导弹外部挂飞振动环境影响因素分析研究

王亮 蔡毅鹏 周剑波 王毅 王丽华

导弹外部挂飞振动环境影响因素分析研究

王亮 蔡毅鹏 周剑波 王毅 王丽华

(中国运载火箭技术研究院，北京，100076)

本文利用实测数据，详细分析了挂飞振动环境的各影响量。首先，分析了挂飞振动环境激励的来源；其次，利用实测数据详细分析了挂飞环境影响的因素，及振动环境与这些因素的关系。通过分析发现，挂飞高频振动环境与飞行动压、马赫数、以及导弹外形呈一定的关系，挂飞低频振动环境与机翼挂弹后动力学特性相关。

振动；动压；马赫数；结构动力学

0 引言

空地导弹从出厂到发射后飞向目标的整个寿命期内，需要经历地面搬运、转载、运输、贮存以及在大气中飞行时，要经历各种自然环境、力学环境、热环境和电磁环境的单独或综合作用，承受不同的力和应力。这些环境的作用必然使武器装备的材料和结构受到影响，能导致电子元器件和设备功能失常或性能下降，不能正常地发挥作用，影响其作战效能。为了使导弹能够适应这些环境，承受住这些力和应力作用，必须对导弹和组成导弹的零、部件及其内部的控制系统仪器、设备，进行精心的设计和试验。

根据导弹的使用特点，挂飞工况是一个重要的使用剖面，导弹对挂飞振动环境的适应性是后续自由飞行攻击目标的必要条件，直接关系到飞行的成败。针对挂飞振动环境的适应性，分析其影响因素，制定相关的环境试验考核方案和量化条件，通过大型地面力学环境试验进行考核和验证显得非常必要和重要。

针对挂飞振动环境的试验技术，学者们开展了一定的研究工作。苏华昌[1]通过设计专用结构支撑件来模拟挂飞边界，基于传递特性预估试验推力，并通过预试验制定合理控制方案，最后通过多点多轴激励进行试验考核，取得了很好的效果。李根成和姜同敏[2]通过分析导弹周围的气动扰流特性，并引用国内外空空导弹的挂飞振动实测数据，指出了GJB899 中对整弹挂飞振动要求的不合理之处。并建议整弹可靠性试验中的挂飞振动应采用20～2000 Hz 的宽带随机振动，且导弹头部振动量级应比导弹尾部的振动量级低3～6 dB，这样才能真实地模拟气动扰流引起的振动效应。实践表明，采用该研究成果的实验室试验结果与空中挂飞试验结果相近。郭迅，郭强岭[3]通过对空空导弹寿命期内经历的振动环境进行分析，针对运输、挂机飞行以及自由飞行状态下振动产生的主要诱因，结合相关标准及国外相关测试数据，初步提出了针对空空导弹的试验条件与试验方法，为相关设计人员提供了参考。张江涛[4]根据直升机外挂设备挂飞振动环境的特点和相关标准，提出将各型直升机的正弦频点叠加至同一随机谱型中，并结合现有振动控制仪能力，提出宽带随机叠加正弦扫频的综合振动频谱考核方法。魏英魁[5]采用理论计算与有限元建模计算分析的方法，分析比较不同激励方式对导弹吊耳载荷响应效果的影响。李阳[6]针对某型机挂载吊舱试飞时出现的异常振动现象，采用计算流体力学和试验数据分析相结合的方法，分析了该现象产生的原因。刘未学[7]探讨了挂飞的可靠性试验、性能试验及作为辅助试验的方法。

针对挂飞振动环境试验条件的制定，国内学者也进行了相应的研究[8]，国军标和美军标均给出了相应的制定方法[9-10]，其中给出的内部仪器和舱段的振动环境条件计算公式，计算方法考虑了导弹挂架的形式、导弹气动布局形式、飞行参数和导弹外形及质量参数的影响。

综上所述，学术界对飞行器挂飞振动环境试验技术研究较多，而对挂飞振动环境的影响研究较少。一方面，挂飞振动环境研究是挂飞振动环境试验条件制定的基础，另一方面军标中的振动环境试验条件制定方法为统计已有飞行器实测数据而得，对后续飞行器适应性性如何无法判断。因此，需要根据实测数据，结合飞行器挂飞特性，综合分析各种因素对导弹挂飞环境的影响，是非常必要的工作。本文利用实测数据，详细分析了挂飞振动环境的各影响量，为振动环境设计提供了有力的证据。

