导弹外场动态发射的仿真试验方法*

高建国,李 金,彭明焱

(中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)

0 引言

导弹的发射是一个复杂的系统工程,任何一个单元故障都可能造成导弹的发射失败。导弹的发射过程是不可逆的,一旦由于某一个环节故障造成导弹发射失败,希望能够准确定位故障,为设计的改进提供依据[1-4]。导弹内的飞控、引信、发动机、发射控制设备等的故障可以通过仿真和内场测试反复验证使故障准确定位;但在导弹发射瞬间,导弹与发射架分离过程中由于离梁信号故障而导致导弹发射失败的故障准确定位是非常困难的。一是产生离梁信号故障的因素很多,二是无法反复验证使故障复现,若要验证就要进行多次发射试验,从试验成本来讲这是不可接受的。为此文中设计了这个模拟导弹外场动态发射的试验方法,为故障的复现和准确定位提供简单实用、低成本、科学的试验保障,为导弹的优化设计提供了依据。

1 试验系统设计

1.1 系统组成

导弹发射是在外场发射试验设备(或机载火控系统)和发射装置安全、可靠、完善的配合下完成的一个复杂过程。从按下发射按钮开始,经历了电池点火、发射逻辑判断、锁制器打开、发动机点火、电气分离(离梁)和轨上运动,最后实现弹架分离[3-5]。在此过程中可能造成导弹发射故障从而影响导弹自主飞行控制的主要因素包括:

1)发射试验系统电源;

2)导弹的轴向冲击;

3)导弹与发射电插头分离过程中的抖动;

4)发射电插头在复杂动力环境下的带电分离,及其伴随的导弹供电形式变化和发控电路工作状态转换;

5)导弹轨上运动。

试验系统分为两部分:一是导弹挂装、加载与止动部分,二是导弹监控与发射部分,这两部分通过发射平台结合在一起。

1.1.1 挂装、加载与止动部分

挂装、加载与止动部分包括外场发射平台、钢架、滑轮、力传感器、砝码、钢索、爆炸螺栓、尼龙绳等。导弹挂装、加载、止动形式如图1。

A(砝码)—利用自重使钢索张紧;B(滑轮)—支撑钢索,改变张力方向;C(力传感器)—测量钢索张力;D(目标源)—给导弹提供目标;E(发射平台)—真实的外场发射试验平台,用于挂装发射装置和导弹,也是被试对象之一;F(发射装置)、G(导弹)—被试产品;H(尼龙绳)—导弹轴向移动限位;I(爆炸螺栓)—爆炸后剪断钢索,释放导弹。图1 导弹挂装、加载与止动示意图

1.1.2 导弹监控与发射部分

导弹监控与发射部分包括控制指挥车及导弹监控设备、发射试验平台、遥测接收设备、目标模拟器、示波器、高速摄像机等。有条件也可配置雷达。配置关系如图2,各部分的功能如下:

1)指挥车及导弹监控与发射设备:试验指挥与发射控制;

2)雷达:配合模拟外场电磁环境;

3)油机:为试验系统供电;

4)高速摄像:记录弹架分离及运动过程;

5)遥测:接收并处理导弹状态参数;

6)示波器:导弹离梁信号、结构地电平监测;

7)外供电源:模拟电池供电。

图2 导弹监控与发射系统图

1.2 试验原理与设计要求

1.2.1 试验原理

试验要求最大限度的模拟导弹发射过程。试验前,预紧导弹前、后的钢索,增加砝码使其达到设定的重量;通过外场监控和发射试验设备对导弹系统进行上电自检准备,自检正常并构成发射条件(导弹截获目标)后,按下发射按钮;发控系统执行导弹正常发射控制逻辑(电池战火→电压判断→发动机点火);发动机点火电压通过点火触点的引出线引爆爆炸螺栓;爆炸螺栓爆炸后释放导弹,使其在牵引钢索的作用下,与发射电插头分离;插头分离后,导弹转入自主供电状态,并开始轨上运动,发射装置感知“导弹存在”信号的变化,断开供气电磁阀,停止供气;导弹运动规定的行程后,在后端轴向限位尼龙绳的作用下停止运动。试验过程中遥测记录导弹参数;高速摄像记录导弹轨上运动过程;必要时用示波器记录导弹离梁和接地电平。

1.2.2 设计要求

1.2.2.1 参试产品

试验使用的参试产品由导弹前舱、遥测舱和模拟后弹体组成,其中模拟后弹体应有发动机点火电压的引出导线。前舱的组件要求如下:

1)电源组件:根据需要,可用点过火的电源组件代替,在此电源组件的三个电池输出及其地线端接线,可通过与壳体固定的螺钉孔引出进行外部供电,用于导弹的发射排故;也可用正规的电源组件,用于导弹的发射检查;

2)引信:在排故时,换装引信试验件;并在壳体上开孔,从“离梁”和“接地”端引出测试电缆,用于监测引信工作情况,其它技术状态与正规批引信一致;

