空空導(dǎo)彈溫度-高度環(huán)境適應(yīng)性模擬試驗(yàn)方法研究

楊軍鋒，孫 敏

（63876 部隊(duì)，華陰 714200）

引言

空空導(dǎo)彈作為典型的機(jī)載武器系統(tǒng)，在其壽命期內(nèi)運(yùn)輸、貯存、使用（掛飛和自主飛行）等多個(gè)階段，將經(jīng)受多種復(fù)雜的自然的或誘發(fā)的環(huán)境因素的綜合作用。根據(jù)空空導(dǎo)彈及其武器系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，本文以溫度和高度兩個(gè)環(huán)境因素為研究對(duì)象展開研究。

GJB 150A取消了GJB 150中的溫度-高度試驗(yàn)項(xiàng)目，修訂了低氣壓試驗(yàn)和溫度-濕度-高度-振動(dòng)試驗(yàn)等多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，但GJB 150.24A并不是真正的四綜合，而是單個(gè)或多個(gè)因素的組合試驗(yàn)，溫度-高度試驗(yàn)就是其中一環(huán)。GJB 150.24A試驗(yàn)方法的應(yīng)力使用不再強(qiáng)調(diào)極值準(zhǔn)則，剖面設(shè)計(jì)方法與可靠性試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)方法類似，基本上沒有為綜合試驗(yàn)的試驗(yàn)應(yīng)力條件剪裁和如何實(shí)施做出詳細(xì)的指導(dǎo)，許多地方不明確，可操作性差[1，2]，在具體試驗(yàn)時(shí)必將存在著工作不系統(tǒng)、照搬參考試驗(yàn)條件等問題，這就對(duì)溫度-高度試驗(yàn)項(xiàng)目的貫徹實(shí)施帶來了困難。因此，有必要對(duì)空空導(dǎo)彈溫度-高度環(huán)境適應(yīng)性模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。

1 空空導(dǎo)彈典型任務(wù)剖面分析

1.1 空空導(dǎo)彈典型壽命剖面分析

空空導(dǎo)彈具有“長期貯存、一次使用”的特點(diǎn)，其壽命期內(nèi)要反復(fù)經(jīng)歷包裝、裝卸、運(yùn)輸、貯存、檢測(cè)、維修、掛機(jī)飛行等過程，直至發(fā)射、引炸。空空導(dǎo)彈典型壽命剖面見圖1。

空空導(dǎo)彈在壽命期內(nèi)要經(jīng)受各個(gè)過程中存在及產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊、高溫、低溫、高濕、高度、鹽霧、霉菌、沙塵等一系列自然的或誘發(fā)的機(jī)械的、氣候的、化學(xué)的、生物的及其它特殊的單個(gè)或多個(gè)環(huán)境因素的作用，從而使空空導(dǎo)彈處于十分惡劣的、大幅變化的環(huán)境當(dāng)中，由此可能會(huì)對(duì)空空導(dǎo)彈造成不可逆轉(zhuǎn)的功能性損傷[3，4]。因此，對(duì)空空導(dǎo)彈進(jìn)行試驗(yàn)室環(huán)境適應(yīng)性模擬試驗(yàn)以獲取其在特定的環(huán)境條件下自身的材料、結(jié)構(gòu)、功能、性能的變化，以及空空導(dǎo)彈對(duì)其所經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力的物理響應(yīng)特性和耐環(huán)境能力極限等方面的信息顯得尤為重要。

1.2 空空導(dǎo)彈典型任務(wù)剖面確定

空空導(dǎo)彈一般是要經(jīng)歷空運(yùn)、高海拔機(jī)場/地域的儲(chǔ)存及使用、掛機(jī)飛行、自主飛行等經(jīng)受溫度和低氣壓綜合作用的狀態(tài)過程。其中掛機(jī)飛行是空空導(dǎo)彈主要的任務(wù)形式，且具有多次掛飛的特點(diǎn)。伴隨著載機(jī)起飛、爬升、俯沖、著陸等技、戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)彈所處環(huán)境中的溫度、氣壓不斷發(fā)生變化。

