薛正國, 林嘉軒, 張 元, 童廣德, 謝 兵

(電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200438)

0 引言

近炸引信通過感知并識別目標(biāo)信息(或按裝訂的指令信息),在期望的時(shí)空引爆彈藥,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最佳的毀傷效能。近炸引信的基本特征之一是在彈目交會的不同姿態(tài)下工作,工作時(shí)間極短(毫秒級),其主要性能大多需在動態(tài)過程中測定[1]。

引信動態(tài)仿真試驗(yàn)是模擬實(shí)戰(zhàn)時(shí)彈體與目標(biāo)交會過程的一種試驗(yàn)方法,用于對引信的作用距離、截止距離、盲區(qū)性能、啟動特性和抗干擾性能等核心指標(biāo)進(jìn)行檢測或者驗(yàn)證。目前常用的動態(tài)仿真試驗(yàn)方法有低速滑軌試驗(yàn)、柔性滑軌試驗(yàn)和高速火箭橇試驗(yàn)[2]。低速滑軌試驗(yàn)交會速度慢,需要調(diào)低引信的多普勒通頻帶范圍;柔性滑軌試驗(yàn)存在嚴(yán)重的地面反射干擾問題,使用頻率較低;火箭橇試驗(yàn)?zāi)苣M較為逼真的彈目高速交會過程,獲得的引信啟動特性等信息比較可靠,而且空間交會姿態(tài)和相對速度可以控制。美國自20世紀(jì)60年代就開始將火箭橇試驗(yàn)用于模擬彈目交會過程的引信試驗(yàn),我國則在近十年前開始將火箭橇試驗(yàn)大量用于引信動態(tài)交會模擬試驗(yàn),并在引信的研制中發(fā)揮了巨大的作用。

1 火箭橇試驗(yàn)概述

火箭橇試驗(yàn)是20世紀(jì)下半葉發(fā)展起來的一種試驗(yàn)方法,主要利用大型高精度地面動態(tài)模擬試驗(yàn)設(shè)備,研究航空、航天等國防武器裝備以及民用高新技術(shù)產(chǎn)品在高速度、高加速度運(yùn)行過程中所遇到的一系列技術(shù)問題。試驗(yàn)時(shí),用火箭發(fā)動機(jī)作動力,推動裝載試驗(yàn)件的滑橇沿滑軌高速運(yùn)行,模擬試驗(yàn)件在空中的運(yùn)行狀態(tài),并通過光、電等測試手段對試驗(yàn)件進(jìn)行測試?；鸺猎囼?yàn)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈慣導(dǎo)和控制系統(tǒng)、引信、飛行員彈射救生、空氣動力、降落傘、航空生理、推進(jìn)等系統(tǒng)高速運(yùn)動狀態(tài)下的性能驗(yàn)證。

美國在應(yīng)用火箭橇對武器裝備進(jìn)行試驗(yàn)研究方面起步最早、發(fā)展最快。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),1960年至今,僅霍洛曼火箭橇試驗(yàn)基地就進(jìn)行了500余次試驗(yàn)。在承擔(dān)洲際戰(zhàn)略武器、戰(zhàn)術(shù)武器、載人空天飛行器、運(yùn)載火箭等試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,該試驗(yàn)基地還承擔(dān)了飛機(jī)、艦船等的導(dǎo)航設(shè)備試驗(yàn)。圖1為美國霍洛曼高速試驗(yàn)軌道[3]。

中國的火箭橇試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)起步較晚,1993年6月在湖北襄樊建成了國內(nèi)第一條,也是當(dāng)時(shí)亞洲唯一的火箭橇滑軌[4],結(jié)束了我國多年來一直借用普通鐵路支線做高速地面模擬試驗(yàn)的歷史[5]。中國襄北火箭橇試驗(yàn)軌道如圖2所示。此后,西安、四川、安徽等基地陸續(xù)建設(shè)了多條火箭橇試驗(yàn)軌道。

圖2 中國襄北火箭橇試驗(yàn)軌道

安徽廣德試驗(yàn)場的火箭橇高速彈目交會試驗(yàn),在不改變引信狀態(tài)的前提下,利用多枚火箭推動火箭橇載車,使彈目交會速度達(dá)到真實(shí)速度范圍,可以真實(shí)模擬空中彈目交會狀態(tài),驗(yàn)證引信的啟動特性和啟動區(qū)。目前安徽廣德試驗(yàn)場已具備成熟可靠的引信火箭橇試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理能力,并建立了完備的火箭橇試驗(yàn)安全操作流程?；鸺猎囼?yàn)的開展可減少引信靶場試驗(yàn)和繞飛試驗(yàn)次數(shù),推動近炸引信試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展。

