王大志，孫貴新

(91550 部隊(duì)42 分隊(duì)，遼寧大連，116023)

0 引言

飛行器試驗(yàn)時(shí)可能因?yàn)楦鞣N意外發(fā)生故障墜毀，試驗(yàn)會(huì)對(duì)地面目標(biāo)構(gòu)成安全威脅。為了保護(hù)地面目標(biāo)安全，選擇試驗(yàn)航路時(shí)應(yīng)盡量避開地面目標(biāo)，劃定試驗(yàn)航區(qū)作為安全邊界，在飛行器上安裝主動(dòng)和被動(dòng)安控自毀系統(tǒng)，當(dāng)飛行器故障時(shí)將其自毀，避免飛出航區(qū)。

巡航式飛行器一般采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行亞音速巡航飛行?？v然超音速飛行是對(duì)飛行器性能的重要意義，但亞音速仍有不可替代的優(yōu)點(diǎn)，如省油、超長(zhǎng)距離巡航、噪音小及對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求低等特點(diǎn)。亞音速飛行在飛行器巡航中具有不可替代的重要作用，是一種低速飛行器[1]。亞音速巡航式飛行器安控自毀主要采用打下舵墜落地面飛行控制[2]，舵系統(tǒng)控制飛行器以最大角度向地面俯沖墜毀。本文將討論亞音速巡航式飛行器試驗(yàn)時(shí)地面目標(biāo)所受到安全威脅問題。

1 安全管道設(shè)置

在飛行器試驗(yàn)中，一般沿飛行航跡設(shè)定安控系統(tǒng)的告警線、必炸線，做為飛行試驗(yàn)安全管道[3]。在飛行器觸及必炸線時(shí)將飛行器自毀，飛行器落點(diǎn)將在自毀點(diǎn)附近散布，設(shè)其最大散布距離為R，連接必炸線外部這些最大散布點(diǎn)圍成的區(qū)域構(gòu)成飛行器試驗(yàn)航區(qū)安全邊界，如圖1 所示。

圖1 地面目標(biāo)保護(hù)示意圖

當(dāng)飛行器故障時(shí)，如果處于必炸內(nèi)，安控系統(tǒng)不采取措施，存在故障飛行器直接落入必炸線內(nèi)目標(biāo)的可能性；如果目標(biāo)處于必炸線和安全邊界之間，安控系統(tǒng)對(duì)飛行器自毀時(shí)，存在飛行器自毀后的落入目標(biāo)的可能性；如果目標(biāo)處于安全邊界以外，只有在安控系統(tǒng)失效的情況下才會(huì)有飛行器落入目標(biāo)[4]。

2 飛行器飛行試驗(yàn)故障模式

在進(jìn)行飛行器飛行試驗(yàn)安全性分析工作中，考慮飛行器飛行可靠度，在飛行器發(fā)生故障時(shí)，可能對(duì)地面目標(biāo)造成安全威脅，飛行器故障概率Pg=1-Pf?？蓪w行器故障模式分為三類：一、有控偏航故障，制導(dǎo)系統(tǒng)異常，動(dòng)力、控制系統(tǒng)正常；二、有控?zé)o偏故障，動(dòng)力系統(tǒng)異常，制導(dǎo)、控制系統(tǒng)正常；三失控故障，控制系統(tǒng)異常。如圖2 所示。

圖2 飛行器飛行故障概率分配圖

3 目標(biāo)受威脅概率分析

飛行器飛行故障概率是飛行器在標(biāo)準(zhǔn)航程L時(shí)的故障概率，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)航程中的飛行器試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)航程為L(zhǎng)s時(shí)，可將飛行器發(fā)生故障的概率折合到標(biāo)準(zhǔn)航程中，即飛行器在試驗(yàn)中失效概率符合如下關(guān)系：

以下按飛行器故障模式分析對(duì)目標(biāo)的威脅概率。

3.1 有控?zé)o偏故障

飛行器在有控?zé)o偏故障時(shí)沿航跡飛行而發(fā)生故障墜落，假設(shè)飛行器發(fā)生故障后落點(diǎn)散布是以故障點(diǎn)O為中心，以R為半徑的半圓，如圖3 所示。故障點(diǎn)O在航跡上，落點(diǎn)散布半圓以O(shè)為中心，沿航跡軸對(duì)稱。

圖3 飛行器有控?zé)o偏故障落點(diǎn)散布示意圖

R為飛行器故障落點(diǎn)的最大散布距離，與飛行器飛行的相對(duì)高度（飛行器距地面高度）相關(guān)，如圖 4 所示。

圖4 飛行高度與自毀距離關(guān)系示意圖

式中：φ2、φ1為目標(biāo)在墜落點(diǎn)XOZ 坐標(biāo)系下方位角積分上下限，r2、r1為為目標(biāo)在墜落點(diǎn)XOZ 坐標(biāo)系下距離積分上下限。g(r)為墜落時(shí)飛行器落點(diǎn)在距離r上的概率密度函數(shù)，f(φ)為墜落時(shí)飛行器落點(diǎn)在方位φ上的概率密度函數(shù)。

