机载战术导弹挂飞环境地面振动试验方案研究

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

魏英魁1，张晓颖2

（1.北京强度环境研究所，北京 100076；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

研究总结了某型机载战术导弹服役过程中所经受的振动激励主要来源，同时研究分析不同激励方式对战术导弹吊耳载荷响应效果的影响，确定该型机载战术导弹振动载荷加载方案。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。总结确定了该型机载战术导弹振动载荷的主要来源，通过理论算例和有限元建模计算的方法分别计算了不同激励方式下导弹吊耳的载荷响应，并最终确定了振动载荷加载激励方式。

机载战术导弹；挂飞；振动试验；环境适应性

根据机载战术导弹的使用特点，挂飞工况是其在服役过程中一个重要的使用剖面[1-2]，文中根据某型机载战术导弹服役环境特点，总结分析其机载期间遭受的振动载荷的来源与种类特点，对采用不同激励方式对吊耳受力的影响进行了详细分析，并最终确定了该型战术导弹挂飞环境适应性考核试验振动载荷加载方案。

1 振动源分析

某型高超音速战术导弹是一新型导弹系统，机载使用期间配挂大型轰炸机进行挂飞。根据该型战术导弹的使用特点，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，直接关系到飞行作战的成败。

首先从理论上分析导弹挂飞过程中振动的来源，结合该型导弹挂飞环境剖面，同时参考GJB 150.16[3]和MIL-STD-810G[4]中挂飞振动试验相关内容，其挂飞过程中经受的振动环境载荷主要来源于以下三个方面。

1）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，这类振源在高频部分很重要，低频部分主要来自下面其他几个振源。

2）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。一般来讲，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（如导弹舵系统）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[5-6]，这种环境的振动载荷低频和中频部分用机械激励来模拟。

3）载机传递的振动。此类振动载荷是通过挂架结构传递到导弹上的，整个振动系统（飞机、挂架机构和导弹）是低频振动系统，系统的最低固有频率一般低于20 Hz，将导弹与飞机振动的高频部分隔离。

从以上分析可以得出，该型机载战术导弹的高频振动主要由喷气发动机噪声引起，中低频振动主要是由导弹外部湍流激励引起，由于载机机翼、挂架和导弹组成的系统频率较低，导弹的低频振动主要是由于机翼低频振动产生。

2 试验系统设计

根据振源分布位置，且为了更加真实反应导弹、挂架和机翼的连接形式和刚度分布，选择导弹、挂架和机翼组合系统进行挂飞振动试验。导弹通过外挂悬挂设备悬挂在结构支撑体（模拟机翼阻抗）上，再将结构支撑体通过悬吊索柔性悬挂于试验室龙门架上。

根据振源选择挂飞振动试验的激振位置，将激振位置区域分为战术导弹（激励位置A）和结构支撑体上（激励位置B）两个区域。按上一节对该型战术导弹振动载荷来源分析，结构支撑体上的振源主要考虑低频（主要为1~2 Hz）振动对弹体结构的疲劳特性的影响，战术导弹上振源主要考虑中高频（20~2000 Hz）振动对导弹结构和电气设备的疲劳特性的影响，挂飞环境适应性试验的振动试验系统如图1所示[7-8]。

图1 导弹、挂架和结构支撑体系统挂飞振动试验

3 影响理论分析

将导弹和挂架及结构支撑体分别简化为质量体，导弹与挂架间的连接（吊耳和止动器等悬挂机构）简化为弹簧和阻尼器，研究不同位置施加振动激励（从导弹激励或是结构支撑体激励）对吊耳处受力的影响。

振动试验简化系统如图2所示。其中，战术导弹质量为1，挂架和结构支撑体总质量为2，两者之间的连接刚度和阻尼分别为1和1，1和2分别代表从导弹上激励和结构支撑体上施加的振动激励力。

图2 振动试验简化系统

首先推导两种激励方式吊耳部位的传力计算公式.

