动基座飞行器故障弹道仿真

王大志　张建立

摘 要：靶场试验对飞行器航区安全控制要求高，飞行器飞行故障状态多，安全控制难度大，该文以弹道飞行器飞行动力学为基础，根据飞行器各分系统、各部件的可靠性和重要性提出飞行器飞行中单一的或组合式的典型故障模式，然后再对其中的组合模式故障弹进行了弹道仿真。所得结果用于靶场试验安全控制演练中，对试验的安全控制有一定的帮助作用和指导意义。

关键词：靶场 安全控制 故障弹道 仿真

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（c）-0-02

靶场试验中，要求对飞行器进行航区安全控制，航区安全控制的准则之一是确保不误炸正常弹，不漏炸必须炸毁的故障弹。为此，要充分了解飞行器飞行特性，尤其是对飞行器飞行过程中出现的典型故障加以认识和判断，尤其是大射程飞行器，其飞行速度快，航区覆盖范围大，使飞行器安全控制工作十分困难，动基座飞行器又因其动基座特性增加了更多难度。因为飞行器飞行过程中可能出现的故障点非常多，所以只能由飞行器的各分系统、各部件的可靠性和重要性出发，提出单一的或组合式的典型故障模式，然后再对其进行仿真，给出飞行器飞行典型故障弹道，用于安全控制系统演练和试验过程的故障判断中。该文通过在飞行器飞行过程中加入故障点模拟了故障弹的飞行，并利用计算机仿真给出了故障弹道，应用于某型动基座飞行器的试验中，对试验的安全控制工作起到了一定的帮助作用和指导意义。

1 弹道飞行动力学

飞行器在主动段飞行[1]时，受到的外力有推力，空气动力，控制力和地球引力；受到的外力矩有稳定力矩，控制力矩，阻尼力矩和附加力矩。其运动微分方程为：

将该矢量方程在不同的坐标系投影可得到不同的运动微分方程，该文中选择发射惯性坐标系。

推力计算时要考虑大气压力的影响。计算公式为：

飞行器上采用摇摆发动机作为控制执行机构，推力与控制力可以统一考虑，推力在弹体坐标系中的投影如下：摇摆发动机按十字型配置

控制系统模型将制导信号转化为实际执行机构的控制量，如发动机的舵偏角。该文采用简单的线性放大环节。发动机舵偏角计算公式如下：

2 典型故障弹道分析

2.1 故障弹道模式分析

根据动基座飞行器特点[2]，飞行器发射点不固定，经过初段运行后，可能导致惯导平台转过一个角度，典型表现为：

飞行器沿射向反向飞行；

飞行器侧向飞行，沿与射向成一定角度飞行；

在飞行器飞行过程中可能发生发动机熄火或爆炸引起故障：

飞行器失去动力，发生下坠飞行，做自由落体运动；

飞行器姿态角控制系统出现故障，程序角锁死，典型表现为：

飞行器侧偏飞行，飞行器在飞行过程中向远离航区中心线的一侧飞行；

飞行器飞行超出国境线；

航区内外有许多被保护目标，在航区安全控制中，划出一定的区域来保护这些目标，称为保护区。由于姿态角故障和发动机故障相结合，导致飞行器坠入某一保护区故障：

飞行器坠入保护区。

2.2 故障弹道计算方法

在飞行器发生故障前，采用弹道动力学模型计算弹道，在故障点后，将故障后的姿态角控制、发动机参数等重新加入到计算过程中，继续进行计算。

下面针对组合故障模式进行分析。对于飞行器坠入保护区，此时为组合故障，以下故障全部发生：发动机熄火、偏航角故障、俯仰角故障。

取保护区中心点P，飞行器飞行姿态角故障表现为舵系统锁死，姿态角保持为常值，假设其在二级发动机开始工作时即发生故障，取偏航程序角ψ=ψ1，使飞行器飞行预示落点经过P点附近（与P点最小距离不大于10公里）；设发动机在其工作过程中出现故障，故障点后飞行器作无动力被动段飞行，取发动机失效时间点t1（二级发动机工作以后），同时结合俯仰角故障（二级发动机工作开始）φ=φ1，使飞行器最终落点在P点附近（与P点最小距离不大于10公里）；再细调ψ1、t1、φ1三个参数，使飞行器落点最终在P点（与P点最小距离不大于1公里）。调整落点计算流程如图1所示。

3 弹道仿真结果

以下给出飞行器正常飞行弹道和落入某一保护区时弹道仿真的結果，只给出和航区安全控制有关的x-y曲线，x-z曲线，如图2、图3所示。

由正常弹道和故障弹道的X-Y曲线比对可知，飞行器飞行超出管道，没有达到预定高度，可以判定发动机或俯仰角去现故障；由X-Z曲线比对可知，飞行器飞行超出管道，发生偏侧飞行，可以判定偏航角出现故障。

4 结语

通过对飞行器飞行的故障弹道进行仿真，得到了故障弹的飞行弹道，弹道数据可以应用于安控演练中，辅助安控军官对飞行器飞行状态进行了解判断，提高对突发故障的实时判断能力，确保飞行器飞行安全和航区安全。但是在仿真过程中也发现一些问题，如对故障点选择带有一定的随意性，故障弹道对个别参数敏感，需要小心反复调试，数据输出的可视化程度不高，在以后的工作中还要进一步完善这些方面的内容。

参考文献

[1] 张毅，杨辉耀，李俊莉.弹道导弹弹道学[M].长沙：国防科技大学出版社，1999.

[2] 刘蕴才.导弹卫星测控系统工程（上册）[M].北京：国防工业出版社，1996.