2 火箭橇力學(xué)分析

火箭橇載車在火箭發(fā)動機(jī)的推動下在滑軌上加速運(yùn)動時(shí)[6],主要受火箭發(fā)動機(jī)推力F、空氣阻力Ra、摩擦力Rf和剎車階段水剎阻力fw等作用,如圖3所示。圖中:火箭橇載車質(zhì)量為m1;火箭發(fā)動機(jī)質(zhì)量為m2,其在加速段隨推進(jìn)火箭藥柱燃燒而減小;剎車階段戽斗所受水的阻力為fw;加速段火箭推力作用線到軌面的垂直距離為yt;yG為載車質(zhì)心到軌面垂直距離,適用于全彈道[7]。

圖3 火箭橇試驗(yàn)系統(tǒng)受力示意圖

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律,火箭橇在加速段的運(yùn)動方程為

式中:a為火箭橇加速度。其中,火箭推力F由火箭參數(shù)獲得。

氣動阻力Ra根據(jù)空氣動力學(xué)的阻力公式得到,表達(dá)式為

式中:ρ為空氣密度;A為迎風(fēng)面積;CD為空氣阻力系數(shù);v為運(yùn)動速度。令ρACD/2=K',則有

因?yàn)樵趤喴羲俜秶鷥?nèi),CD近似為常數(shù),所以K'可以視為常數(shù)。按照具體試驗(yàn)方案,分別計(jì)算各零部件的迎風(fēng)面積,并選擇不同CD,求出K'的值,即可得到Ra隨v的變化曲線。

火箭橇的氣動阻力主要由試驗(yàn)件氣動阻力、車體氣動阻力和水剎車斗氣動阻力三部分構(gòu)成。對照同類桁架系列滑車的氣動阻力特征,初步確定該火箭橇的氣動阻力特征數(shù)據(jù),試驗(yàn)件、車體和水剎車斗的迎風(fēng)面積分別為0.069,0.225,0.152 m2。

滑動摩擦阻力的表達(dá)式為

式中:μf是摩擦系數(shù);Q是火箭橇總重量。μf不僅與滑靴的材料和導(dǎo)軌粗糙度有關(guān),而且與滑動速度關(guān)系很大。根據(jù)美國海軍軍械試驗(yàn)站的試驗(yàn)結(jié)果:假設(shè)火箭橇速度為v,當(dāng)0≤v≤30 m/s時(shí),由于運(yùn)動距離很短,滑動摩擦阻力可不考慮;而當(dāng)v＞30m/s時(shí),需考慮滑動摩擦阻力,μf的取值范圍為0.11～0.16,通常μf取0.16。

3 火箭橇彈道設(shè)計(jì)

火箭橇試驗(yàn)系統(tǒng)的火箭橇運(yùn)動彈道分為三部分:第一部分為加速段,載車在火箭發(fā)動機(jī)推力作用下,加速到所需的速度;第二部分為滑行段,火箭停止工作后,載車在空氣阻力及摩擦阻力作用下減速滑行;第三部分為剎車段,載車在水剎車裝置作用下制動。

(1)加速段

加速段,滑車在運(yùn)動方向上主要受三個(gè)力:火箭推力F、空氣阻力Ra和軌道摩擦阻力Rf?；嚨倪\(yùn)動方程見式(1)。對時(shí)間進(jìn)行離散化處理后,得到ti時(shí)刻的各運(yùn)動參量計(jì)算公式為

式中:ai為加速度;Δt為時(shí)間間隔;vi為載車速度;Si為載車運(yùn)行距離;Δm為Δt時(shí)間內(nèi)火箭燃燒減少的質(zhì)量。

(2)滑行段

滑行段從火箭熄火到水剎啟動位置,可視為勻減速段,載車只受空氣阻力和摩擦阻力作用,滿足

(3)剎車段

采用水剎車裝置,剎車段運(yùn)動方程為

式中:K為水阻力系數(shù),一般為0.3～0.5;AB為剎車戽斗浸入水中的截面積。

通過以上數(shù)據(jù)和公式,進(jìn)行數(shù)值仿真即可得到火箭橇的運(yùn)行彈道數(shù)據(jù),也可根據(jù)彈道要求計(jì)算所需的火箭推力和水剎車吃水深度。

