機載導彈特殊環境分析

史明麗，毛劍暉

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

機載導彈特殊環境分析

史明麗，毛劍暉

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

目的 為避免由于設計階段環境適應性要求涵蓋范圍的縮小造成使用風險，對機載導彈特殊環境進行分析。方法 梳理機載導彈壽命期內除典型環境外的特殊氣候、力學和綜合應力環境，深入分析每項特殊環境產生的機理和應力特點，以及其對機載導彈功能、性能產生的不利影響和在這些特殊環境下使用的風險。結果 在此基礎上對機載導彈適應這些特殊環境需開展的工作進行了梳理，提出了綜合解決方案。結論 機載導彈研制中應盡快開展針對特殊環境的設計和試驗驗證工作。

導彈；特殊環境；環境適應性；振動；載荷

目前，機載導彈的環境適應性要求制定的主要依據是GJB 150A《軍用裝備實驗室環境試驗方法》系列標準[1—3]，同時參考已定型或在研產品的環境要求和實測數據，以及載機平臺的要求[4]。其中未包含以下特殊環境：GJB 150A有規定但本產品未考慮的環境；GJB 150A明確指出未包含的環境；自然界發生概率極低的環境；由導彈設計決定的、與環境相關的其他情況。

為避免由于環境適應性要求涵蓋范圍的縮小造成使用風險，有必要在產品典型環境適應性要求的基礎上，對機載導彈壽命期內除典型氣候環境、力學環境和生物環境外可能經歷的特殊環境進行分析，并對這些環境對導彈服役可能產生的風險進行分析，提出綜合解決方案。

1 壽命期環境剖面分析

機載導彈從出廠到壽命終結要經歷六個典型環境事件，見表1，經歷多種自然和誘發環境。

表1 機載導彈壽命期環境剖面

通過壽命期剖面分析，發現雪、冰、冰雹、霧、霧霾、有害氣體通常在機載導彈研制的環境工程工作中未予考慮。隨著我國環境污染的加重和極端天氣的多次出現，這些特殊氣候環境對機載導彈的影響問題已無法回避，有必要對其進行分析。溫度、濕度、力學環境（含振動、加速度、沖擊）通常在研制中開展了大量的設計和試驗驗證工作，但在實際使用中由它們誘發的故障仍時有發生，分析原因主要是按標準進行了設計和考核，但仍有部分特殊情況和與機載導彈自身使用方式相關的特殊環境未予考慮，必須對這些特殊環境進行分析。以下從氣候、力學、綜合應力三方面對特殊環境進行分析。

2 特殊氣候環境

2.1 溫度

典型溫度環境已包含了地面和掛飛高低溫環境，未包含以下特殊狀態下的溫度環境。

1）自主飛氣動加熱造成的局部溫度環境。由自主飛氣動加熱具有溫度高（300 ℃以上）、持續時間短（數十秒）、不同區域差別大、與產品氣動熱緊密相關等特點，彈內溫度是與彈體熱防護相關的一個快速變化的動態過程，很難給出傳統意義上通用的溫度環境要求，需開展結合氣動熱的專項分析。

2）發動機燃燒造成的局部溫度環境。發動機燃燒造成的局部溫度雖然很高（500 ℃以上），但其持續時間更短（幾秒）、影響范圍僅限于發動機上/旁邊安裝的設備，因此可結合地面和空中的發動機點火試驗對其環境進行測試、分析和考核。

3）設備工作發熱造成的局部溫度環境。機載導彈壽命期內存在空中長時間加電的情況，導彈內大功率電子設備工作時會散發熱量，熱量的累積造成局部溫度逐漸升高，而在空中低氣壓的環境下，熱量將更不容易散出、溫升更大，彈內溫度會上升10～30 ℃，這使得其他組部件的工作環境溫度高于導彈的工作溫度[5]。因此，需要進行長期加電狀態下的熱分析和測試，適當提高組部件高溫工作溫度要求。

