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        機(jī)載導(dǎo)彈特殊環(huán)境分析

        2017-02-10 09:07:01史明麗毛劍暉
        裝備環(huán)境工程 2017年1期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)環(huán)境

        史明麗,毛劍暉

        (中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471000)

        機(jī)載導(dǎo)彈特殊環(huán)境分析

        史明麗,毛劍暉

        (中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471000)

        目的 為避免由于設(shè)計(jì)階段環(huán)境適應(yīng)性要求涵蓋范圍的縮小造成使用風(fēng)險(xiǎn),對(duì)機(jī)載導(dǎo)彈特殊環(huán)境進(jìn)行分析。方法 梳理機(jī)載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)除典型環(huán)境外的特殊氣候、力學(xué)和綜合應(yīng)力環(huán)境,深入分析每項(xiàng)特殊環(huán)境產(chǎn)生的機(jī)理和應(yīng)力特點(diǎn),以及其對(duì)機(jī)載導(dǎo)彈功能、性能產(chǎn)生的不利影響和在這些特殊環(huán)境下使用的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果 在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)載導(dǎo)彈適應(yīng)這些特殊環(huán)境需開展的工作進(jìn)行了梳理,提出了綜合解決方案。結(jié)論 機(jī)載導(dǎo)彈研制中應(yīng)盡快開展針對(duì)特殊環(huán)境的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

        導(dǎo)彈;特殊環(huán)境;環(huán)境適應(yīng)性;振動(dòng);載荷

        目前,機(jī)載導(dǎo)彈的環(huán)境適應(yīng)性要求制定的主要依據(jù)是GJB 150A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》系列標(biāo)準(zhǔn)[1—3],同時(shí)參考已定型或在研產(chǎn)品的環(huán)境要求和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),以及載機(jī)平臺(tái)的要求[4]。其中未包含以下特殊環(huán)境:GJB 150A有規(guī)定但本產(chǎn)品未考慮的環(huán)境;GJB 150A明確指出未包含的環(huán)境;自然界發(fā)生概率極低的環(huán)境;由導(dǎo)彈設(shè)計(jì)決定的、與環(huán)境相關(guān)的其他情況。

        為避免由于環(huán)境適應(yīng)性要求涵蓋范圍的縮小造成使用風(fēng)險(xiǎn),有必要在產(chǎn)品典型環(huán)境適應(yīng)性要求的基礎(chǔ)上,對(duì)機(jī)載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)除典型氣候環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和生物環(huán)境外可能經(jīng)歷的特殊環(huán)境進(jìn)行分析,并對(duì)這些環(huán)境對(duì)導(dǎo)彈服役可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,提出綜合解決方案。

        1 壽命期環(huán)境剖面分析

        機(jī)載導(dǎo)彈從出廠到壽命終結(jié)要經(jīng)歷六個(gè)典型環(huán)境事件,見表1,經(jīng)歷多種自然和誘發(fā)環(huán)境。

        表1 機(jī)載導(dǎo)彈壽命期環(huán)境剖面

        通過(guò)壽命期剖面分析,發(fā)現(xiàn)雪、冰、冰雹、霧、霧霾、有害氣體通常在機(jī)載導(dǎo)彈研制的環(huán)境工程工作中未予考慮。隨著我國(guó)環(huán)境污染的加重和極端天氣的多次出現(xiàn),這些特殊氣候環(huán)境對(duì)機(jī)載導(dǎo)彈的影響問題已無(wú)法回避,有必要對(duì)其進(jìn)行分析。溫度、濕度、力學(xué)環(huán)境(含振動(dòng)、加速度、沖擊)通常在研制中開展了大量的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作,但在實(shí)際使用中由它們誘發(fā)的故障仍時(shí)有發(fā)生,分析原因主要是按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和考核,但仍有部分特殊情況和與機(jī)載導(dǎo)彈自身使用方式相關(guān)的特殊環(huán)境未予考慮,必須對(duì)這些特殊環(huán)境進(jìn)行分析。以下從氣候、力學(xué)、綜合應(yīng)力三方面對(duì)特殊環(huán)境進(jìn)行分析。

