直升机载光纤制导导弹机弹相容性分析*

刘钧圣，杨云刚，王 琨，陈 韵

(西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引言

武装直升机具有突出的超低空飞行能力，较强的战场生存能力，以及灵活、机动的作战特点[1-2]，在未来战争和非战争军事行动中，承载着不可替代的重要使命。同时由于大量高技术兵器，尤其是电子干扰等设备的广泛应用，现代战场形态在时间、空间、作战方式等方面发生了巨大变化，对武装直升机在各种复杂电磁环境[3]和战术背景下遂行多种作战任务产生着极大影响。

光纤制导导弹制导过程中不辐射电磁波，也不受电磁辐射影响，抗干扰能力强，具备在强敌电磁干扰环境下的作战能力[4-5]。光纤制导导弹采用“人在回路”作战模式，可有效解决复杂背景条件下目标可靠识别问题。同时，光纤制导导弹具备侦察、打击、评估一体化能力[6]。

武装直升机作为武器平台挂装、发射导弹时的机弹相容性是必须研究的重要内容。文中根据直升机载平台特点，从光纤制导导弹光纤放线方案设计、初始段弹道安全性分析、制导光纤与载机干涉分析、发动机尾焰及后喷物影响等几个方面对机弹相容性进行了研究。

1 光纤放线方案设计

直升机载光纤制导导弹大多采用筒式发射方式，发射筒既是导弹发射定向器，同时发射筒壁设置光纤固定与切断装置，实现机载端光纤位置约束。考虑导弹飞行过程高速放线稳定性，采用机载端固定不动、弹载端单端释放的光纤放线方案。

光纤由加强段和普通段组成。光纤加强段线径大，强度高，用以承受发射过载造成的拉伸和弯曲。光纤普通段缠绕于光纤线管(导弹尾部舱段)上，线径小，是光纤主要组成部分。

导弹发射后，在发射发动机推力作用下导弹沿发射筒向前运动，光纤加强段逐渐从弹壁分离；导弹出筒后，续航发动机点火工作，使导弹保持一定的飞行速度，在导弹与载机相对运动的速度差作用下，普通段光纤从光线线管上高速剥离，并在空中处于相对静止状态。导弹命中目标后，发射筒壁的光纤固定与切断装置执行切线动作，切断光纤。

2 初始段弹道安全性分析

2.1 发射扰动因素

导弹依靠弹壁上的定位块提供准确定位,当前定位块出筒、后定位块尚在筒内时，导弹处于一种半约束运动状态。在重力作用、发动机推力偏心等扰动因素条件下，导弹离筒时必然存在一定的初始扰动[7]。

2.2 出筒速度与续航发动机点火时刻

导弹出筒速度越大，初始发射扰动引起的姿态扰动越小，而续航发动机点火时刻的确定与导弹出筒速度相关，应保证导弹飞离载机一定的安全距离，防止发动机尾焰对载机造成影响。

2.3 射角约束

导弹以一定射角发射，在发动机推力偏心、初始扰动等干扰条件下，导弹飞行轨迹可能与直升机旋翼产生干涉。为避免这种情况出现，通常在射角设计时应留出足够余量，使导弹初始段导弹高低角ε远小于发射筒前端与载机旋翼边缘的夹角θ，如图1所示。

2.4 旋翼下洗流影响

发射初始段，导弹飞行速度与直升机旋翼下洗气流速度有相同的数量级，旋翼下洗流对导弹飞行弹道和命中精度的影响不能忽视。直升机下洗流场参数可通过工程计算方法、自由尾迹分析计算方法[8-10]等获取。

旋翼下洗对导弹发射的初始飞行状态和弹道轨迹的影响，主要表现在下洗流诱导速度场引起来流速度、攻角、侧滑角的变化，具体如式(1)：

(1)

式中：Vrx、Vry、Vrz为导弹的相对速度的3个分量;Vx、Vy、Vz为导弹速度的3个分量;Wx、Wy、Wz为直升机旋翼下洗流速度的3个分量;αr和βr为相对攻角和相对侧滑角。