飛行器飛行試驗(yàn)有控?zé)o偏故障對(duì)目標(biāo)威脅概率為：

飛行器有控?zé)o偏故障對(duì)安全邊界內(nèi)目標(biāo)構(gòu)成威脅，不會(huì)對(duì)安全邊界外目標(biāo)構(gòu)成威脅。

3.2 失控墜落故障

飛行器榆.基于單比特和近似正常在告警線內(nèi)飛行，在發(fā)生失控墜落故障時(shí)因失控而迅速墜毀落地。飛行器在觸及必炸線前安控系統(tǒng)一般不采取措施，因此，假設(shè)飛行器失控墜落故障時(shí)落點(diǎn)在必炸線內(nèi)平均分布。假設(shè)目標(biāo)為沿航跡的正方形，邊長(zhǎng)為d，則飛行器失控墜落故障對(duì)目標(biāo)威脅概率為：

式中D必炸線為平均寬度，L為飛行器標(biāo)準(zhǔn)航程。

飛行器失控墜落故障對(duì)必炸線內(nèi)目標(biāo)構(gòu)成威脅，不會(huì)對(duì)必炸線外目標(biāo)構(gòu)成威脅。

3.3 有控偏航故障

飛行器有控偏航故障，可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)航程L內(nèi)的任意目標(biāo)造成威脅，設(shè)目標(biāo)為邊長(zhǎng)d的正方形，則目標(biāo)所受威脅概率為：

在飛行器有控偏航故障時(shí)，會(huì)因觸碰必炸線實(shí)施安控而墜落而對(duì)必炸線和安全邊界之間的目標(biāo)構(gòu)成威脅，實(shí)施安控時(shí)飛行器落點(diǎn)在距離上符合有控?zé)o偏故障落點(diǎn)在距離上的散布，即飛行器落點(diǎn)在徑向距離R上服從正態(tài)分布

假設(shè)目標(biāo)為沿必炸線方向的正方形，其邊長(zhǎng)為d，在必炸線自毀飛行器時(shí)目標(biāo)在對(duì)飛行器的視角有：

式中R為自毀時(shí)飛行器與目標(biāo)距離。

則航程l對(duì)應(yīng)必炸線自毀飛行器對(duì)必炸線外、安全邊界內(nèi)目標(biāo)威脅概率為：

考慮到沿航跡兩側(cè)分別設(shè)置必炸線，目標(biāo)受必炸線飛行器自毀的威脅概率為：

對(duì)于安全邊界外目標(biāo)，只有安控失效才會(huì)對(duì)目標(biāo)真正的構(gòu)成威脅，其概率為：

式中，P a為安控可靠度(包含飛行器主動(dòng)安控和地面被動(dòng)安控)。

因此，有控偏航故障對(duì)任意目標(biāo)的威脅概率為：

3.4 威脅概率

綜上，必炸線內(nèi)目標(biāo)受威脅概率為：

必炸線外且安全邊界內(nèi)目標(biāo)受威脅概率為：

安全邊界外目標(biāo)受威脅概率為：

4 計(jì)算結(jié)果

圖5 地面目標(biāo)示意圖

地面目標(biāo)中，一類目標(biāo)指縣城及人口高度密集地區(qū)、重要的軍事設(shè)施、重要的古跡和旅游景區(qū)、生產(chǎn)危險(xiǎn)品的大型企業(yè)及易燃易爆品存放地、可能產(chǎn)生重大影響的其它設(shè)施和地區(qū)等；二類目標(biāo)為一類目標(biāo)以外的其它目標(biāo)。在某型飛行器試驗(yàn)中，選取典型的10 個(gè)目標(biāo)需要進(jìn)行安全性分析。按照這些目標(biāo)的重要程度將其分為2 個(gè)一類目標(biāo)和8 個(gè)二類目標(biāo)，部分段落目標(biāo)與安全管道關(guān)系如圖 5 所示。

按本文所述方法，根據(jù)飛行器試驗(yàn)參數(shù)取值，試驗(yàn)中目標(biāo)安全威脅概率計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 目標(biāo)安全威脅概率信息

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)亞音速巡航式飛行器試驗(yàn)故障模式進(jìn)行了分類，詳細(xì)分析研究了每種故障模式對(duì)地面目標(biāo)的安全威脅，選取典型目標(biāo)計(jì)算了目標(biāo)安全威脅概率。從理論分析和計(jì)算結(jié)果上看，目標(biāo)與安全管道關(guān)系直接影響安全威脅結(jié)果，航跡點(diǎn)和必炸線附近目標(biāo)受安全威脅較大；另外，目標(biāo)面積也是所受安全威脅的重要因素，面積越大，所受威脅越嚴(yán)重。因此，在進(jìn)行飛行器試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)航區(qū)選取盡量避開大型重要設(shè)施場(chǎng)地，如果航區(qū)選取確實(shí)存在困難，應(yīng)合理規(guī)劃飛行航路，使航跡點(diǎn)和必炸線遠(yuǎn)離地面目標(biāo)。