1 挂飞振动环境激励来源分析

结合导弹挂飞环境剖面，通过分析，导弹挂飞过程中经受的振动主要来源于以下三个方面：a）喷气发动机噪声。发动机噪声是喷气发动机排气羽流的边界上湍流产生的。这种湍流在起飞开始阶段最大，这时喷气与周围空气的速度差最大。对于挂载导弹的飞机使用常规喷气发动机或低涵道比喷气发动机的情况，这类振源非常重要，因为这些发动机的排气速度非常高。进一步讲，这类振源在高频部分很重要，因为低频部分主要来自以下b）和c）分析的几个振源。b）导弹外部气动湍流。导弹振动主要由分布在导弹表面的气动湍流引起，对于单个导弹，激励与载机和在载机上的安装位置的关系相对不大。同一飞机局部的湍流在飞机和导弹之间变化很大，例如挂架的尾流。一般情况下，这类湍流对整个导弹的振动影响不大，但是它们可能对局部结构（如空气舵）有严重影响，必然会增大导弹的振动量级。另外，振动激励受导弹技术状态、结构形式、质量密度和飞行动压的影响。这种环境的振动的高频最好使用机械振动和声综合来模拟，低频和中频部分用机械激励来模拟。c）载机的振动是通过结构传递到导弹上的。整个振动系统（飞机和导弹）是低频振动系统，系统的最低固有频率一般低于20Hz，将导弹与飞机振动的高频部分隔离。

2 振动量级影响分析

本小节分别对导弹挂飞中高频和低频振动环境的影响因素进行了分析，其中包括了影响因素和全弹各部位振动环境的差异特点。

2.1 中高频振动

导弹挂飞过程中，导弹结构的中高频振动量级主要受到第1节中的b）影响，其与挂飞的飞行参数相关，如飞行高度、飞行动压和飞行马赫数。

a）导弹同一部位的振动量级与飞行参数的关系密切

在载机挂导弹飞行过程中，在载机带弹爬升、平飞、下降段，导弹弹头中某一法向振动测点均方根值与载机飞行动压对比曲线分别如图1~图3所示。其中，振动测点测量频带为20Hz~2000Hz。从图上可以发现，导弹同一部位的振动量级与飞行动压和马赫数的变化趋势较为一致，尤其在平飞段，振动总均方根与飞行动压的变化趋势基本一致，但在低空飞行段，如爬升段和下降段，振动总均方根与飞行动压和马赫数的变化趋势存在差异。

经分析，导弹在外部挂飞过程中，其前端结构的振动激励来源主要为外部气流脉动，可以通过气动噪声进行衡量，其量级与气流脉动压力系数和飞行动压乘积相关，其中前者与飞行马赫数、结构气动外形（如锥角和表面粗糙度等）和飞行攻角相关，其中，对于平飞巡航工况，其飞行的攻角较小，该参数的影响在该处忽略，因此挂飞飞行参数对导弹结构中高频响应的影响是综合飞行马赫数、结构气动外形和飞行动压决定的。由于在平飞段，载机飞行马赫数和飞行攻角相差较小，此时的脉动压力系数基本相当，导致外噪声量级与飞行动压近似成线性变化规律，因此振动量级与飞行动压关系呈现出类似线性变化的趋势；而对于上升段和下降段，载机飞行马赫数相差较大，导致脉动压力系数相差较大，外噪声量级与飞行动压不存在类似线性的关系，从而导致导弹结构的振动量级与飞行动压和马赫数的变化趋势均存在差异。

b）导弹各部位在同一飞行时刻的振动量级沿弹体轴向存在一定差异

对比导弹从头部到尾部的三个振动测点的响应值曲线，见图4，其中各测点均为20Hz~2000Hz，测量频带的振动传感器。可以发现导弹从头部到尾部在同一时刻响应逐渐增大，分析发现可能是由于导弹中部结构靠近导弹发射架，该位置的振动响应一方面受到导弹发射架与导弹间的气流干扰的影响，另一方面受到载机机翼的中高频振动的影响，因此其响应整体强于导弹头部，另外较导弹中部结构，导弹尾部结构受到导弹发射架的尾流的影响，其对导弹的空气舵产生较大的激励作用，造成该部位响应较中部稍大，而对于同一外形的导弹发射架，其尾流影响作用的大小与载机飞行参数相关。因此，在挂飞的同一时刻，全弹结构的响应从前至后是有增加的趋势。

c）导弹振动量级受载机发动机噪声影响较小

载机挂载导弹起飞前，在地面进行测试，测试时飞机发动机以快车启动，此时导弹的振动源为载机发动机噪声，实测响应总均方根值时域历程见图5，最大值不到0.1g，因此载机发动机噪声对于挂飞导弹的影响较小，可以不考虑其影响。