空空導(dǎo)彈典型任務(wù)剖面主要是溫度和低氣壓綜合作用的空中溫度環(huán)境（暫不涉及濕度、振動(dòng)），受溫度與高度綜合效應(yīng)的影響，可能產(chǎn)生更加復(fù)雜的物理或化學(xué)效應(yīng)、產(chǎn)生電效應(yīng)。低溫-低氣壓可能造成彈體及內(nèi)部材料的收縮、變脆甚至斷裂，影響彈體的密閉性，也可造成內(nèi)部液體的凍結(jié)等；高溫-低氣壓降低了空氣的熱傳導(dǎo)能力，引起過熱，膨脹、變形甚至破裂，加速了內(nèi)部構(gòu)件的老化及潤滑油等油液的揮發(fā)，同時(shí)造成了空氣電介質(zhì)強(qiáng)度明顯降低，使電暈起始電壓和擊穿電壓明顯降低，從而使飛弧、表面放電或電暈放電的危險(xiǎn)性增加；如彈體結(jié)構(gòu)密封性受到影響，彈體內(nèi)外部溫度差及壓差會(huì)通過泄露通道“呼”出或“吸”入，可能會(huì)造成潮氣等腐蝕氣體的進(jìn)入，產(chǎn)生腐蝕或氧化，重者導(dǎo)致絕緣下降和斷路現(xiàn)象。綜上所述，溫度、高度綜合應(yīng)力會(huì)使空空導(dǎo)彈的機(jī)械和電氣性能受到很大影響，必須開展溫度-高度環(huán)境模擬試驗(yàn)來進(jìn)行研究。

2 空空導(dǎo)彈掛飛階段（含貯存/運(yùn)輸）應(yīng)力量值確定

環(huán)境應(yīng)力及其量值的選擇與確定是考核空空導(dǎo)彈掛飛階段溫度-高度環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵。空空導(dǎo)彈通常掛載在飛機(jī)下表面，完全處于自然環(huán)境（不控溫、不控壓）當(dāng)中，直接受載機(jī)的飛行高度及所在高度上的大氣溫度、飛行速度、飛機(jī)爬升率、飛行時(shí)間等因素的影響；貯運(yùn)依據(jù)載機(jī)的最高飛行高度，艙溫、艙壓是否受控等情況分成各種類別。通常在兩類主要高度上進(jìn)行溫度-高度試驗(yàn)[5，6]，一是在載機(jī)的最高升限上；另一種是在典型的常用高度上。首先應(yīng)依據(jù)載機(jī)的空間狀態(tài)參數(shù)分階段的給出載機(jī)的階段高度、階段速度、階段持續(xù)時(shí)間以及各穩(wěn)定狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速率，繪制出載機(jī)的飛行任務(wù)剖面，并依此擬定出載機(jī)的環(huán)境應(yīng)力及溫度和壓力應(yīng)力量值、相應(yīng)的持續(xù)或轉(zhuǎn)換時(shí)間以及導(dǎo)彈所處的環(huán)境狀態(tài)。部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于飛行任務(wù)剖面，其它數(shù)據(jù)根據(jù)飛行任務(wù)剖面提供的高度、速度、持續(xù)時(shí)間并參考經(jīng)驗(yàn)值等進(jìn)行計(jì)算[7]。

在使用過程當(dāng)中，可能會(huì)遇到3 種類型的氣候溫度，即標(biāo)準(zhǔn)天、冷天和熱天的溫度，論文只考慮冷、熱天溫度應(yīng)力的影響。熱天和冷天地面溫度取決于所選定的冒極端溫度的風(fēng)險(xiǎn)率（論文采用20 %風(fēng)險(xiǎn)極值）。溫度可以根據(jù)所在高度分別從GB 1920 和HB 5652 中查出；目前用于掛機(jī)飛行典型任務(wù)剖面中的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)較少，一般情況下可根據(jù)公式：

