空投水雷安全性建模及仿真分析

梁 晶

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空投水雷安全性建模及仿真分析

梁 晶

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為驗證空投水雷空中投放的安全性, 建立了其空投過程的運動方程和數學模型, 并按照開傘之前、開傘以后和意外開傘3種情況進行了仿真分析。結果表明, 該種水雷在3種情況下都能確保空投的安全性, 后期進行的實投試驗證明了模型和仿真分析的正確性。

空投水雷; 數學模型; 仿真

0 引言

水雷的投放安全性分析是指通過建立水雷投放的安全性分析模型, 研究在投放過程中水雷和水雷之間以及水雷和飛機之間是否發生干涉的問題, 以證明水雷的空投過程對飛機不造成影響, 確保飛機的安全。目前國際上空投水雷普遍采用復式掛架和三聯掛架與飛機掛接。如圖1所示, 在飛機機翼下一個掛彈架上掛6枚水雷: 前端掛3枚、后端掛3枚。此種方式是投放安全性分析重點考慮的內容。

圖1 水雷在飛機掛架上的布置圖

本文對采用此種掛接方式的空投水雷投放過程進行建模和仿真分析, 由于外掛水雷的空投過程分為開傘前和開傘后2個不同空氣動力特性的階段, 其空氣動力模型不同、運動軌跡不同、影響安全性的因素也不相同。因此將空投安全性分析拆分為開傘之前的安全性分析和開傘以后的安全性分析2個階段, 同時還考慮到飛機航行過程中水雷發生意外開傘的情況下的安全性分析。

1 開傘之前的安全性分析

開傘之前主要考慮水雷投放時前端點與前水雷后端點是否發生干涉, 以及側向投放水雷的側面是否會和發射平臺掛彈架發生干涉的問題。

首先考慮第一種情況, 即空投后面的水雷時, 后雷前端面、兩點在投放過程中是否與前雷的后端面點發生干涉。如圖2所示。

圖2 上邊界點的選取(縱平面)

雷上任意一點在地面系中的坐標[1]

坐標系中,兩點之間的距離, 有

2=(X-X)2+(Y-Y)2+(Z-Z)2(2)

這樣由彈道曲線[2]和點,點在雷體系中的坐標可以得到點和點的運動曲線, 從而計算出點和前雷后端面點的距離, 同理可計算點和前雷后端面點的距離, 由此可以得出水雷在投放過程中是否發生干涉。由于點和點對稱分布, 所以僅計算點即可, 結果見圖3。

圖3 A點與前水雷后端面距離

由圖3可以看出, 水雷在投放過程中, 前端面上點和點與前水雷后端面的距離隨時間逐漸增大, 這說明投放水雷的前端面不會和前水雷的后端面發生干涉, 即可以安全投放。這是由于在投放過程中, 水雷由于受到空氣阻力的作用, 速度逐漸減小, 而且逐漸低頭, 而飛機速度不變, 所以水雷逐漸離開飛機, 即可以安全投放。

考慮第2種情況, 即投放2號或3號水雷后, 水雷側面是否會和飛機掛彈架發生干涉的問題。如圖4所示。

圖4 上邊界點的選取(橫平面)

經過分析可知, 圖中的,,這3點如果在水雷投放以后都在向飛機掛彈架相反的方向移動, 則說明水雷不會和掛彈架發生干涉。在計算這種情況的安全性時考慮了空中隨機風的影響[3]。以飛機右側的水雷投放為例進行計算, 結果見圖5、圖6和圖7, 計算中考慮風向分別為0°, 90°, 180°, 270°,風速為10 m/s的隨機風的影響。

圖5 A點位移

圖6 B點位移

圖7 C點位移

由以上各圖可以看出, 右側水雷在投放以后, 由于初始速度的影響, 水雷左側邊界點,,點的位移一直增大, 也就是說, 水雷左側邊界點一直在向離開掛彈架的方向移動, 隨機風對水雷邊界點的位移有一定的影響, 但沒有改變邊界點的位移方向, 說明水雷在投放過程中不會和掛彈架發生干涉, 可以安全投放。

