纖質量分布特性、氣動力特性和相對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，計算每一微元所受光纖各段之間的拉力、重力及氣動力。為簡化分析，假設光纖微元橫向運動及兩端拉力可忽略，則在豎直方向微元受力平衡時有：

(2)

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

3.2 光纖放線異常對載機影響分析

載機火控系統設計有自動切線保護措施。當出現光纖放線卡滯或導彈飛行軌跡遠遠偏離正常彈道等異常情況時，火控系統自動向光纖固定與切斷裝置發出切線指令，切斷光纖，避免制導光纖對載機飛行安全造成威脅。

4 發動機尾焰與后噴物

4.1 發動機尾焰影響分析

發射發動機在導彈出筒前工作結束，其尾焰被約束在發射筒內，因此對載機安全性無影響。

應用fluent軟件，對續航發動機尾流場進行建模仿真[14-15]，其射流方向溫度分布曲線見圖6。后噴燃氣的能量主要集中在軸線附近，溫度和速度沿徑向衰減很快。以溫度1 800 K判斷火焰長度，則該穩態流場的火焰長度約為0.6 m，半徑方向最大影響范圍約0.3 m。續航發動機點火時刻，導彈飛離載機機頭距離大于2 m，因此續航發動機尾焰對載機飛行安全性無影響。

4.2 發動機后噴物影響分析

發射發動機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，且發射發動機在導彈出筒前工作結束，因此其后噴物對載機安全性無影響。

續航發動機點火時刻導彈已飛離載機一定距離，因此也不會給載機安全性帶來影響。

5 結論

文中根據直升機載平臺約束和光纖制導導彈作戰使用特點，詳細分析了直升機載光纖制導導彈機彈相容性，得出結論如下：

a)機載端固定不動、彈載端單端釋放的光纖放線方案原理可行，適用于直升機載光纖制導導彈筒式發射方式；

b)在發射擾動、載機旋翼下洗流等約束條件下，導彈初始段飛行正常，導彈運動軌跡不與載機發生干涉，不影響載機飛行安全性；

c)導彈飛行過程中，制導光纖下降速度緩慢，不與載機旋翼發生干涉；

d)發動機尾焰及尾噴物對載機安全性無影響。

文中的研究對于直升機載光纖制導導彈工程研制具有一定參考價值。