圖1 空空導(dǎo)彈典型壽命剖面示意圖

式中：

T0—載機(jī)所處高度的大氣環(huán)境溫度；

M—載機(jī)的飛行馬赫數(shù)。

所施加的高度壓力應(yīng)按照載機(jī)的任務(wù)剖面確定。通常，在某一高度上空氣的壓力可以用下式來表示：

式中：P—壓力，KPa；

H—高度，km。

下面對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)三類載機(jī)的典型飛行任務(wù)剖面進(jìn)行分析，并對(duì)與之相對(duì)應(yīng)的溫度、高度應(yīng)力進(jìn)行分析研究。

2.1 戰(zhàn)斗機(jī)高-低-高任務(wù)剖面及其環(huán)境應(yīng)力確定

從目前世界上典型作戰(zhàn)飛機(jī)的性能參數(shù)可以看出，其飛行包線大多在15 200 m以下，巡航高度大多在9 000 m到15 200 m的范圍內(nèi)。主戰(zhàn)飛機(jī)的最大飛行高度一般不超過20 000 m，飛機(jī)速度最大不超過2.2 M，低空飛行一般不超過音速。

1）高—低—高飛行任務(wù)剖面

戰(zhàn)斗機(jī)有低—低、高—中—低、高—低—高等多種飛行剖面，以飛行高-低-高任務(wù)剖面經(jīng)歷的溫度、高度變化最為復(fù)雜，高-低-高任務(wù)剖面示例見圖2。最大爬升率參考蘇30相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 戰(zhàn)斗機(jī)高-低-高飛行任務(wù)剖面示意圖

2）環(huán)境應(yīng)力確定

依據(jù)GB 1920、HB 5652，公式（1）、（2）、（3）以及相關(guān)文獻(xiàn)，得出環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1。

當(dāng)載機(jī)在最高升限作低速飛行時(shí)，空空導(dǎo)彈處于低溫低氣壓（最低溫、最低壓）環(huán)境當(dāng)中；當(dāng)載機(jī)作高速飛行時(shí)，受氣動(dòng)加熱影響，空空導(dǎo)彈可能會(huì)處于高溫低壓環(huán)境當(dāng)中，通常只要求空空導(dǎo)彈能夠承受短時(shí)的高溫，但絕不允許使之熱保透[7]，亞音速飛行一般不涉及氣動(dòng)加熱問題。當(dāng)載機(jī)處于快速爬升或俯沖狀態(tài)時(shí)，彈體遭受溫度、壓力沖擊問題十分明顯。從已取得的高空掛飛的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看[8]（H=13.6 km，M=2.2，彈體TMax=139 ℃），一般計(jì)算溫度稍低或稍高于實(shí)測(cè)溫度且導(dǎo)引頭附近溫度最高。參照目前實(shí)測(cè)到的掛飛階段導(dǎo)引頭附近的溫度，確定高溫溫度為150 ℃，最低壓力為4.32 KPa，最低溫度為-70 ℃；確定常用高度壓力為18.8 KPa，溫度為-60 ℃；確定高溫低壓環(huán)境條件溫度為100℃，壓力為4.32 KPa；確定快速爬升至包線最大高度溫度為-60 ℃，壓力為11.1 KPa。

2.2 運(yùn)輸機(jī)高-中-低任務(wù)剖面及其環(huán)境應(yīng)力（含貯存/運(yùn)輸）確定

運(yùn)輸機(jī)可能用于空空導(dǎo)彈的貯運(yùn)任務(wù)，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)處于一定高度時(shí)，艙壓、溫度一般都會(huì)處于可控狀態(tài)，像伊爾76最大飛行速度不超過0.7 M，艙壓在達(dá)到某一高度之前和外界大氣壓力一致，超過一定高度保持在3 000 m左右。（根據(jù)我國機(jī)場海拔數(shù)據(jù)：目前我國海拔最高的機(jī)場為西藏邦達(dá)機(jī)場，海拔高度為4 334 m，擬建中的西藏那曲機(jī)場，海拔高度為4 436 m，目前采取地面軍事行動(dòng)的最高地面高度為4 570 m。導(dǎo)彈在掛飛之前可能會(huì)在類似的高海拔機(jī)場或野戰(zhàn)機(jī)場進(jìn)行貯存與掛機(jī)檢測(cè)等，從而使其在地面上就承受低壓環(huán)境。）載機(jī)在飛行過程當(dāng)中，可能會(huì)遭受飛鳥或不明物的劇烈沖撞甚至穿透以致造成艙壓快速或急劇下降的情況，使之承受意外失壓帶來的嚴(yán)重后果。