当1激励时：

吊耳传力为：

当2激励时：

其中，频响函数理论公式为：

式中：M，K，C分别为模态阻尼、模态刚度和模态质量。

根据以上公式，下面以算例的形式研究不同位置施加振动激励（从A位置或B位置激励）对吊耳处受力的影响。假定导弹质量为3000 kg，挂机与结构支撑体质量为1000 kg，吊耳连接面刚度和阻尼分别为1×108N/m和100 N/(m·s－1)，导弹弹体输入载荷为20~2000 Hz，频谱值为1的平直谱。将假定赋值分别代入式（2）与式（4），分别得到1激励与2激励时的吊耳传力值catfall，将计算所得值如图3所示。

图3 两种激振方案传力对比

由图3可以得出以下结论。

1）在导弹响应相同时，从导弹激振时（A位置激励）其吊耳截面传力除系统共振频带外均小于从结构支撑体激振方式（B位置激励）。

2）在超过共振频带后，随着激振频率的升高，导弹激振时（A位置激励）吊耳传力随频率的增加而逐渐减小，即在中高频部分的传力减小。

4 有限元分析

在理论模型的基础上建立振动系统有限元模型，分别比较从上部挂架进行激励和从下部发动机前后裙进行激励的情况下吊耳处的响应。

弹体采用实体单元，挂架采用截面形状为矩形的梁单元，挂架与弹体的连接采用BUSH单元[9-11]，最终建立的振动系统有限元模型如图4所示。

图4 振动系统有限元模型

分别采用两种激励方式（A位置激励和B位置激励），均采用两点激励，其中A激励工况的激励位置在导弹发动机的前后裙处，如图5a所示。B激励工况的激励位置在挂架前段与中段，如图5b所示。

输入频宽为20~2000 Hz，功率谱密度值为12/Hz的随机载荷谱，比较不同位置激励条件下吊耳处的振动响应，两种条件下吊耳处的响应曲线如图6所示。

图5 激励工况

图6 不同激励情况下吊耳处的响应

由图6可以得到，从下部发动机前后裙处激振时其吊耳处的响应除了系统共振频带外均小于从上部挂架进行激励的响应，该结论也与理论模型的分析结论相符。从理论分析与有限元计算结果可以得出，该型战术导弹挂飞环境适应性试验应从A位置施加振动载荷，即从导弹发动机的前后裙处施加振动激励载荷。

5 结论

该型机载战术导弹的中低频振动主要是由导弹外部湍流激励引起，导弹的低频振动主要是由于机翼低频振动产生。同时通过以上分析可以得到，输入相同量级振动激励载荷时，从导弹激振时其吊耳截面传力除了系统共振频带外均小于从结构支撑体的激振。在超过共振频带后，随着激振频率的升高，导弹激振时吊耳传力随频率的增加而逐渐减小，即在中高频部分的传力减小。该型战术导弹挂飞环境适应性试验应从导弹发动机的前后裙处施加振动激励载荷。

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Experimental Research on Ground Vibration Test of Airborne Tactical Missile in Hanging Flight Environment

WEI Ying-kui,ZHANG Xiao-ying

(1.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China; 2.Beijing Aerospace System Engineering Research Institute, Beijing 100076, China)

Origins of vibration driving for airborne tactical missile during its term of being used were summed up and influences of load response for missile lug through different driving methods were studied to confirm the program for its vibration test. Theoretical calculation and FEM were used to compare influences of load response for missile lug through different driving methods. Origins of vibration driving for air missile were summarized and ascertained. The load responses of missile lug under different excitation modes were calculated by theoretical calculation and finite element modeling and the driving method for vibration test was also confirmed in the end.

airborne tactical missile; hanging flight; vibration test; environment adaptability.

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.015

TJ760.6+1

A

1672-9242(2018)01-0070-04

2017-07-15；

2017-08-19

魏英魁（1986—），男，北京人，硕士，工程师，主要研究方向为可靠性与环境试验。