2.2 濕熱

典型濕度環境包含了自然界地面最惡劣的高濕環境，以及在高濕環境下的凝露、滲透、吸收和呼吸效應，不包含以下特殊狀態下的濕熱環境。

1）壓力和溫度變化導致的凝露。在飛機掛彈執行訓練或巡航任務的過程中，壓力和溫度同時變化造成凝露出現[1—3]。機載導彈有淋雨試驗要求，外部凝露不會造成導彈工作異常。內部凝露一般不會很多，在水不大量積聚的情況下，經過濕熱試驗考核的產品應該可以正常工作。

2）呼吸效應造成積水。密封或半密封產品內部留存的液態水一般很難再自然釋放出來，時間一長必然會對產品功能性能造成影響[1—3]。機載導彈生產過程中嚴格控制廠房濕度，溫度試驗后也進行產品烘干，所以生產環節可避免積聚液態水。服役后國防倉庫貯存溫濕度也受控，也不會積聚液態水。地面貯存、掛機飛行的內部凝露雖然比較少，但也存在留存液態水的概率，所以還需加強密封設計以避免這種情況的發生。

2.3 霧、霧霾

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統，是水汽凝結（或凝華）的產物，多出現于秋冬季節。霾是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸等顆粒物組成的氣溶膠系統。霧霾是霧和霾的混合物，早晚濕度大時霧的成分多，白天濕度小時霾占主力。霧的厚度只有10～200 m，霾則有1～3 km。霧和霧霾的存在會降低空氣透明度，光線在傳播的過程受微小水滴、冰晶和顆粒物的散射作用而強度變弱，造成光學系統從背景中識別目標的能力降低，甚至功能喪失。

目前，標準中未規定裝備霧、霧霾天氣的考核評估方法，但隨著我國自然環境污染的加劇，霧霾天氣出現的頻次增多、持續時間加長，有必要開展機載導彈對霧、霧霾環境適應能力的評估，給出針對不同強度霧、霧霾環境限用或禁用的使用要求和建議。

2.4 有害氣體

車輛、船舶、飛機的尾氣、工業企業生產排放、居民生活和取暖、垃圾焚燒、火山爆發等活動排出大量有害氣體，其中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物、臭氧、氫氟酸等與裝備的材料發生化學反應，由此帶來材料外觀變化、強度降低、電性能變化等一系列問題。如造成金屬表面腐蝕、失去光澤，造成漆層褪色、軟化或龜裂，造成陶瓷制品表面光澤損失、反射率下降，造成橡膠制品脆化、發黏、裂紋，造成電接觸點氧化、導電率降低。

目前的裝備設計中，都會考慮鹽霧環境，有害氣體環境一般都未予以考慮，但自然界的鹽霧和有害氣體環境經常會同時出現，它們的共同作用會造成腐蝕的加速和加劇。因此僅對鹽霧環境開展適應性設計和試驗驗證無法滿足實際使用的需求，需在此基礎上開展針對有害氣體的設計和試驗驗證工作。

3 特殊力學環境

3.1 加速度

典型加速度環境不包括：導彈掛機飛行時，暴露在氣流中的機載導彈表面除承受慣性載荷外還承受氣動載荷，機載導彈承受氣動載荷應按照這些載荷的最嚴重組合情況來設計和試驗，這需要開展結構強度（靜力和疲勞）分析和驗證[2—3,6]。

3.2 沖擊

典型沖擊環境包含了機載導彈壽命期的跌落沖擊、基本設計沖擊等環境，用于考核飛行器在使用和裝卸中預期可能遭受的非重復性沖擊，不包含著陸沖擊環境。著陸沖擊是機載外掛壽命期內遇到的典型動力學環境，應力量級大、重復次數多，易造成外掛物結構疲勞和損傷，威脅飛行安全，必須進行考核。該環境是外掛在特定安裝狀態和特定任務下的典型結構響應，試驗時必須模擬實際安裝狀態和激勵，才能得到比較貼合實際的響應，使產品受到恰當考核。

由于基本設計沖擊無法在低頻段覆蓋著陸沖擊環境，且作用次數遠小于著陸沖擊環境實際出現的次數，無法考核產品的著陸沖擊環境，所以機載導彈研制過程除了進行基本設計沖擊試驗外，歡迎開展針對著陸沖擊環境的適應性設計和考核[7]。