表1 高—低—高飛行任務(wù)剖面環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)

1）高—中—低飛行任務(wù)剖面

運(yùn)輸機(jī)執(zhí)行一次任務(wù)一般不超過8 h，且以飛行高-中-低任務(wù)剖面最為常見，飛行任務(wù)剖面示例見圖3。

2）環(huán)境應(yīng)力確定

依據(jù)GB 1920、HB 5652，公式（1）、（2）、（3）以及相關(guān)文獻(xiàn)，得出環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)見表2。

圖3 運(yùn)輸機(jī)高-中-低飛行任務(wù)剖面示意圖

表2 高-中-低飛行任務(wù)剖面環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)

圖4 直升機(jī)中-低任務(wù)剖面示意圖

表3 中-低飛行任務(wù)剖面環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)

當(dāng)在高原環(huán)境貯存/使用時(shí)，低壓條件為57.2 KPa，低溫條件為-45 ℃；當(dāng)處于空運(yùn)狀態(tài)時(shí)，艙內(nèi)壓力調(diào)整到70.1 KPa，溫度為25 ℃。當(dāng)遭受意外失壓時(shí)，壓力條件為18.8 KPa，低溫條件為-50 ℃，如損傷嚴(yán)重，失壓時(shí)間則非常短，可在0.1 s（具有爆炸性）甚至更短的時(shí)間內(nèi)完成；損傷輕微失壓時(shí)間相對(duì)長，但一般不超過15 s（快速性）。

2.3 直升機(jī)中-低任務(wù)剖面

1）中-低飛行任務(wù)剖面

直升機(jī)飛行包線大多在6 000 m以下，但運(yùn)輸直升機(jī)升限可達(dá)到8 000 m，通常情況下在幾十米至幾百米之間飛行，最大飛行速度不超過0.3 M。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)，中-低飛行任務(wù)剖面示例見圖4。

2）環(huán)境應(yīng)力確定

依據(jù)GB 1920、HB 5652，公式（1）、（2）、（3）以及相關(guān)文獻(xiàn)，得出環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)見表3。

3 空空導(dǎo)彈溫度-高度試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)條件

空空導(dǎo)彈溫度-高度環(huán)境適應(yīng)性模擬試驗(yàn)主要是依據(jù)使用過程當(dāng)中可能遇到的環(huán)境條件，通過剪裁分析，以試驗(yàn)高度、溫度、溫度變化速率、壓力變化速率和保溫保壓時(shí)間為主要參數(shù)，以考核空空導(dǎo)彈對(duì)溫度和低氣壓綜合環(huán)境應(yīng)力的適應(yīng)能力。

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目確定

根據(jù)空空導(dǎo)彈貯存、運(yùn)輸、掛飛各階段的環(huán)境應(yīng)力及其量值的變化特點(diǎn)，確定空空導(dǎo)彈溫度-高度環(huán)境適應(yīng)性模擬試驗(yàn)項(xiàng)目。

1）貯存/空運(yùn)

適用于高海拔地區(qū)運(yùn)輸/貯存/使用或在運(yùn)輸/貯存技術(shù)狀態(tài)下空運(yùn)的空空導(dǎo)彈。

2）氣動(dòng)加熱（常壓高溫）

適用于確定空空導(dǎo)彈掛飛階段經(jīng)氣動(dòng)加熱后對(duì)短時(shí)高溫變率的高溫的適應(yīng)能力。

3）低溫低氣壓

適用于確定空空導(dǎo)彈掛飛階段在高空作低速飛行時(shí)的工作性能。

4）高溫低氣壓

適用于確定空空導(dǎo)彈掛飛階段在高空作高速飛行時(shí)的工作性能。

5）快速降溫降壓

適用于確定空空導(dǎo)彈掛飛階段載機(jī)做快速俯沖、快速爬升時(shí)的性能。

6）快速減壓降溫

適用于確定空空導(dǎo)彈周圍環(huán)境壓力和溫度的快速降低是否會(huì)引起導(dǎo)彈性能變化。

3.2 試驗(yàn)條件

空空導(dǎo)彈溫度-高度綜合環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)條件要求[8]見表4。

