導彈外場動態發射的仿真試驗方法*

高建國,李 金,彭明焱

(中國空空導彈研究院,河南洛陽 471009)

0 引言

導彈的發射是一個復雜的系統工程,任何一個單元故障都可能造成導彈的發射失敗。導彈的發射過程是不可逆的,一旦由于某一個環節故障造成導彈發射失敗,希望能夠準確定位故障,為設計的改進提供依據[1-4]。導彈內的飛控、引信、發動機、發射控制設備等的故障可以通過仿真和內場測試反復驗證使故障準確定位;但在導彈發射瞬間,導彈與發射架分離過程中由于離梁信號故障而導致導彈發射失敗的故障準確定位是非常困難的。一是產生離梁信號故障的因素很多,二是無法反復驗證使故障復現,若要驗證就要進行多次發射試驗,從試驗成本來講這是不可接受的。為此文中設計了這個模擬導彈外場動態發射的試驗方法,為故障的復現和準確定位提供簡單實用、低成本、科學的試驗保障,為導彈的優化設計提供了依據。

1 試驗系統設計

1.1 系統組成

導彈發射是在外場發射試驗設備(或機載火控系統)和發射裝置安全、可靠、完善的配合下完成的一個復雜過程。從按下發射按鈕開始,經歷了電池點火、發射邏輯判斷、鎖制器打開、發動機點火、電氣分離(離梁)和軌上運動,最后實現彈架分離[3-5]。在此過程中可能造成導彈發射故障從而影響導彈自主飛行控制的主要因素包括:

1)發射試驗系統電源;

2)導彈的軸向沖擊;

3)導彈與發射電插頭分離過程中的抖動;

4)發射電插頭在復雜動力環境下的帶電分離,及其伴隨的導彈供電形式變化和發控電路工作狀態轉換;

5)導彈軌上運動。

試驗系統分為兩部分:一是導彈掛裝、加載與止動部分,二是導彈監控與發射部分,這兩部分通過發射平臺結合在一起。

1.1.1 掛裝、加載與止動部分

掛裝、加載與止動部分包括外場發射平臺、鋼架、滑輪、力傳感器、砝碼、鋼索、爆炸螺栓、尼龍繩等。導彈掛裝、加載、止動形式如圖1。

A(砝碼)—利用自重使鋼索張緊;B(滑輪)—支撐鋼索,改變張力方向;C(力傳感器)—測量鋼索張力;D(目標源)—給導彈提供目標;E(發射平臺)—真實的外場發射試驗平臺,用于掛裝發射裝置和導彈,也是被試對象之一;F(發射裝置)、G(導彈)—被試產品;H(尼龍繩)—導彈軸向移動限位;I(爆炸螺栓)—爆炸后剪斷鋼索,釋放導彈。圖1 導彈掛裝、加載與止動示意圖

1.1.2 導彈監控與發射部分

導彈監控與發射部分包括控制指揮車及導彈監控設備、發射試驗平臺、遙測接收設備、目標模擬器、示波器、高速攝像機等。有條件也可配置雷達。配置關系如圖2,各部分的功能如下:

1)指揮車及導彈監控與發射設備:試驗指揮與發射控制;

2)雷達:配合模擬外場電磁環境;

3)油機:為試驗系統供電;

4)高速攝像:記錄彈架分離及運動過程;

5)遙測:接收并處理導彈狀態參數;

6)示波器:導彈離梁信號、結構地電平監測;

7)外供電源:模擬電池供電。

圖2 導彈監控與發射系統圖

1.2 試驗原理與設計要求

1.2.1 試驗原理

試驗要求最大限度的模擬導彈發射過程。試驗前,預緊導彈前、后的鋼索,增加砝碼使其達到設定的重量;通過外場監控和發射試驗設備對導彈系統進行上電自檢準備,自檢正常并構成發射條件(導彈截獲目標)后,按下發射按鈕;發控系統執行導彈正常發射控制邏輯(電池戰火→電壓判斷→發動機點火);發動機點火電壓通過點火觸點的引出線引爆爆炸螺栓;爆炸螺栓爆炸后釋放導彈,使其在牽引鋼索的作用下,與發射電插頭分離;插頭分離后,導彈轉入自主供電狀態,并開始軌上運動,發射裝置感知“導彈存在”信號的變化,斷開供氣電磁閥,停止供氣;導彈運動規定的行程后,在后端軸向限位尼龍繩的作用下停止運動。試驗過程中遙測記錄導彈參數;高速攝像記錄導彈軌上運動過程;必要時用示波器記錄導彈離梁和接地電平。

1.2.2 設計要求

1.2.2.1 參試產品

試驗使用的參試產品由導彈前艙、遙測艙和模擬后彈體組成,其中模擬后彈體應有發動機點火電壓的引出導線。前艙的組件要求如下:

1)電源組件:根據需要,可用點過火的電源組件代替,在此電源組件的三個電池輸出及其地線端接線,可通過與殼體固定的螺釘孔引出進行外部供電,用于導彈的發射排故;也可用正規的電源組件,用于導彈的發射檢查;

2)引信:在排故時,換裝引信試驗件;并在殼體上開孔,從“離梁”和“接地”端引出測試電纜,用于監測引信工作情況,其它技術狀態與正規批引信一致;

