劉凱

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽(yáng)471009)

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)條件制定方法研究

劉凱

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南洛陽(yáng)471009)

目的基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析和研究空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)環(huán)境,討論并建議空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)試驗(yàn)條件制定方法。方法針對(duì)空空導(dǎo)彈振動(dòng)數(shù)據(jù)的特殊性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。結(jié)果實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理得到空空導(dǎo)彈每個(gè)區(qū)域的振動(dòng)響應(yīng)譜,通過(guò)地面試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)仿真分析修訂得出地面試驗(yàn)譜。結(jié)論要制定一個(gè)合理的空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)試驗(yàn)條件,必須基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,并建立在適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)實(shí)施條件下。

自由飛振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);統(tǒng)計(jì)歸納;容差上限;振動(dòng)試驗(yàn)條件振動(dòng)

GJB 150—86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》是目前 空空導(dǎo)彈振動(dòng)試驗(yàn)主要依據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),鑒于當(dāng)前空空導(dǎo)彈振動(dòng)試驗(yàn)的狀況和通用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的性質(zhì),按GJB 150—86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》進(jìn)行的振動(dòng)試驗(yàn)不可能精確模擬實(shí)際試件的使用環(huán)境條件。它只能偏保守地反映使用環(huán)境的主要特征或損壞能力,尤其對(duì)于空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)試驗(yàn)條件。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得出的條件和實(shí)測(cè)差異很大[1]。因此為降低通用振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的不確定性,途徑之一就是開(kāi)展實(shí)測(cè)工作,更細(xì)致、更合理地劃分產(chǎn)品類(lèi)型、安裝區(qū)域及數(shù)據(jù)采集和歸納中所用的狀態(tài),利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)歸納地面試驗(yàn)條件。

大量的振動(dòng)測(cè)量、分析結(jié)果只有通過(guò)恰當(dāng)?shù)臍w納處理才能反映一類(lèi)或一種產(chǎn)品的綜合振動(dòng)特性,并在一定的理論基礎(chǔ)上規(guī)定出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)目前有關(guān)測(cè)振數(shù)據(jù)歸納的標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 87—84《飛機(jī)飛行振動(dòng)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)的歸納方法》和GB/T 10593.3—90《電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測(cè)量方法振動(dòng)數(shù)據(jù)處理和歸納方法》[2—3],采用的是極值包絡(luò)法,沒(méi)有根據(jù)數(shù)據(jù)樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)分布特性進(jìn)行統(tǒng)一處理,即按一定的置信度和包含數(shù)據(jù)百分位點(diǎn)來(lái)統(tǒng)計(jì)環(huán)境數(shù)據(jù)。2000年實(shí)施的GJB/Z 126—99《振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)歸納方法》提出的統(tǒng)計(jì)容差法是振動(dòng)數(shù)據(jù)歸納從傳統(tǒng)的上限包絡(luò)到用統(tǒng)計(jì)概念進(jìn)行歸納的飛躍[4—5],是目前主要依據(jù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

空空導(dǎo)彈作為一種特殊的產(chǎn)品,它的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和空中全自由狀態(tài)大馬赫飛行特點(diǎn)決定了空空導(dǎo)彈振動(dòng)的特殊性。振動(dòng)環(huán)境對(duì)空空導(dǎo)彈的性能以至安全的影響是決定性的,尤其是高性能、高可靠性空空導(dǎo)彈的研制更是需要對(duì)其飛行環(huán)境進(jìn)行精確預(yù)示。文中通過(guò)分析空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),給出較為合理、便于實(shí)現(xiàn)的地面試驗(yàn)條件處理方法。

1.1 空空導(dǎo)彈自由飛實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)