3.3 試驗(yàn)實(shí)施流程

基于真實(shí)模擬和影響顯著的原則，通過3.2節(jié)確定空空導(dǎo)彈溫度-高度試驗(yàn)實(shí)施流程，見圖5和圖6。

3.4 試驗(yàn)實(shí)施技術(shù)

一般低氣壓試驗(yàn)系統(tǒng)難以滿足氣動(dòng)加熱試驗(yàn)和快速減壓降溫試驗(yàn)中所要求的快速升溫、快速降壓降溫的條件，必須開發(fā)專門的輔助系統(tǒng)來滿足試驗(yàn)要求。

表4 空空導(dǎo)彈溫度-高度綜合環(huán)境試驗(yàn)的試驗(yàn)條件要求

圖5 直升機(jī)用空空導(dǎo)彈溫度-高度試驗(yàn)流程

圖6 戰(zhàn)斗機(jī)用空空導(dǎo)彈溫度-高度試驗(yàn)流程

1）由于氣動(dòng)加熱試驗(yàn)試驗(yàn)室壓力不變，可使用專用的高加速應(yīng)力試驗(yàn)箱來進(jìn)行試驗(yàn)；運(yùn)用輻射加熱技術(shù)為溫度-高度試驗(yàn)系統(tǒng)加裝石英燈來進(jìn)行短時(shí)瞬態(tài)的熱模擬，與此同時(shí)還可對(duì)加熱表面進(jìn)行分區(qū)控制，從而達(dá)到氣動(dòng)加熱試驗(yàn)的目的。

2）由于系統(tǒng)很難滿足快速降壓的要求，為此運(yùn)用理想氣體狀態(tài)方程P1V1+P2V2=P(V1+V2)原理，為溫度-高度試驗(yàn)系統(tǒng)加裝一套輔助試驗(yàn)箱，該試驗(yàn)箱與溫壓艙共用一套降溫、降壓系統(tǒng)，兩箱體中間由氣動(dòng)閥聯(lián)接。快速減壓降溫試驗(yàn)之前，通過調(diào)節(jié)氣動(dòng)閥，將溫度、壓力分別調(diào)整到規(guī)定值，待初始試驗(yàn)條件滿足后，突然打開氣動(dòng)閥，通過控制氣動(dòng)閥的打開速度及閥門開度使兩個(gè)試驗(yàn)箱在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度、壓力平衡，即可實(shí)現(xiàn)快速減壓降溫試驗(yàn)。

4 結(jié)論

平臺(tái)及平臺(tái)環(huán)境的多樣化導(dǎo)致空空導(dǎo)彈在其壽命期內(nèi)可能會(huì)遭受更加復(fù)雜的環(huán)境條件，其環(huán)境適應(yīng)性必須滿足設(shè)計(jì)和使用要求。本文在對(duì)空空導(dǎo)彈壽命期內(nèi)典型任務(wù)剖面分析的基本上，從空空導(dǎo)彈可能要經(jīng)歷的高海拔機(jī)場貯存/使用、隨機(jī)掛飛、備件空運(yùn)、意外失壓等狀態(tài)事件入手，利用環(huán)境分析技術(shù)對(duì)涉及到的典型的溫度、高度環(huán)境因素進(jìn)行了分析研究，確定了空空導(dǎo)彈典型的極限溫度和極限低氣壓環(huán)境條件，給出了溫度-高度環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)要求，對(duì)空空導(dǎo)彈溫度-高度環(huán)境試驗(yàn)的開展有一定的指導(dǎo)意義，為進(jìn)一步研究具體的試驗(yàn)實(shí)施技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

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