田新鋒，鄧雨辰

(解放軍92419部隊(duì)，遼寧 興城 125106)

拖靶系統(tǒng)作為一種特殊航空裝備,隨著防空武器試驗(yàn)和部隊(duì)對(duì)空靶訓(xùn)練要求的不斷提高,得到了迅速發(fā)展,品種不斷增多,功能日趨完善[1-3]。特別是大速度超低空掠海飛行功能的擴(kuò)展,可模擬低空掠海來(lái)襲導(dǎo)彈,進(jìn)一步提高靶標(biāo)的真實(shí)度。當(dāng)系統(tǒng)速度提升,低空掠海飛行時(shí)如果策略選擇不當(dāng),在外部環(huán)境干擾下,可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)掠海飛行,也可能導(dǎo)致拖靶入水墜毀。因此需對(duì)拖靶超低空掠海定高飛行的使用邊界進(jìn)行研究,提高系統(tǒng)使用安全性。本文針對(duì)某拖靶系統(tǒng)速度提升后如何進(jìn)行掠海安全飛行這一現(xiàn)實(shí)需求,分析了拖靶定高飛行工作原理,建立了系統(tǒng)仿真模型,給出了拖靶超低空掠海定高飛行的使用邊界,為某新型拖靶大速度超低空掠海飛行提供理論依據(jù)。

1 拖靶工作模式

拖靶不同于一般飛行器,其本身無(wú)動(dòng)力,靠拖帶飛機(jī)(簡(jiǎn)稱拖機(jī))拖曳飛行。典型的現(xiàn)代航空拖靶系統(tǒng)由拖機(jī)、航空絞車、拖纜和拖靶等部分組成[4]。

其典型任務(wù)工作剖面如圖1所示,拖機(jī)掛裝航空絞車拖靶起飛后,首先爬升至放靶高度,保持高度速度勻速釋放拖纜放出拖靶,拖纜長(zhǎng)度釋放至預(yù)定長(zhǎng)度(一般為5000 m),停止釋放拖纜,然后降高至預(yù)定基準(zhǔn)高度,調(diào)整速度航向進(jìn)入航路,控制拖靶高度控制系統(tǒng)工作,拖靶模擬來(lái)襲導(dǎo)彈做掠海恒高飛行。艦艇上的火炮、導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)則可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤、射擊或模擬射擊,如果需要可進(jìn)行第二次供靶進(jìn)入,任務(wù)結(jié)束后拖靶高度控制系統(tǒng)停止工作,拖機(jī)爬升到收靶高度以上,并調(diào)整速度進(jìn)行收纜收靶,直至最后拖靶在絞車上復(fù)位后,拖機(jī)返航。

2 拖靶定高飛行工作原理

由系統(tǒng)工作剖面可確定拖靶定高飛行時(shí)的高度關(guān)系,如圖2所示所示。從圖中可以看出,拖靶定高飛行高度h與拖機(jī)基準(zhǔn)飛行高度f(wàn)(m)、拖纜下沉量f(n)有關(guān)。即拖靶的飛行高度h由下式確定：

h=f(m)-f(n)

(1)

式中，f(m)為任務(wù)前設(shè)計(jì)的定值,飛行過(guò)程中,拖纜對(duì)拖機(jī)的牽引力是變化的,牽引力變化可看做是作用于拖機(jī)上的干擾力,而拖機(jī)靠調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)推力和控制參數(shù),仍可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行,保證f(m)的偏差在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi),可認(rèn)為f(m)在飛行過(guò)程中不變。

式中f(n)為一變化量,當(dāng)一定長(zhǎng)度的拖纜在拖曳飛行時(shí),兩端分別受到拖機(jī)的牽引力、拖靶的拉力作用,同時(shí)受氣動(dòng)力、自身重力作用,在這些外界力共同作用下,拖纜的下沉量就不同,拖靶的飛行高度也不同。

拖靶要實(shí)現(xiàn)定高飛行,就是通過(guò)對(duì)拖纜拉力進(jìn)行調(diào)整,使拖纜下沉量維持不變。其中拖靶對(duì)拖纜的拉力主要由于拖靶重力、飛行氣動(dòng)力和高度控制系統(tǒng)作用時(shí)的附加氣動(dòng)力組成。當(dāng)拖靶實(shí)際飛行高度與預(yù)定高度存在高度差時(shí),高度控制系統(tǒng)控制舵面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加的氣動(dòng)力,由于拖纜兩端受力發(fā)生,其下沉量也隨之變化,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定高飛行。當(dāng)高度控制系統(tǒng)產(chǎn)生的附加氣動(dòng)力引起的拖纜下沉量變化不足以消除高度誤差時(shí),則不能實(shí)現(xiàn)定高飛行。

通過(guò)上面分析可以看出拖靶要實(shí)現(xiàn)定高飛行,首先拖機(jī)基準(zhǔn)飛行高度f(wàn)(m)要合理有效,其次拖靶的舵面效率足夠高,能夠克服外界干擾帶來(lái)的拖纜下沉量f(n)變化。

3 系統(tǒng)建模

由式(1)可知,要設(shè)計(jì)f(m)必須知道f(n)和h,對(duì)于某一特定任務(wù),h已知那么只需確定任務(wù)狀態(tài)下的f(n)即可。那么需建立拖靶和拖纜動(dòng)力學(xué)模型[5-6]。