空空導(dǎo)彈命中目標(biāo)后將發(fā)生爆炸或墜毀,試驗(yàn)成本巨大,實(shí)測(cè)工作一般在科研階段隨著科研試驗(yàn)一起進(jìn)行,數(shù)據(jù)通過(guò)地面遙測(cè)獲取?？湛諏?dǎo)彈是由多個(gè)艙段組成的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體,在發(fā)射后自由飛行,導(dǎo)彈振動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)助推器的噪聲和氣動(dòng)噪聲引起。實(shí)測(cè)表明,發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)空空導(dǎo)彈振動(dòng)影響很小,氣動(dòng)載荷是空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)的主要環(huán)境誘因,且每個(gè)艙段因自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)各異,振動(dòng)都有所不同[6]。氣動(dòng)載荷是由氣流繞彈體流動(dòng),在彈體表面上出現(xiàn)吸力和壓力而產(chǎn)生的,氣動(dòng)載荷的大小和飛行高度、速度、機(jī)動(dòng)過(guò)載有關(guān),但在超聲速狀態(tài)下導(dǎo)彈振動(dòng)大小與飛行狀態(tài)的關(guān)系,GJB 150中規(guī)定的振動(dòng)計(jì)算公式已不適用。經(jīng)過(guò)對(duì)目前獲取的空空導(dǎo)彈自由飛振動(dòng)數(shù)據(jù)和飛行狀態(tài)分析,導(dǎo)彈橫向和縱向過(guò)載變化引起的振動(dòng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)彈在大動(dòng)壓下的振動(dòng),這也說(shuō)明了氣動(dòng)載荷突變對(duì)導(dǎo)彈振動(dòng)影響很大[7]。目前尚無(wú)成熟技術(shù)可以定量分析基本的氣動(dòng)噪聲源[8],統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)高頻振動(dòng)預(yù)示結(jié)果誤差較大[9],只有對(duì)實(shí)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行科學(xué)的劃分和處理,才能精確預(yù)示空空導(dǎo)彈的自由飛振動(dòng)環(huán)境。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

在獲取有效振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后,首先對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)和飛參數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,以得到正確、有用、可以直接進(jìn)行信號(hào)處理的數(shù)據(jù),其次按以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1)導(dǎo)彈飛行狀態(tài)劃分?？湛諏?dǎo)彈自由飛數(shù)據(jù)一般持續(xù)時(shí)間很短,只有十多秒至幾十秒左右,其中主要包括發(fā)射沖擊(暫不討論)、平穩(wěn)飛行和預(yù)靶段等3個(gè)過(guò)程。為了獲得精確的處理結(jié)果,需要根據(jù)多個(gè)飛行參數(shù)對(duì)導(dǎo)彈整個(gè)飛行過(guò)程進(jìn)行細(xì)分,可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、飛行高度、速度、過(guò)載等參數(shù)劃分。盡量保證分段后的隨機(jī)數(shù)據(jù)近似平穩(wěn),然后計(jì)算每段隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)的自功率譜密度。

2)平穩(wěn)數(shù)據(jù)處理。為保證統(tǒng)計(jì)精度,功率譜計(jì)算的統(tǒng)計(jì)自由度取120,重疊率為50%,頻率分辨率為2 Hz?？紤]到空空導(dǎo)彈數(shù)據(jù)長(zhǎng)度比較短,很多情況下不能滿(mǎn)足以上計(jì)算要求,可對(duì)多次測(cè)試局部平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度估算結(jié)果進(jìn)行平均作為最終結(jié)果[10]。對(duì)選定處理的數(shù)據(jù)段,進(jìn)行子樣劃分am(n),其中m=1,2,3,…,q,n=1,2,3,…,NFFT。

對(duì)每個(gè)子樣加漢寧窗,計(jì)算每個(gè)子樣的頻譜Xm(k):

計(jì)算每個(gè)子樣的自功率譜密度Gm(k),并由漢寧窗系數(shù)進(jìn)行修正。

修正后的結(jié)果為:

3)非平穩(wěn)數(shù)據(jù)處理。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)功率譜密度處理基于平穩(wěn)數(shù)據(jù),非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)是由時(shí)變的隨機(jī)激勵(lì)產(chǎn)生的,在空空導(dǎo)彈飛行過(guò)載變化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)短時(shí)非穩(wěn)態(tài)振動(dòng),從計(jì)算方法來(lái)看,非穩(wěn)態(tài)信號(hào)用時(shí)變自譜分析和最大譜包絡(luò)處理[11],最大譜對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境提供了一個(gè)保守的評(píng)估。處理結(jié)果中的每個(gè)頻率上的非穩(wěn)態(tài)最大值只是瞬時(shí)出現(xiàn)的,由于結(jié)構(gòu)和設(shè)備的破壞機(jī)理通常和動(dòng)態(tài)載荷的持續(xù)時(shí)間以及它的整體譜值分布有關(guān),因此空空導(dǎo)彈非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)刻非常短。非穩(wěn)態(tài)激勵(lì)產(chǎn)生的頻響類(lèi)似于沖擊響應(yīng),目前存在非平穩(wěn)振動(dòng)和平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的損傷效應(yīng)差異問(wèn)題,需進(jìn)一步研究并慎重使用。

4)一定狀態(tài)下同一測(cè)點(diǎn)多個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的歸納。一般一定狀態(tài)、同一測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也是隨機(jī)的。因此,原則上應(yīng)用多個(gè)彈道測(cè)出一定狀態(tài)下同一點(diǎn)的多個(gè)數(shù)據(jù),然后作統(tǒng)計(jì)估計(jì)。估計(jì)方法如下:設(shè)一定狀態(tài)下同一測(cè)點(diǎn)(同一測(cè)量方向)擁有K個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù),按相同頻率,其量值(譜密度值)分別為A1,A2,…,AK,則取:

