巡航式飞行器试验地面目标安全性分析

王大志，孙贵新

(91550 部队42 分队，辽宁大连，116023)

0 引言

飞行器试验时可能因为各种意外发生故障坠毁，试验会对地面目标构成安全威胁。为了保护地面目标安全，选择试验航路时应尽量避开地面目标，划定试验航区作为安全边界，在飞行器上安装主动和被动安控自毁系统，当飞行器故障时将其自毁，避免飞出航区。

巡航式飞行器一般采用涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机或冲压发动机进行亚音速巡航飞行。纵然超音速飞行是对飞行器性能的重要意义，但亚音速仍有不可替代的优点，如省油、超长距离巡航、噪音小及对飞行器结构强度要求低等特点。亚音速飞行在飞行器巡航中具有不可替代的重要作用，是一种低速飞行器[1]。亚音速巡航式飞行器安控自毁主要采用打下舵坠落地面飞行控制[2]，舵系统控制飞行器以最大角度向地面俯冲坠毁。本文将讨论亚音速巡航式飞行器试验时地面目标所受到安全威胁问题。

1 安全管道设置

在飞行器试验中，一般沿飞行航迹设定安控系统的告警线、必炸线，做为飞行试验安全管道[3]。在飞行器触及必炸线时将飞行器自毁，飞行器落点将在自毁点附近散布，设其最大散布距离为R，连接必炸线外部这些最大散布点围成的区域构成飞行器试验航区安全边界，如图1 所示。

图1 地面目标保护示意图

当飞行器故障时，如果处于必炸内，安控系统不采取措施，存在故障飞行器直接落入必炸线内目标的可能性；如果目标处于必炸线和安全边界之间，安控系统对飞行器自毁时，存在飞行器自毁后的落入目标的可能性；如果目标处于安全边界以外，只有在安控系统失效的情况下才会有飞行器落入目标[4]。

2 飞行器飞行试验故障模式

在进行飞行器飞行试验安全性分析工作中，考虑飞行器飞行可靠度，在飞行器发生故障时，可能对地面目标造成安全威胁，飞行器故障概率Pg=1-Pf。可将飞行器故障模式分为三类：一、有控偏航故障，制导系统异常，动力、控制系统正常；二、有控无偏故障，动力系统异常，制导、控制系统正常；三失控故障，控制系统异常。如图2 所示。

图2 飞行器飞行故障概率分配图

3 目标受威胁概率分析

飞行器飞行故障概率是飞行器在标准航程L时的故障概率，对于非标准航程中的飞行器试验，当试验航程为Ls时，可将飞行器发生故障的概率折合到标准航程中，即飞行器在试验中失效概率符合如下关系：

以下按飞行器故障模式分析对目标的威胁概率。

3.1 有控无偏故障

飞行器在有控无偏故障时沿航迹飞行而发生故障坠落，假设飞行器发生故障后落点散布是以故障点O为中心，以R为半径的半圆，如图3 所示。故障点O在航迹上，落点散布半圆以O为中心，沿航迹轴对称。

图3 飞行器有控无偏故障落点散布示意图

R为飞行器故障落点的最大散布距离，与飞行器飞行的相对高度（飞行器距地面高度）相关，如图 4 所示。

图4 飞行高度与自毁距离关系示意图

式中：φ2、φ1为目标在坠落点XOZ 坐标系下方位角积分上下限，r2、r1为为目标在坠落点XOZ 坐标系下距离积分上下限。g(r)为坠落时飞行器落点在距离r上的概率密度函数，f(φ)为坠落时飞行器落点在方位φ上的概率密度函数。

飞行器飞行试验有控无偏故障对目标威胁概率为：

飞行器有控无偏故障对安全边界内目标构成威胁，不会对安全边界外目标构成威胁。

3.2 失控坠落故障

飞行器榆.基于单比特和近似正常在告警线内飞行，在发生失控坠落故障时因失控而迅速坠毁落地。飞行器在触及必炸线前安控系统一般不采取措施，因此，假设飞行器失控坠落故障时落点在必炸线内平均分布。假设目标为沿航迹的正方形，边长为d，则飞行器失控坠落故障对目标威胁概率为：

式中D必炸线为平均宽度，L为飞行器标准航程。

飞行器失控坠落故障对必炸线内目标构成威胁，不会对必炸线外目标构成威胁。

3.3 有控偏航故障

飞行器有控偏航故障，可能对标准航程L内的任意目标造成威胁，设目标为边长d的正方形，则目标所受威胁概率为：

在飞行器有控偏航故障时，会因触碰必炸线实施安控而坠落而对必炸线和安全边界之间的目标构成威胁，实施安控时飞行器落点在距离上符合有控无偏故障落点在距离上的散布，即飞行器落点在径向距离R上服从正态分布

假设目标为沿必炸线方向的正方形，其边长为d，在必炸线自毁飞行器时目标在对飞行器的视角有：

式中R为自毁时飞行器与目标距离。

则航程l对应必炸线自毁飞行器对必炸线外、安全边界内目标威胁概率为：

考虑到沿航迹两侧分别设置必炸线，目标受必炸线飞行器自毁的威胁概率为：

对于安全边界外目标，只有安控失效才会对目标真正的构成威胁，其概率为：

式中，P a为安控可靠度(包含飞行器主动安控和地面被动安控)。

因此，有控偏航故障对任意目标的威胁概率为：

3.4 威胁概率

综上，必炸线内目标受威胁概率为：

必炸线外且安全边界内目标受威胁概率为：

安全边界外目标受威胁概率为：

4 计算结果

图5 地面目标示意图

地面目标中，一类目标指县城及人口高度密集地区、重要的军事设施、重要的古迹和旅游景区、生产危险品的大型企业及易燃易爆品存放地、可能产生重大影响的其它设施和地区等；二类目标为一类目标以外的其它目标。在某型飞行器试验中，选取典型的10 个目标需要进行安全性分析。按照这些目标的重要程度将其分为2 个一类目标和8 个二类目标，部分段落目标与安全管道关系如图 5 所示。

按本文所述方法，根据飞行器试验参数取值，试验中目标安全威胁概率计算结果如表1 所示。

表1 目标安全威胁概率信息

5 结束语

本文对亚音速巡航式飞行器试验故障模式进行了分类，详细分析研究了每种故障模式对地面目标的安全威胁，选取典型目标计算了目标安全威胁概率。从理论分析和计算结果上看，目标与安全管道关系直接影响安全威胁结果，航迹点和必炸线附近目标受安全威胁较大；另外，目标面积也是所受安全威胁的重要因素，面积越大，所受威胁越严重。因此，在进行飞行器试验时，试验航区选取尽量避开大型重要设施场地，如果航区选取确实存在困难，应合理规划飞行航路，使航迹点和必炸线远离地面目标。