動基座飛行器故障彈道仿真

王大志　張建立

摘 要：靶場試驗對飛行器航區安全控制要求高，飛行器飛行故障狀態多，安全控制難度大，該文以彈道飛行器飛行動力學為基礎，根據飛行器各分系統、各部件的可靠性和重要性提出飛行器飛行中單一的或組合式的典型故障模式，然后再對其中的組合模式故障彈進行了彈道仿真。所得結果用于靶場試驗安全控制演練中，對試驗的安全控制有一定的幫助作用和指導意義。

關鍵詞：靶場 安全控制 故障彈道 仿真

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（c）-0-02

靶場試驗中，要求對飛行器進行航區安全控制，航區安全控制的準則之一是確保不誤炸正常彈，不漏炸必須炸毀的故障彈。為此，要充分了解飛行器飛行特性，尤其是對飛行器飛行過程中出現的典型故障加以認識和判斷，尤其是大射程飛行器，其飛行速度快，航區覆蓋范圍大，使飛行器安全控制工作十分困難，動基座飛行器又因其動基座特性增加了更多難度。因為飛行器飛行過程中可能出現的故障點非常多，所以只能由飛行器的各分系統、各部件的可靠性和重要性出發，提出單一的或組合式的典型故障模式，然后再對其進行仿真，給出飛行器飛行典型故障彈道，用于安全控制系統演練和試驗過程的故障判斷中。該文通過在飛行器飛行過程中加入故障點模擬了故障彈的飛行，并利用計算機仿真給出了故障彈道，應用于某型動基座飛行器的試驗中，對試驗的安全控制工作起到了一定的幫助作用和指導意義。

1 彈道飛行動力學

飛行器在主動段飛行[1]時，受到的外力有推力，空氣動力，控制力和地球引力；受到的外力矩有穩定力矩，控制力矩，阻尼力矩和附加力矩。其運動微分方程為：

將該矢量方程在不同的坐標系投影可得到不同的運動微分方程，該文中選擇發射慣性坐標系。

推力計算時要考慮大氣壓力的影響。計算公式為：

飛行器上采用搖擺發動機作為控制執行機構，推力與控制力可以統一考慮，推力在彈體坐標系中的投影如下：搖擺發動機按十字型配置

控制系統模型將制導信號轉化為實際執行機構的控制量，如發動機的舵偏角。該文采用簡單的線性放大環節。發動機舵偏角計算公式如下：

2 典型故障彈道分析

2.1 故障彈道模式分析

根據動基座飛行器特點[2]，飛行器發射點不固定，經過初段運行后，可能導致慣導平臺轉過一個角度，典型表現為：

飛行器沿射向反向飛行；

飛行器側向飛行，沿與射向成一定角度飛行；

在飛行器飛行過程中可能發生發動機熄火或爆炸引起故障：

飛行器失去動力，發生下墜飛行，做自由落體運動；

飛行器姿態角控制系統出現故障，程序角鎖死，典型表現為：

飛行器側偏飛行，飛行器在飛行過程中向遠離航區中心線的一側飛行；

飛行器飛行超出國境線；

航區內外有許多被保護目標，在航區安全控制中，劃出一定的區域來保護這些目標，稱為保護區。由于姿態角故障和發動機故障相結合，導致飛行器墜入某一保護區故障：

飛行器墜入保護區。

2.2 故障彈道計算方法

在飛行器發生故障前，采用彈道動力學模型計算彈道，在故障點后，將故障后的姿態角控制、發動機參數等重新加入到計算過程中，繼續進行計算。

下面針對組合故障模式進行分析。對于飛行器墜入保護區，此時為組合故障，以下故障全部發生：發動機熄火、偏航角故障、俯仰角故障。

取保護區中心點P，飛行器飛行姿態角故障表現為舵系統鎖死，姿態角保持為常值，假設其在二級發動機開始工作時即發生故障，取偏航程序角ψ=ψ1，使飛行器飛行預示落點經過P點附近（與P點最小距離不大于10公里）；設發動機在其工作過程中出現故障，故障點后飛行器作無動力被動段飛行，取發動機失效時間點t1（二級發動機工作以后），同時結合俯仰角故障（二級發動機工作開始）φ=φ1，使飛行器最終落點在P點附近（與P點最小距離不大于10公里）；再細調ψ1、t1、φ1三個參數，使飛行器落點最終在P點（與P點最小距離不大于1公里）。調整落點計算流程如圖1所示。

3 彈道仿真結果

以下給出飛行器正常飛行彈道和落入某一保護區時彈道仿真的結果，只給出和航區安全控制有關的x-y曲線，x-z曲線，如圖2、圖3所示。

由正常彈道和故障彈道的X-Y曲線比對可知，飛行器飛行超出管道，沒有達到預定高度，可以判定發動機或俯仰角去現故障；由X-Z曲線比對可知，飛行器飛行超出管道，發生偏側飛行，可以判定偏航角出現故障。

4 結語

通過對飛行器飛行的故障彈道進行仿真，得到了故障彈的飛行彈道，彈道數據可以應用于安控演練中，輔助安控軍官對飛行器飛行狀態進行了解判斷，提高對突發故障的實時判斷能力，確保飛行器飛行安全和航區安全。但是在仿真過程中也發現一些問題，如對故障點選擇帶有一定的隨意性，故障彈道對個別參數敏感，需要小心反復調試，數據輸出的可視化程度不高，在以后的工作中還要進一步完善這些方面的內容。

參考文獻

[1] 張毅，楊輝耀，李俊莉.彈道導彈彈道學[M].長沙：國防科技大學出版社，1999.

[2] 劉蘊才.導彈衛星測控系統工程（上冊）[M].北京：國防工業出版社，1996.