根據(jù)置信系數(shù)1-a得到均值置信上限值為:

式中:1-a為規(guī)定的置信系數(shù),取a=0.1;tK-1,a/2為按自由度K-1及a/2值自t分布上查出的值。在不同離散頻率fn處都可以得到相應(yīng)的Au1-a值,這些離散點(diǎn)連成的新譜線(xiàn)形成該測(cè)點(diǎn)的單一振動(dòng)數(shù)據(jù)。

5)一定狀態(tài)下,同一安裝區(qū)域多個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)歸納?？湛諏?dǎo)彈在每個(gè)區(qū)域中一般都有多個(gè)測(cè)點(diǎn),為了給出該區(qū)域的地面試驗(yàn)條件,建議采用包線(xiàn)方法進(jìn)行歸納,因?yàn)榭湛諏?dǎo)彈地面試驗(yàn)條件必須能反映該區(qū)域中的最嚴(yán)酷振動(dòng)。例如在一定狀態(tài)下M個(gè)測(cè)點(diǎn)得到M條單一振動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn),畫(huà)于同一張圖上,然后根據(jù)包圍絕大部分?jǐn)?shù)據(jù),僅摒棄少數(shù)突出數(shù)據(jù)點(diǎn)的原則,劃分出4個(gè)不同的頻段,分別連出相應(yīng)的常值包線(xiàn),如圖1所示。必須綜合考慮并選擇劃分這4個(gè)頻段,其他狀態(tài)的頻段劃分盡量與此保持一致。圖1中分別為這4個(gè)頻段的包線(xiàn)值。

圖1 第q(共q=1,2,…,i個(gè)狀態(tài))個(gè)狀態(tài)、m個(gè)測(cè)點(diǎn)的單一振動(dòng)數(shù)據(jù)Fig.1 Single vibration data for the m points in q(q=1,2,…, i state)state

6)相同頻段、所有狀態(tài)的數(shù)據(jù)歸納。例如,共劃分了i個(gè)狀態(tài),分析第y頻段(f1,f2),得到i個(gè)常值包線(xiàn)值,其中狀態(tài)Q對(duì)應(yīng)的包線(xiàn)值最大。按峰值準(zhǔn)則,處理結(jié)果量值A(chǔ)1Q取為:

依次得到4個(gè)頻段的最大包線(xiàn)值,即為處理結(jié)果量值(y=1,2,3,4)。

7)同一區(qū)域所有頻段的數(shù)據(jù)綜合。最后將所有頻段歸納結(jié)果合在一起得到振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所要求的振動(dòng)譜形。如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)綜合譜Fig.2 Comprehensive spectral data

8)規(guī)范譜型。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)有國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn),采用平譜、梯形譜或折線(xiàn)譜來(lái)規(guī)范上述數(shù)據(jù)綜合結(jié)果。對(duì)于頻率在(f1,f2)之間的升譜,若用n分貝/倍頻程表示,則有:

式中:G(f)為頻率f對(duì)應(yīng)的譜密度值,G1和G2分別為對(duì)應(yīng)于頻率f1和f2的譜密度值。

2 地面試驗(yàn)條件制定方法

2.1 艙段級(jí)產(chǎn)品地面試驗(yàn)條件制定

在統(tǒng)計(jì)歸納結(jié)果的基礎(chǔ)上,得到了每一個(gè)區(qū)域的空中振動(dòng)譜型,結(jié)合測(cè)點(diǎn)位置設(shè)計(jì)艙段振動(dòng)試驗(yàn)條件。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果是導(dǎo)彈內(nèi)部響應(yīng)結(jié)果,若依此來(lái)制定系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品地面環(huán)境試驗(yàn)條件,需要進(jìn)行試驗(yàn)控制點(diǎn)譜型擬合和反推。如果飛行實(shí)測(cè)點(diǎn)為艙段連接處的內(nèi)部結(jié)構(gòu),內(nèi)外相差不大,可以認(rèn)為空中實(shí)測(cè)譜就是地面試驗(yàn)外加的振動(dòng)譜。若測(cè)點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與艙段外控制點(diǎn)安裝位置結(jié)構(gòu)差異較大,則需要在地面進(jìn)行試驗(yàn)摸底,對(duì)比彈內(nèi)外響應(yīng)差異,結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真分析修正地面試驗(yàn)譜[12—13],使內(nèi)部測(cè)點(diǎn)響應(yīng)盡量接近空中實(shí)測(cè)譜。