        2 特殊氣候環(huán)境

        2.1 溫度

        典型溫度環(huán)境已包含了地面和掛飛高低溫環(huán)境,未包含以下特殊狀態(tài)下的溫度環(huán)境。

        1)自主飛氣動(dòng)加熱造成的局部溫度環(huán)境。由自主飛氣動(dòng)加熱具有溫度高(300 ℃以上)、持續(xù)時(shí)間短(數(shù)十秒)、不同區(qū)域差別大、與產(chǎn)品氣動(dòng)熱緊密相關(guān)等特點(diǎn),彈內(nèi)溫度是與彈體熱防護(hù)相關(guān)的一個(gè)快速變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程,很難給出傳統(tǒng)意義上通用的溫度環(huán)境要求,需開展結(jié)合氣動(dòng)熱的專項(xiàng)分析。

        2)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒造成的局部溫度環(huán)境。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒造成的局部溫度雖然很高(500 ℃以上),但其持續(xù)時(shí)間更短(幾秒)、影響范圍僅限于發(fā)動(dòng)機(jī)上/旁邊安裝的設(shè)備,因此可結(jié)合地面和空中的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)對(duì)其環(huán)境進(jìn)行測(cè)試、分析和考核。

        3)設(shè)備工作發(fā)熱造成的局部溫度環(huán)境。機(jī)載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)存在空中長(zhǎng)時(shí)間加電的情況,導(dǎo)彈內(nèi)大功率電子設(shè)備工作時(shí)會(huì)散發(fā)熱量,熱量的累積造成局部溫度逐漸升高,而在空中低氣壓的環(huán)境下,熱量將更不容易散出、溫升更大,彈內(nèi)溫度會(huì)上升10~30 ℃,這使得其他組部件的工作環(huán)境溫度高于導(dǎo)彈的工作溫度[5]。因此,需要進(jìn)行長(zhǎng)期加電狀態(tài)下的熱分析和測(cè)試,適當(dāng)提高組部件高溫工作溫度要求。

        2.2 濕熱

        典型濕度環(huán)境包含了自然界地面最惡劣的高濕環(huán)境,以及在高濕環(huán)境下的凝露、滲透、吸收和呼吸效應(yīng),不包含以下特殊狀態(tài)下的濕熱環(huán)境。

        1)壓力和溫度變化導(dǎo)致的凝露。在飛機(jī)掛彈執(zhí)行訓(xùn)練或巡航任務(wù)的過(guò)程中,壓力和溫度同時(shí)變化造成凝露出現(xiàn)[1—3]。機(jī)載導(dǎo)彈有淋雨試驗(yàn)要求,外部凝露不會(huì)造成導(dǎo)彈工作異常。內(nèi)部凝露一般不會(huì)很多,在水不大量積聚的情況下,經(jīng)過(guò)濕熱試驗(yàn)考核的產(chǎn)品應(yīng)該可以正常工作。

        2)呼吸效應(yīng)造成積水。密封或半密封產(chǎn)品內(nèi)部留存的液態(tài)水一般很難再自然釋放出來(lái),時(shí)間一長(zhǎng)必然會(huì)對(duì)產(chǎn)品功能性能造成影響[1—3]。機(jī)載導(dǎo)彈生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制廠房濕度,溫度試驗(yàn)后也進(jìn)行產(chǎn)品烘干,所以生產(chǎn)環(huán)節(jié)可避免積聚液態(tài)水。服役后國(guó)防倉(cāng)庫(kù)貯存溫濕度也受控,也不會(huì)積聚液態(tài)水。地面貯存、掛機(jī)飛行的內(nèi)部凝露雖然比較少,但也存在留存液態(tài)水的概率,所以還需加強(qiáng)密封設(shè)計(jì)以避免這種情況的發(fā)生。

        2.3 霧、霧霾

        霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng),是水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物,多出現(xiàn)于秋冬季節(jié)。霾是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等顆粒物組成的氣溶膠系統(tǒng)。霧霾是霧和霾的混合物,早晚濕度大時(shí)霧的成分多,白天濕度小時(shí)霾占主力。霧的厚度只有10~200 m,霾則有1~3 km。霧和霧霾的存在會(huì)降低空氣透明度,光線在傳播的過(guò)程受微小水滴、冰晶和顆粒物的散射作用而強(qiáng)度變?nèi)?,造成光學(xué)系統(tǒng)從背景中識(shí)別目標(biāo)的能力降低,甚至功能喪失。

        目前,標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定裝備霧、霧霾天氣的考核評(píng)估方法,但隨著我國(guó)自然環(huán)境污染的加劇,霧霾天氣出現(xiàn)的頻次增多、持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng),有必要開展機(jī)載導(dǎo)彈對(duì)霧、霧霾環(huán)境適應(yīng)能力的評(píng)估,給出針對(duì)不同強(qiáng)度霧、霧霾環(huán)境限用或禁用的使用要求和建議。