3)S/A机构:拆除拔销器。

1.2.2.2 导弹行程

动态模拟试验不仅要求模拟导弹与电插头的分离,还要求模拟分离后的一小段行程,主要是为了验证发动机点火触点与导弹吊挂接触是否对导弹产生影响。因此模拟导弹动态发射试验时,导弹应在轨上运动一段距离。这个行程与导弹的重量重心和吊挂有关,一般考虑其它因素,导弹行程确定在30～100 mm之间。这个距离足以满足模拟分离的要求。导弹后端的轴向限位尼龙绳应将导弹位移限制在100 mm之内。

1.2.2.3 砝码

砝码的重量选取与正常发射时导弹和插头分离时刻的发动机推力有关。用砝码施加轴向力,模拟的是一个瞬间冲高迅速回落的过程,而不是发动机推力逐渐增加的过程,因此应尽可能使砝码作用下的轴向力处于分离时刻发动机推力要求值的高端。

1.2.2.4 爆炸螺栓

爆炸螺栓实际上模拟发动机点火,爆炸延时时间不大于100 ms。

1.2.2.5 钢索

钢索用于导弹加载,因此一定要有足够的张力。另外必须采取绝缘措施。

2 试验方法

2.1 试验准备

1)将试验用发射装置挂装在发射平台上,将前后钢索固定在牢靠的支架上,保持固定点与发射架在同一水平高度,确保试验时钢索的拉力与导弹轴线一致;

2)按试验目的不同,将改装好的待试试验产品挂在发射装置上,并用护套将其与钢索、保护绳、爆炸螺栓进行连接;

3)均匀预紧前后钢索,根据所试产品分离时所需发动机推力的要求值,调整好砝码重量和悬挂高度及尼龙绳松紧度。

2.2 试验发射

按导弹的发射程序进行加载发射试验:

1)用外场发射试验设备监控导弹系统上电自检准备;

2)调整目标源使导弹截获;

3)按下发射按钮;电池组件用点过火的试验件时,应同时打开外供电源给模拟电池供电;

4)发射装置执行发控逻辑判断后给出发动机点火电压;

5)发动机点火电压通过从触点经壳体引出的导线引爆爆炸螺栓;

6)导弹被爆炸螺栓释放后,在砝码产生的轴向力作用下冲开锁制器,并与发射电插头分离;

7)导弹分离后继续向前运动,经过预定的行程后在后端尼龙绳的作用下停止运动;

8)遥测、监视测量设备采集记录模拟发射过程和导弹工作数据。

发射完毕后,根据测试设备所记录采集的数据进行模拟动态发射过程的验证分析。

2.3 注意事项

1)试验过程中,确保钢索拉力方向与导弹轴线一致,且导弹受力均匀;

2)调好保护尼龙绳的松紧度,确保产品安全。

3 应用实例

某型号空空导弹在进行综合遥测弹地面靶试中,出现了离梁信号电压低(0.4 V)而导致飞控和引信故障使导弹不能自主控制飞行的现象。

3.1 理论分析结论

通过对该型号导弹离梁电路、导弹残骸和某型号发射装置供气控制电路的分析,初步得出的结论是:导弹在发动机推力作用下,快速与发射电插头分离;在分离的一瞬间,导弹存在消失,发射装置供气电磁阀状态切换产生反向电动势;反向电动势通过接触件之间的等效电容作用在导弹的离梁信号端,使离梁端叠加了一个较高的干扰脉冲;干扰脉冲造成引信CPLD(和飞控ASL244)离梁端口瞬间击穿失效,对地“短路”;最终导致离梁信号不能正常建立,从而使导弹不能正常自主控制飞行。为此也提出了相应的优化设计的改进方案。

3.2 仿真验证

为了验证上述的分析结论,按照设计的动态仿真试验方法,进行了外场发射试验仿真,期望复现离梁信号故障,验证导弹能否进入正常的自主飞行控制状态。

仿真外场发射试验按照试验状态的不同先后反复进行了十几次仿真试验,从而得出了如下结论:

1)仿真发射试验复现的故障模式与外场发射试验中出现的故障模式基本相同;

2)仿真发射试验结果反映的故障机理与故障分析结果一致;

3)改进方案合理可靠。

3.3 真实验证

该型号空空导弹根据上述试验得出的结论,重新进行了优化设计,在随后进行的多次实弹靶试中均取得了发发命中的好成绩,为下阶段的导弹研制提供了强有力的保障。

4 结论

由上述实例可见,该试验方法设计正确合理、应用广泛,且仅仅是花去几个爆炸螺栓的费用,就可以反复模拟导弹外场的动态发射试验。尽管模拟导弹分离的速度与真实导弹分离速度达不到完全吻合,但对整个分离过程中导弹的工作情况以及与发射平台信号接口之间的传递关系模拟是真实的,故不失为是一种操作简单、实用、低成本的仿真导弹外场动态仿真发射试验方法。同时该试验方法也适用于其它导弹武器系统的仿真动态发射试验;不仅如此该试验方法稍加改动(将静态目标源改为动态目标源),即可模拟导弹发射后的自主飞行过程,为导弹导引头和飞控系统的设计研制提供了强有力的科研依据。