2 開傘之后的安全性分析

開傘之后的安全性, 主要考慮在降落傘打開之后, 降落傘是否與飛機以及機上水雷發生干涉的問題。降落傘的外形如圖8所示, 可以看出降落傘上的,,點為危險點。這里為了避免建立在降落傘開傘過程中降落傘外形的復雜數學模型[4], 考慮一種保守的做法, 即認為降落傘在開始開傘時就具有如圖8所示的外形(單位: mm), 也就是不考慮開傘時降落傘外形的變化[5]。

圖8 水雷降落傘外形示意圖

同理依據式(1)和式(2)可以計算出降落傘上的點,,離飛機下端面的距離, 計算所得距離隨時間的變化曲線, 如圖9、圖10和圖11所示。

由以上各圖可以看出, 在水雷投放過程中, 降落傘上的,,點與飛機下端面的距離隨時間逐漸增大, 這說明降落傘開傘以后不會和飛機下端面發生干涉。

圖9 A點到飛機下端面的距離

圖10 B點到飛機下端面的距離

圖11 C點到飛機下端面的距離

3 意外開傘的安全性分析

意外開傘是指, 在飛機掛彈飛行過程中, 開傘系統意外動作, 導致引導傘拉出, 這時主傘包不打開, 引導傘拖動主傘包、雷傘分離裝置向后運動, 在拉力達到一定大時雷傘連接器解脫, 主傘包、雷傘分離裝置、雷傘連接器在引導傘拉力及自身重力的作用下逐漸離開飛機。意外開傘安全性分析主要是研究意外開傘后, 在主傘包、雷傘分離裝置、雷傘連接器以及引導傘在離開飛機的過程中, 是否會和飛機發生干涉的問題。

建立如圖12所示的坐標系, 考慮主傘包、雷傘分離裝置、雷傘連接器為一剛體, 根據剛體動力學理論, 可以建立如下的動力學方程[6]

運動學方程

輔助方程

意外開傘安全性分析的危險點為點, 通過仿真點相對于飛機的運動軌跡, 結果見圖13。

圖13 意外開傘P點運動軌跡

由圖13可以看出, 在意外開傘過程中,點與飛機下端面的距離隨時間逐漸增大, 這說明降落傘意外開傘以后不會和飛機下端面發生干涉。

4 結束語

通過對空投水雷投放過程進行建模和仿真分析, 可以將空投安全性分析拆分為開傘之前的安全性分析和開傘以后的安全性分析2個階段, 同時還考慮到飛機航行過程中水雷發生意外開傘的情況下的安全性分析。仿真結果表明, 該種水雷在3種過程中都能確保飛機的安全性。在后期進行的實投試驗也驗證了該種水雷的空投安全性, 同時也證明了模型和仿真分析的正確性。對空投水雷安全性進行建模和仿真分析可以降低裝備型號的研制風險, 減少實投水雷樣機數量和實投試驗次數, 節省研制費用, 縮短研制周期, 對新型空投水雷的研制具有普遍的參考價值。

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Modeling and Simulation of Airdrop Mine Safety

LIANG Jing

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

This paper establishes a motion equation and a mathematical model of airdrop process of a mine to verify the airdrop safety. Three situations are simulated, i.e. the situation before parachute-opening, the situation after parachute-opening, and the situation of accidental parachute-opening. Simulation result shows that airdrop security of the mine can be ensured for the three situations. The following sea trial verifies the correctness of the proposed model and the simulation analysis.

airdropmine; mathematical model; simulation

TJ610

A

1673-1948(2012)03-0171-04

2012-03-08;

2012-04-17.

梁 晶(1981-), 男, 在讀碩士, 工程師, 主要研究方向為武器系統與運用工程.

(責任編輯: 陳 曦)