        2.4 有害氣體

        車輛、船舶、飛機(jī)的尾氣、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)排放、居民生活和取暖、垃圾焚燒、火山爆發(fā)等活動(dòng)排出大量有害氣體,其中的氮氧化物(NOx)、硫氧化物、臭氧、氫氟酸等與裝備的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),由此帶來(lái)材料外觀變化、強(qiáng)度降低、電性能變化等一系列問題。如造成金屬表面腐蝕、失去光澤,造成漆層褪色、軟化或龜裂,造成陶瓷制品表面光澤損失、反射率下降,造成橡膠制品脆化、發(fā)黏、裂紋,造成電接觸點(diǎn)氧化、導(dǎo)電率降低。

        目前的裝備設(shè)計(jì)中,都會(huì)考慮鹽霧環(huán)境,有害氣體環(huán)境一般都未予以考慮,但自然界的鹽霧和有害氣體環(huán)境經(jīng)常會(huì)同時(shí)出現(xiàn),它們的共同作用會(huì)造成腐蝕的加速和加劇。因此僅對(duì)鹽霧環(huán)境開展適應(yīng)性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)法滿足實(shí)際使用的需求,需在此基礎(chǔ)上開展針對(duì)有害氣體的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

        3 特殊力學(xué)環(huán)境

        3.1 加速度

        典型加速度環(huán)境不包括:導(dǎo)彈掛機(jī)飛行時(shí),暴露在氣流中的機(jī)載導(dǎo)彈表面除承受慣性載荷外還承受氣動(dòng)載荷,機(jī)載導(dǎo)彈承受氣動(dòng)載荷應(yīng)按照這些載荷的最嚴(yán)重組合情況來(lái)設(shè)計(jì)和試驗(yàn),這需要開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(靜力和疲勞)分析和驗(yàn)證[2—3,6]。

        3.2 沖擊

        典型沖擊環(huán)境包含了機(jī)載導(dǎo)彈壽命期的跌落沖擊、基本設(shè)計(jì)沖擊等環(huán)境,用于考核飛行器在使用和裝卸中預(yù)期可能遭受的非重復(fù)性沖擊,不包含著陸沖擊環(huán)境。著陸沖擊是機(jī)載外掛壽命期內(nèi)遇到的典型動(dòng)力學(xué)環(huán)境,應(yīng)力量級(jí)大、重復(fù)次數(shù)多,易造成外掛物結(jié)構(gòu)疲勞和損傷,威脅飛行安全,必須進(jìn)行考核。該環(huán)境是外掛在特定安裝狀態(tài)和特定任務(wù)下的典型結(jié)構(gòu)響應(yīng),試驗(yàn)時(shí)必須模擬實(shí)際安裝狀態(tài)和激勵(lì),才能得到比較貼合實(shí)際的響應(yīng),使產(chǎn)品受到恰當(dāng)考核。

        由于基本設(shè)計(jì)沖擊無(wú)法在低頻段覆蓋著陸沖擊環(huán)境,且作用次數(shù)遠(yuǎn)小于著陸沖擊環(huán)境實(shí)際出現(xiàn)的次數(shù),無(wú)法考核產(chǎn)品的著陸沖擊環(huán)境,所以機(jī)載導(dǎo)彈研制過(guò)程除了進(jìn)行基本設(shè)計(jì)沖擊試驗(yàn)外,歡迎開展針對(duì)著陸沖擊環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)和考核[7]。

        3.3 振動(dòng)

        機(jī)載導(dǎo)彈現(xiàn)行的外部掛飛振動(dòng)要求按 GJB 150.16/GJB 150.16A制定,包含了隨機(jī)振動(dòng)和機(jī)動(dòng)抖振,屬于一般意義上的振動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)指出,外部懸臂在流場(chǎng)中由氣流擾動(dòng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)可以產(chǎn)生極其惡劣的振動(dòng)環(huán)境,有時(shí)會(huì)造成機(jī)載導(dǎo)彈快速失效。懸臂振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性有以下特點(diǎn):懸臂受激勵(lì)作用的表面積相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)和截面積要大;懸臂容易出現(xiàn)大幅值的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),并在支撐基座上出現(xiàn)大的根部應(yīng)力;當(dāng)懸臂的形狀為“翼型”時(shí),會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)升力和拉力并疊加在波動(dòng)壓力載荷上[2—3]。帶舵翼面飛行的機(jī)載導(dǎo)彈完全滿足這種動(dòng)態(tài)特征。強(qiáng)烈的氣動(dòng)擾動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)有兩種重要的激勵(lì)類型。