根据式(1)获得的导弹相对速度、相对攻角和相对侧滑角，可得到导弹在旋翼下洗流作用下的气动力及力矩，从而利用导弹飞行力学原理，计算出导弹在载机旋翼下洗流作用下的运动轨迹。

2.5 综合仿真分析

综合考虑载机发射扰动、导弹离轨速度及射角约束、载机旋翼下洗流影响等因素，对导弹初始段弹道进行仿真分析，仿真条件设置见表1，仿真结果见图2、图3。

表1 仿真条件

在各项发射约束条件下，导弹初始段飞行正常，导弹离轨速度约30 m/s。由图2可知，续航发动机点火时刻导弹已飞离载机机头约2.8 m，且导弹飞离载机旋翼边界时距离旋翼约2.0 m，纵向平面内导弹运动轨迹不会与载机机体、旋翼等发生干涉。由图3可知，导弹初始段侧向位移较小，距离机体侧向距离大于0.8 m，侧向平面内导弹运动轨迹也不会与载机机体发生干涉。综上，导弹初始段弹道不影响载机飞行安全性。

3 制导光纤与载机干扰分析

3.1 制导光纤与载机旋翼位置分析

导弹飞行过程中，制导光纤与导弹、载机可看作是一个拖曳系统，光纤在空中的轨迹由光纤质量分布特性、气动力特性和相对气流速度等因素共同决定[11-12]。将光纤等效成弹簧柔性体模型，计算每一微元所受光纤各段之间的拉力、重力及气动力。为简化分析，假设光纤微元横向运动及两端拉力可忽略，则在竖直方向微元受力平衡时有：

(2)

通过导弹六自由度弹道仿真，获得飞行弹道上各段光纤与发射点所形成的角度关系如图5所示。观察可知，在各扰动边界条件下，导弹飞行弹道上光纤与发射点形成的机弹高低角最大为8.2°，远远小于发射筒前端与旋翼边缘所呈的夹角(21.3°)，即导弹飞行过程中制导光纤不与载机旋翼发生干涉。

3.2 光纤放线异常对载机影响分析

载机火控系统设计有自动切线保护措施。当出现光纤放线卡滞或导弹飞行轨迹远远偏离正常弹道等异常情况时，火控系统自动向光纤固定与切断装置发出切线指令，切断光纤，避免制导光纤对载机飞行安全造成威胁。

4 发动机尾焰与后喷物

4.1 发动机尾焰影响分析

发射发动机在导弹出筒前工作结束，其尾焰被约束在发射筒内，因此对载机安全性无影响。

应用fluent软件，对续航发动机尾流场进行建模仿真[14-15]，其射流方向温度分布曲线见图6。后喷燃气的能量主要集中在轴线附近，温度和速度沿径向衰减很快。以温度1 800 K判断火焰长度，则该稳态流场的火焰长度约为0.6 m，半径方向最大影响范围约0.3 m。续航发动机点火时刻，导弹飞离载机机头距离大于2 m，因此续航发动机尾焰对载机飞行安全性无影响。

4.2 发动机后喷物影响分析

发射发动机后喷物主要来自易碎喷堵及衬管碳布碎片等，其最大重量小于0.1 g，且发射发动机在导弹出筒前工作结束，因此其后喷物对载机安全性无影响。

续航发动机点火时刻导弹已飞离载机一定距离，因此也不会给载机安全性带来影响。

5 结论

文中根据直升机载平台约束和光纤制导导弹作战使用特点，详细分析了直升机载光纤制导导弹机弹相容性，得出结论如下：

a)机载端固定不动、弹载端单端释放的光纤放线方案原理可行，适用于直升机载光纤制导导弹筒式发射方式；

b)在发射扰动、载机旋翼下洗流等约束条件下，导弹初始段飞行正常，导弹运动轨迹不与载机发生干涉，不影响载机飞行安全性；

c)导弹飞行过程中，制导光纤下降速度缓慢，不与载机旋翼发生干涉；

d)发动机尾焰及尾喷物对载机安全性无影响。

文中的研究对于直升机载光纤制导导弹工程研制具有一定参考价值。