拖靶系統(tǒng)的工作情況是比較復(fù)雜的,一方面拖靶連同拖機(jī)做各種隨動(dòng)飛行,另一方面又相對(duì)于拖機(jī)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但是在實(shí)際拖靶定高飛行時(shí)對(duì)拖機(jī)飛行情況加以限制,要求拖機(jī)做平直勻速飛行,不考慮橫側(cè)向運(yùn)動(dòng),使系統(tǒng)建模得以簡(jiǎn)化。

3.1 拖靶受力模型分析

拖靶掛機(jī)狀態(tài)下,受拖纜的拉力T、升力L、阻力D、力矩M,拖靶自身重力mg,受力分析如圖3所示。

則在速度坐標(biāo)系下,拖靶縱向動(dòng)力學(xué)方程如下:

(2)

式中，θ為拖靶姿態(tài)角,γ為航跡角,α為迎角,φ為拉力與機(jī)體軸夾角。

有了拖靶的受力模型,就可以確定在不同速度下,拖靶不同舵翼角工作狀態(tài)下對(duì)拖纜的拉力大小和方向,為拖纜下沉量的計(jì)算提供條件。

3.2 拖纜受力模型分析

對(duì)于拖纜這樣的柔性細(xì)長(zhǎng)體,長(zhǎng)度達(dá)5000 m,直徑只有幾毫米,研究其運(yùn)動(dòng)時(shí),既不能將其看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn),也不能將其看成一個(gè)剛體。這里,采用微積分中的研究方法,將拖纜分割成無(wú)數(shù)個(gè)拖纜微元,把每個(gè)微元作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)研究其受力與運(yùn)動(dòng),這樣就能得到微分形式的拖纜飛行動(dòng)力學(xué)模型。

不妨設(shè)拖纜與拖靶連接處為零點(diǎn),在拖纜長(zhǎng)度為s處取一長(zhǎng)度為Δs的拖纜微元,則該拖纜微元兩端受到的拖纜張力分別為T和T+ΔT,拖纜水平運(yùn)動(dòng)速度為u,垂直速度為v,拖纜氣動(dòng)阻力為D,升力為L(zhǎng),微元質(zhì)量m,那么拖纜微元受力分析如圖4所示。

那么有

(3)

有了拖纜微元的受力模型,就可以確定該微元在空間的狀態(tài),通過(guò)迭代法就可求出整個(gè)拖纜的狀態(tài)空間分布,進(jìn)而確定拖纜兩端的張力情況和總的拖纜下沉量。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真初始條件

假定系統(tǒng)工作在理想環(huán)境條件下,其初始數(shù)據(jù)如下:

拖靶質(zhì)量m=40 kg；

拖靶參考面積S=0.03 m2；

拖靶參考長(zhǎng)度L=3.5 m；

拖靶舵面工作范圍δe=-6°～2°；

拖纜長(zhǎng)度l=5 000 m。

4.2 仿真結(jié)果分析

基于拖靶初始數(shù)據(jù)和系統(tǒng)模型,可確定拖靶舵翼角在不同速度下與拉力關(guān)系曲線,如圖5所示,進(jìn)而可確定不同速度、舵翼角下的拖纜的下沉量,如圖6所示。

從圖5、6中可以看出,隨著舵翼角的偏向負(fù)值,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的力,加載在拖纜端的拉力隨之增加;由于拖纜兩端的張力增加,拖纜的下沉量也增加。隨著速度增加,拖靶氣動(dòng)力增加,拖靶對(duì)拖纜的拉力增加,但拖纜的氣動(dòng)力也增加,綜合結(jié)果拖纜下沉量減小。

因此在拖靶定高飛行速度增加后,拖機(jī)的基準(zhǔn)飛行高度要降低,掠海飛行速度由Ma=0.45提高到Ma=0.6,拖機(jī)的基準(zhǔn)飛行高度要降低120 m左右。實(shí)際飛行掠海低空飛行過(guò)程中,拖機(jī)的高度有原先的450 m調(diào)整為330 m,最低不能低于320 m,否則可能導(dǎo)致拖靶水,最高不能高于370 m,否則拖靶無(wú)法達(dá)到掠海定高飛行的目的。依據(jù)該方法,指導(dǎo)了后續(xù)研制飛行試驗(yàn),取得了滿意的效果,結(jié)果表明該方法合理有效。

5 結(jié)束語(yǔ)

拖靶系統(tǒng)提高飛行速度,在模擬低空掠海來(lái)襲導(dǎo)彈方面,提高了靶標(biāo)的真實(shí)性和有效性。而系統(tǒng)速度提升后,如何確立系統(tǒng)的使用邊界,選擇拖曳基準(zhǔn)飛行高度就顯得尤為重要。本文針對(duì)拖靶系統(tǒng)速度提升后,如何確立拖機(jī)新的使用邊界進(jìn)行了研究,完成了以下工作：

1)通過(guò)對(duì)拖靶定高飛行工作原理進(jìn)行分析,確立了問(wèn)題分析的對(duì)象;

2)通過(guò)對(duì)拖靶、拖纜進(jìn)行建模分析,確立了兩個(gè)模型見相互作用的耦合點(diǎn)；

3)結(jié)合實(shí)際條件,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算分析,結(jié)果表明,系統(tǒng)速度提升后,要實(shí)現(xiàn)超低空掠海安全飛行,拖機(jī)的基準(zhǔn)飛行高度要降低120 m,并在系統(tǒng)科研試飛試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證,取得了滿意效果,為系統(tǒng)速度提升后的使用提供理論依據(jù),對(duì)系統(tǒng)的推廣使用而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。