        1)一個(gè)是寬帶隨機(jī)擾動(dòng)造成的寬帶隨機(jī)振動(dòng),產(chǎn)生在相對(duì)鈍的流場(chǎng)障礙后面或薄片后面,外掛的尾舵/翼一般暴露在掛架或前方外掛的后部擾動(dòng)中,強(qiáng)烈的寬帶擾動(dòng)向下游方向運(yùn)動(dòng),可以在擾動(dòng)部件后方維持3~5倍擾動(dòng)部件最大截面尺寸的距離。

        2)另一個(gè)是渦流,在一個(gè)“翼”兩側(cè)的壓力不同時(shí)形成,速度和方向不斷變化的流體翻滾形成的擾動(dòng)產(chǎn)生了這些氣動(dòng)力,這些變化以攻角和流場(chǎng)速度的變化對(duì)翼施加影響,渦流造成的低頻振動(dòng),這個(gè)問題一般與機(jī)載導(dǎo)彈的某個(gè)振動(dòng)模態(tài)有關(guān),有時(shí)會(huì)引起快速的疲勞和磨損失效[7—9]。

        局部擾動(dòng)是無(wú)法預(yù)測(cè)的,在研制過(guò)程中應(yīng)首先盡量避免發(fā)生這種情況,標(biāo)準(zhǔn)中給出的具體做法為:機(jī)載導(dǎo)彈安裝在已知的擾動(dòng)區(qū)域外,在平臺(tái)規(guī)定的使用包絡(luò)線內(nèi)操作平臺(tái),如果出現(xiàn)了問題要評(píng)估這些問題等。對(duì)于機(jī)載導(dǎo)彈來(lái)說(shuō),要隨戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行全包線的飛行,且掛裝飛機(jī)、掛點(diǎn)等均不應(yīng)受限。因此解決該問題可行的辦法只能是預(yù)示這種環(huán)境的應(yīng)力特征和量級(jí)并開展針對(duì)性設(shè)計(jì),使導(dǎo)彈適應(yīng)這種環(huán)境。目前,業(yè)內(nèi)這方面開展的工作比較有限,對(duì)這種典型環(huán)境的知識(shí)儲(chǔ)備并不多。要解決這個(gè)問題需開展不同載機(jī)、不同掛點(diǎn)的氣動(dòng)力和擾動(dòng)情況分析,以確定是否存在出現(xiàn)外掛懸臂氣動(dòng)擾動(dòng)的情況,同時(shí)開展飛機(jī)邊界條件飛行時(shí)的振動(dòng)環(huán)境實(shí)測(cè)。

        4 綜合應(yīng)力環(huán)境

        機(jī)載導(dǎo)彈經(jīng)受的實(shí)際環(huán)境一般都是幾個(gè)因素共同作用,需對(duì)典型環(huán)境中未包含、共同出現(xiàn)概率高、共同作用會(huì)造成產(chǎn)品失效或失效加速的綜合應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行分析。

        4.1 溫度-濕度-振動(dòng)-高度/振動(dòng)-噪聲-溫度

        GJB 150.24A,GJB 150.25A規(guī)定了溫度-濕度-振動(dòng)-高度四綜合試驗(yàn)和振動(dòng)-噪聲-溫度三綜合試驗(yàn)。其中溫度-濕度和溫度-高度綜合已在典型環(huán)境中進(jìn)行了分析和考核,暫不作考慮。噪聲對(duì)產(chǎn)品的作用機(jī)理是誘發(fā)振動(dòng),振動(dòng)的產(chǎn)品再向外輻射噪聲,所以它們對(duì)產(chǎn)品的作用機(jī)理和失效模式基本相同,但考慮到振動(dòng)試驗(yàn)的頻率(一般為5~2 000 Hz)不能覆蓋噪聲試驗(yàn)的頻率(一般為5~10 000 Hz),從試驗(yàn)考核來(lái)說(shuō)它們還是有區(qū)別的,但由于作用機(jī)理,振動(dòng)和噪聲的耦合作用可通過(guò)提高單個(gè)應(yīng)力的量級(jí)來(lái)近似考核[13]。高低溫會(huì)使得材料的物理特性(例如結(jié)構(gòu)尺寸、強(qiáng)度、剛度等)改變,造成產(chǎn)品耐振性能的變化、進(jìn)而造成產(chǎn)品功能性能的劣化,在高低溫下施加振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品考核非常必要。導(dǎo)彈和彈上設(shè)備的溫度-振動(dòng)綜合應(yīng)力可結(jié)合可靠性試驗(yàn)進(jìn)行。