3)S/A機構:拆除拔銷器。

1.2.2.2 導彈行程

動態模擬試驗不僅要求模擬導彈與電插頭的分離,還要求模擬分離后的一小段行程,主要是為了驗證發動機點火觸點與導彈吊掛接觸是否對導彈產生影響。因此模擬導彈動態發射試驗時,導彈應在軌上運動一段距離。這個行程與導彈的重量重心和吊掛有關,一般考慮其它因素,導彈行程確定在30～100 mm之間。這個距離足以滿足模擬分離的要求。導彈后端的軸向限位尼龍繩應將導彈位移限制在100 mm之內。

1.2.2.3 砝碼

砝碼的重量選取與正常發射時導彈和插頭分離時刻的發動機推力有關。用砝碼施加軸向力,模擬的是一個瞬間沖高迅速回落的過程,而不是發動機推力逐漸增加的過程,因此應盡可能使砝碼作用下的軸向力處于分離時刻發動機推力要求值的高端。

1.2.2.4 爆炸螺栓

爆炸螺栓實際上模擬發動機點火,爆炸延時時間不大于100 ms。

1.2.2.5 鋼索

鋼索用于導彈加載,因此一定要有足夠的張力。另外必須采取絕緣措施。

2 試驗方法

2.1 試驗準備

1)將試驗用發射裝置掛裝在發射平臺上,將前后鋼索固定在牢靠的支架上,保持固定點與發射架在同一水平高度,確保試驗時鋼索的拉力與導彈軸線一致;

2)按試驗目的不同,將改裝好的待試試驗產品掛在發射裝置上,并用護套將其與鋼索、保護繩、爆炸螺栓進行連接;

3)均勻預緊前后鋼索,根據所試產品分離時所需發動機推力的要求值,調整好砝碼重量和懸掛高度及尼龍繩松緊度。

2.2 試驗發射

按導彈的發射程序進行加載發射試驗:

1)用外場發射試驗設備監控導彈系統上電自檢準備;

2)調整目標源使導彈截獲;

3)按下發射按鈕;電池組件用點過火的試驗件時,應同時打開外供電源給模擬電池供電;

4)發射裝置執行發控邏輯判斷后給出發動機點火電壓;

5)發動機點火電壓通過從觸點經殼體引出的導線引爆爆炸螺栓;

6)導彈被爆炸螺栓釋放后,在砝碼產生的軸向力作用下沖開鎖制器,并與發射電插頭分離;

7)導彈分離后繼續向前運動,經過預定的行程后在后端尼龍繩的作用下停止運動;

8)遙測、監視測量設備采集記錄模擬發射過程和導彈工作數據。

發射完畢后,根據測試設備所記錄采集的數據進行模擬動態發射過程的驗證分析。

2.3 注意事項

1)試驗過程中,確保鋼索拉力方向與導彈軸線一致,且導彈受力均勻;

2)調好保護尼龍繩的松緊度,確保產品安全。

3 應用實例

某型號空空導彈在進行綜合遙測彈地面靶試中,出現了離梁信號電壓低(0.4 V)而導致飛控和引信故障使導彈不能自主控制飛行的現象。

3.1 理論分析結論

通過對該型號導彈離梁電路、導彈殘骸和某型號發射裝置供氣控制電路的分析,初步得出的結論是:導彈在發動機推力作用下,快速與發射電插頭分離;在分離的一瞬間,導彈存在消失,發射裝置供氣電磁閥狀態切換產生反向電動勢;反向電動勢通過接觸件之間的等效電容作用在導彈的離梁信號端,使離梁端疊加了一個較高的干擾脈沖;干擾脈沖造成引信CPLD(和飛控ASL244)離梁端口瞬間擊穿失效,對地“短路”;最終導致離梁信號不能正常建立,從而使導彈不能正常自主控制飛行。為此也提出了相應的優化設計的改進方案。

3.2 仿真驗證

為了驗證上述的分析結論,按照設計的動態仿真試驗方法,進行了外場發射試驗仿真,期望復現離梁信號故障,驗證導彈能否進入正常的自主飛行控制狀態。

仿真外場發射試驗按照試驗狀態的不同先后反復進行了十幾次仿真試驗,從而得出了如下結論:

1)仿真發射試驗復現的故障模式與外場發射試驗中出現的故障模式基本相同;

2)仿真發射試驗結果反映的故障機理與故障分析結果一致;

3)改進方案合理可靠。

3.3 真實驗證

該型號空空導彈根據上述試驗得出的結論,重新進行了優化設計,在隨后進行的多次實彈靶試中均取得了發發命中的好成績,為下階段的導彈研制提供了強有力的保障。

4 結論

由上述實例可見,該試驗方法設計正確合理、應用廣泛,且僅僅是花去幾個爆炸螺栓的費用,就可以反復模擬導彈外場的動態發射試驗。盡管模擬導彈分離的速度與真實導彈分離速度達不到完全吻合,但對整個分離過程中導彈的工作情況以及與發射平臺信號接口之間的傳遞關系模擬是真實的,故不失為是一種操作簡單、實用、低成本的仿真導彈外場動態仿真發射試驗方法。同時該試驗方法也適用于其它導彈武器系統的仿真動態發射試驗;不僅如此該試驗方法稍加改動(將靜態目標源改為動態目標源),即可模擬導彈發射后的自主飛行過程,為導彈導引頭和飛控系統的設計研制提供了強有力的科研依據。