图1 载机带弹爬升段导弹前段振动与动压关系对比图

图2 载机带弹平飞段导弹前段振动与动压关系对比图

图3 载机带弹下降段导弹前段振动与动压关系对比图

图4 弹各部位在同一飞行时刻的振动量

图5 地面快车启动测试模飞的时间历程曲线

综上所述，可以得出导弹中高频振动主要是受载机飞行带来的气动噪声影响。

2.2 低频振动

从1.1节的c）分析可以看出导弹挂飞过程中的低频振动主要与载机机翼的振动环境有关，后者的振动通过挂架传递到导弹上。

惯组加表时间历程以及典型时段的功率谱密度曲线如图6所示。从图上可以发现，在各测点均在5Hz、15Hz、25Hz处均存在能量较大的谐振峰，根据导弹全弹模态计算和试验结果，该频率均不是全弹模态，另外由于导弹发射架刚度较大，因此分析该3个频率为机翼挂弹后的模态频率，这也由载机挂弹的全机地面共振试验（GVT）结果验证。

图6 y向加表时间和功率谱密度曲线历程

3 结论

本文利用实测数据，详细分析了挂飞振动环境的各影响量。通过分析，可以得到以下结论：1）导弹同一部位的振动量级与飞行参数的关系密切；2）导弹各部位在同一飞行时刻的振动量级沿弹体轴向存在一定差异；3）导弹的振动量级受载机发动机噪声影响较小；4）导弹低频振动量级的变化趋势与载机机翼特性关系较大。通过研究，综合导弹挂飞实测数据和挂飞特性，梳理了各影响参数对挂飞振动环境的影响，分析了导弹挂飞振动环境随时间和空间分布的特点，为导弹挂飞振动环境的设计提供了有力参考。

[1] 苏华昌, 张鹏飞, 于亮. 外挂设备挂飞振动试验技术研究[J]. 强度与环境, 2017, 44(6): 23-30.[SU Huachang, ZHANG Pengfei, YU Liang. Study on captive flight vibration test technology of external store[J]. Structure & Environment Engineering, 2017, 44(6): 23-30.]

[2] 李根成, 姜同敏, 陈卫东. 空空导弹可靠性试验振动应力研究[J].振动、测试与诊断, 2007, 27(1): 36-39. [Li Gencheng, Jiang Tongmin, Chen Weidong. Research on Vibration of Air-to-Air Missile in Reliability Test[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis. 2007,27(1):36-39.]

[3] 郭迅, 郭强岭. 空空导弹振动试验条件分析[J]. 装备环境工程, 2012, 9(3): 99-103. [GUO Xun, GUO Qiang-ling. Analysis of Vibration Test Condition of Air-to-air Missile[J]. Equipment Environmental Engineering. 2012, 9(3):99-103.]

[4] 张江涛. 适应多型直升机的外挂设备挂飞耐久寿命考核方法探讨[J].装备环境工程, 2014, 11(4): 54-57. [ZHANG Jiang-tao. Discussion on Helicopter-carrier Equipment Needs to Equiped Different Helicopter Captive Flight Duration Life Evaluation[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014,11(4): 54-57. ]

[5] 魏英魁, 张晓颖. 机载战术导弹挂飞环境地面振动试验方案研究[J]. 装备环境工程, 2018, 15(1): 70-73. [WEI Ying-kui, ZHANG Xiao-ying. Experimental Research on Ground Vibration Test of Airborne Tactical Missile in Hanging Flight Environment. Equipment Environmental Engineering. 2018, 15(1): 70-73.]

[6] 李阳, 雷鸣. 吊舱异常振动问题分析[J]. 现代机械, 2017(6): 25-28. [LI Yang, LEI Ming. Analysis of abnormal vibration of pods[J]. Modern Machinery, 2017(6): 25-28.]

[7] 刘未学. 空空导弹飞行试验挂飞问题探讨[J]. 航空兵器, 1996(1): 21-24.

[8] 郭强岭, 李立名. 空空导弹挂飞振动试验条件探讨[J]. 航空兵器, 2003(6): 21-23.

[9] GJB150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》[S].

[10] MIL-STD-810G. Environmental engineering considerations and laboratory tests[S].

The Influence Factors of the Aerial Embarkation Flight Vibration Environment of the Missile

WANG Liang CAI Yi-peng ZHOU Jian-bo Wang Yi Wang Li-hua

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

According to the test data, the influence factors of the aerial embarkation flight vibration environment of the aircraft is investigated. Firstly, the exciting sources of the aerial embarkation flight vibration environment are analyzed. Secondly, the relationship of the sources to the vibration environment is studied. It is found that the high frequency vibration has relationship to fly dynamic pressure, Mach number and the figure of the missile and the low frequency vibration has relationship to dynamic of the wing.

vibration; dynamic pressure; Mach number; structure dynamic

V414.3+3

A

1006-3919(2020)02-0032-04

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2020.02.005

2019-11-08；

2020-01-19

国防基础科研项目(JCKY2016203B032)

王亮（1985－），男，高工，研究方向：高超声速飞行器总体设计；（100076）北京9200信箱1分箱-1总体二室.