        4.2 加速度-氣動(dòng)-振動(dòng)載荷

        在飛機(jī)作機(jī)動(dòng)(含大機(jī)動(dòng)、復(fù)雜特技、戰(zhàn)斗特技)飛行時(shí),強(qiáng)烈的低頻氣流擾動(dòng)會(huì)造成導(dǎo)彈低頻的大量級(jí)振動(dòng)響應(yīng),時(shí)域的峰值有時(shí)會(huì)超過(guò) 10g[7]。同時(shí)彈身還要承受飛機(jī)機(jī)動(dòng)的加速度過(guò)載,飛機(jī)整機(jī)的加速度過(guò)載能達(dá)到 8g,而機(jī)載導(dǎo)彈由于掛裝在翼尖或外翼遠(yuǎn)離飛機(jī)中心線,同時(shí)要考慮機(jī)動(dòng)情況所引起的附加角速度對(duì)線加速度的影響,因此量值較整機(jī)大很多。按標(biāo)準(zhǔn)給出的方法計(jì)算,對(duì)于一般飛機(jī)量值為(13.5~23)g[2—3]。機(jī)動(dòng)飛行時(shí),彈身/舵翼面承受的氣動(dòng)力載荷也達(dá)到最大,這三種載荷同時(shí)作用在導(dǎo)彈上,加上掛飛狀態(tài)導(dǎo)彈的懸臂梁結(jié)構(gòu),將在懸臂的根部-吊掛附加造成高量級(jí)的應(yīng)力集中,存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。需在導(dǎo)彈強(qiáng)度分析時(shí)考慮這三種應(yīng)力同時(shí)作用的情況[12—13]。

        5 結(jié)論

        綜上所述,由于特殊環(huán)境與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作狀態(tài)等緊密相關(guān)的,暫時(shí)無(wú)法給出通用的技術(shù)要求,需在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案和仿真模型的基礎(chǔ)上同步開展環(huán)境分析、適應(yīng)性設(shè)計(jì)并結(jié)合科研試驗(yàn)的驗(yàn)證,解決方案見表2。只有通過(guò)對(duì)特殊環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析,得到真實(shí)全面的環(huán)境數(shù)據(jù),并開展針對(duì)性的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作,才能確保機(jī)載導(dǎo)彈壽命期內(nèi)的環(huán)境的適應(yīng)性、可靠性和安全性滿足使用需求。

        表2 特殊環(huán)境及綜合解決方案

        [1] GJB 150—1986, 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法[S].

        [2] GJB 150A—2009, 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法[S].

        [3] MIL-STD-810F, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

        [4] GJB 4239—2001, 裝備環(huán)境工程通用要[S].

        [5] 吳清才. 航天電子產(chǎn)品熱環(huán)境試驗(yàn)策略研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(3): 80—84.

        [6] GJB 1C—2006, 機(jī)載懸掛物和懸掛裝置接合部位的通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S].

        [7] DEF STAN 00-35-1999, Handbook of National Defense Equipment Environment-Induced Mechanical Environment[S].

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        Special Environment of External-store Missile

        SHI Ming-li,MAO Jian-hui
        (China Airborne Missile Academy, Luoyang 471000, China)

        Objective To avoid functional risks due to narrowed covering range required by environment suitability in development stage and analyze special environment of external-store missile. Methods Special climate, mechanics and complex stress environment except typical environment in the service life of external-store missile were analyzed. Mechanism and stress features generated in each special environment, their adverse effects on functions and performances of external-store missile and risks on using in special environment were also analyzed in depth. Results Jobs to be completed for external-store missile to adapt to special environment were combined and comprehensive solutions were proposed. Conclusion It is necessary to start design and experimental tests of special environment as early as possible in development of external-store missile.

        missile; special environment; environmental adaptability; vibration; load

        10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.014

        TJ76

        A

        1672-9242(2017)01-0057-04

        2016-07-22;

        2016-08-24

        史明麗(1980—),女,陜西人,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)檠b備環(huán)境工程。

        毛劍暉(1964—),男,河南人,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)檠b備環(huán)境工程。

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