2.2 全彈地面試驗(yàn)條件制定方法建議

要完全考核產(chǎn)品性能,降低飛行風(fēng)險(xiǎn),最簡(jiǎn)單的辦法就是全彈地面試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品關(guān)鍵點(diǎn)響應(yīng)譜型完全包絡(luò)實(shí)測(cè)譜型。地面全彈試驗(yàn)邊界約束和激勵(lì)不可能完全模擬空中狀態(tài),且不可能制定出一個(gè)系統(tǒng)級(jí)地面環(huán)境試驗(yàn)譜,使導(dǎo)彈內(nèi)部所有測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)譜同時(shí)覆蓋空中實(shí)測(cè)情況。如果要完全考核導(dǎo)彈頭尾,勢(shì)必造成其它部位嚴(yán)重過(guò)試驗(yàn)。若對(duì)試驗(yàn)方法和條件不能及時(shí)改進(jìn),將無(wú)法完全考核導(dǎo)彈性能,會(huì)大大增加導(dǎo)彈使用風(fēng)險(xiǎn),而有的部件嚴(yán)重過(guò)試驗(yàn)會(huì)損壞產(chǎn)品、浪費(fèi)資源和增加研發(fā)成本?，F(xiàn)有的較成熟試驗(yàn)手段是進(jìn)行雙臺(tái)或多臺(tái)激振[14—15],同時(shí)對(duì)導(dǎo)彈頭部和尾部用各自地面試驗(yàn)條件進(jìn)行?；诖嗽囼?yàn)方法制定的條件也不能完全解決導(dǎo)彈天地一致性問(wèn)題,僅適用于考核艙段間性能匹配、功能完整性,同時(shí)起到統(tǒng)一設(shè)計(jì)要求、質(zhì)量控制、生產(chǎn)管理及產(chǎn)品驗(yàn)收的作用。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可見(jiàn),要制定一個(gè)合理先進(jìn)的振動(dòng)試驗(yàn)條件,所采用的數(shù)據(jù)歸納方法必須從具體情況出發(fā),綜合吸收各種歸納方法的優(yōu)點(diǎn),并建立在適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)實(shí)施條件下。由于國(guó)內(nèi)空空導(dǎo)彈實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本很少,特別是導(dǎo)彈自由飛實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更少,獲取數(shù)據(jù)的成本很大。因此目前建議做法是在產(chǎn)品地面振動(dòng)試驗(yàn)(包括艙段和全彈)中測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的地面試驗(yàn)響應(yīng)譜,在取得空中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后,將空中數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納處理,最后將同一測(cè)點(diǎn)的地面試驗(yàn)響應(yīng)譜和空中響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。若每個(gè)測(cè)點(diǎn)的地面響應(yīng)譜均能包絡(luò)空中實(shí)測(cè)結(jié)果,則認(rèn)為地面試驗(yàn)是充分的;若某個(gè)測(cè)點(diǎn)某些頻帶無(wú)法包絡(luò)空中實(shí)測(cè)結(jié)果,則根據(jù)具體情況進(jìn)行分析,必要時(shí)對(duì)艙段級(jí)地面試驗(yàn)條件進(jìn)行適當(dāng)修訂并驗(yàn)證,直至包絡(luò)空中實(shí)測(cè)結(jié)果。

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Study on the Method of Making Free Flight Vibration Profile for Air-to-air Missile Based on Measured Data

LIU Kai
(China Airborne missile academy,Luoyang 471009,China)

Objective To analyze and study the free flight vibration environment of air-to-air missile based on the measured data,and to discuss and recommend the formulation method of free flight vibration test condition for air-to-air missile. Methods The data was processed and analyzed considering the particularity of vibration data of air-to-air missile.Results The spectra of vibration response of air-to-air missile in each area were obtained after processing of the measured data,and the ground test profile was obtained through the ground test and dynamic simulation analysis and revision.Conclusion To formulate a reasonable free flight vibration test condition for air-to-air missile,the analysis should be based on the measured data,under the condition of appropriate vibration implementation.

measured data of free flight vibration;statistic induction;tolerance limit;vibration test condition profile

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.022

TJ760.6

:A

1672-9242(2014)05-0114-05

2014-07-11;

2014-08-22

Received:2014-07-11;Revised:2014-08-22

劉凱(1983—),男,咸陽(yáng)人,工程師,主要研究方向?yàn)榭湛諏?dǎo)彈振動(dòng)環(huán)境預(yù)示。

Biography:LIU Kai(1983—),Male,from Xianyang,Engineer,Research focus:vibration environment prediction for air-to-air missile.