4 引信火箭橇試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

模擬引信和目標(biāo)在空中的高速交會狀態(tài),按規(guī)定的試驗(yàn)彈道脫靶條件,將引信放置在火箭橇載車上,目標(biāo)懸掛于軌道上方。為了考核引信多目標(biāo)情況下的啟動特性,在軌道上方利用塔吊吊掛多個(gè)目標(biāo),以三個(gè)目標(biāo)為例,火箭橇彈目交會試驗(yàn)示意圖如圖5所示。為了能區(qū)分不同的目標(biāo)回波,目標(biāo)1和目標(biāo)2之間保持一定的垂直距離l,目標(biāo)2和目標(biāo)3之間保持一定的水平距離L。被試引信固定在火箭橇上,沿滑軌從目標(biāo)下方高速通過,此時(shí)引信天線波瓣依次掃過目標(biāo),得到引信的目標(biāo)探測信息。通過模擬不同彈道時(shí)導(dǎo)彈與目標(biāo)的高速交會狀態(tài),基于大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲取引信的啟動特性和啟動區(qū)。試驗(yàn)時(shí),一般利用數(shù)據(jù)采集儀記錄引信的回波、檢波、報(bào)警等信號,以及載車的位標(biāo)信號和火箭橇的加速度信號。同時(shí)對交會段進(jìn)行高速攝像,獲取交會影像信息,其中載車位標(biāo)信號用于載車的位置標(biāo)定。

圖5 火箭橇彈目交會試驗(yàn)示意圖

開展火箭橇試驗(yàn)應(yīng)滿足一定的要求:

a)在滑行的加速段和減速段,被試產(chǎn)品的過載和振動值應(yīng)低于該產(chǎn)品使用環(huán)境條件要求的指標(biāo);

b)對多普勒體制的無線電引信,工作段內(nèi)的速度應(yīng)使試驗(yàn)產(chǎn)生的信號多普勒頻率高于引信多普勒放大器通帶的設(shè)計(jì)下限。

4.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

火箭橇試驗(yàn)系統(tǒng)由高速火箭橇及其高精度承載軌道裝置、目標(biāo)吊掛及姿態(tài)控制裝置、信號采集與數(shù)據(jù)處理裝置、全尺寸目標(biāo)模型四大系統(tǒng)組成。

高速火箭橇及其高精度承載軌道裝置主要包括火箭橇、高精度軌道、位置標(biāo)定和引信姿態(tài)控制設(shè)備。

目標(biāo)吊掛設(shè)備一般為塔吊,采用低散射尼龍繩吊掛目標(biāo);目標(biāo)的姿態(tài)可通過安裝在目標(biāo)內(nèi)部的三維姿態(tài)測量設(shè)備或地面輔助測量設(shè)備測量,目標(biāo)的高度通過激光全站儀測量。

信號采集與數(shù)據(jù)處理裝置由信號采集器,信號傳輸設(shè)備和信號處理設(shè)備等組成。信號采集器固定在火箭橇平臺上,引信輸出信號、振動信號、位標(biāo)信號等經(jīng)信號采集器采集后由控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得出引信的啟動特征數(shù)據(jù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用三枚火箭助推,全尺寸目標(biāo)模型為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)金屬球和一個(gè)長形彈體。火箭橇車運(yùn)動的速度、加速度及位移仿真和試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。測試數(shù)據(jù)曲線與理論計(jì)算仿真曲線對比,加速段及滑行段部分較為吻合,表明該高速交會試驗(yàn)為引信試驗(yàn)提供了有效的彈道。

圖6 火箭橇彈道仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

近炸引信火箭橇試驗(yàn)所取得的目標(biāo)的多普勒回波信號如圖7所示。試驗(yàn)?zāi)M的相對彈目交會速度超過150 m/s,處于真實(shí)的引信多普勒通帶范圍內(nèi),獲取了引信對真實(shí)目標(biāo)的探測信息,為分析引信的啟動特性及啟動區(qū)提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖7 目標(biāo)多普勒回波信號示意圖

5 結(jié)論

本文對引信火箭橇試驗(yàn)技術(shù)開展研究,實(shí)現(xiàn)了火箭橇彈道設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證的閉環(huán),并在近炸引信試驗(yàn)中得到應(yīng)用,為導(dǎo)彈引信關(guān)鍵指標(biāo)的驗(yàn)證提供了更有效的試驗(yàn)手段,可以大大減少實(shí)彈靶試次數(shù),節(jié)約研制經(jīng)費(fèi),縮短研制周期。