3.3 振動

機載導彈現行的外部掛飛振動要求按 GJB 150.16/GJB 150.16A制定，包含了隨機振動和機動抖振，屬于一般意義上的振動。標準中同時指出，外部懸臂在流場中由氣流擾動引起的強迫振動可以產生極其惡劣的振動環境，有時會造成機載導彈快速失效。懸臂振動動態特性有以下特點：懸臂受激勵作用的表面積相對于支撐結構和截面積要大；懸臂容易出現大幅值的運動響應，并在支撐基座上出現大的根部應力；當懸臂的形狀為“翼型”時，會產生氣動升力和拉力并疊加在波動壓力載荷上[2—3]。帶舵翼面飛行的機載導彈完全滿足這種動態特征。強烈的氣動擾動產生的強迫振動有兩種重要的激勵類型。

1）一個是寬帶隨機擾動造成的寬帶隨機振動，產生在相對鈍的流場障礙后面或薄片后面，外掛的尾舵/翼一般暴露在掛架或前方外掛的后部擾動中，強烈的寬帶擾動向下游方向運動，可以在擾動部件后方維持3～5倍擾動部件最大截面尺寸的距離。

2）另一個是渦流，在一個“翼”兩側的壓力不同時形成，速度和方向不斷變化的流體翻滾形成的擾動產生了這些氣動力，這些變化以攻角和流場速度的變化對翼施加影響，渦流造成的低頻振動，這個問題一般與機載導彈的某個振動模態有關，有時會引起快速的疲勞和磨損失效[7—9]。

局部擾動是無法預測的，在研制過程中應首先盡量避免發生這種情況，標準中給出的具體做法為：機載導彈安裝在已知的擾動區域外，在平臺規定的使用包絡線內操作平臺，如果出現了問題要評估這些問題等。對于機載導彈來說，要隨戰斗機進行全包線的飛行，且掛裝飛機、掛點等均不應受限。因此解決該問題可行的辦法只能是預示這種環境的應力特征和量級并開展針對性設計，使導彈適應這種環境。目前，業內這方面開展的工作比較有限，對這種典型環境的知識儲備并不多。要解決這個問題需開展不同載機、不同掛點的氣動力和擾動情況分析，以確定是否存在出現外掛懸臂氣動擾動的情況，同時開展飛機邊界條件飛行時的振動環境實測。

4 綜合應力環境

機載導彈經受的實際環境一般都是幾個因素共同作用，需對典型環境中未包含、共同出現概率高、共同作用會造成產品失效或失效加速的綜合應力環境進行分析。

4.1 溫度-濕度-振動-高度/振動-噪聲-溫度

GJB 150.24A，GJB 150.25A規定了溫度-濕度-振動-高度四綜合試驗和振動-噪聲-溫度三綜合試驗。其中溫度-濕度和溫度-高度綜合已在典型環境中進行了分析和考核，暫不作考慮。噪聲對產品的作用機理是誘發振動，振動的產品再向外輻射噪聲，所以它們對產品的作用機理和失效模式基本相同，但考慮到振動試驗的頻率（一般為5～2 000 Hz）不能覆蓋噪聲試驗的頻率（一般為5～10 000 Hz），從試驗考核來說它們還是有區別的，但由于作用機理，振動和噪聲的耦合作用可通過提高單個應力的量級來近似考核[13]。高低溫會使得材料的物理特性（例如結構尺寸、強度、剛度等）改變，造成產品耐振性能的變化、進而造成產品功能性能的劣化，在高低溫下施加振動對產品考核非常必要。導彈和彈上設備的溫度-振動綜合應力可結合可靠性試驗進行。

4.2 加速度-氣動-振動載荷

在飛機作機動（含大機動、復雜特技、戰斗特技）飛行時，強烈的低頻氣流擾動會造成導彈低頻的大量級振動響應，時域的峰值有時會超過 10g[7]。同時彈身還要承受飛機機動的加速度過載，飛機整機的加速度過載能達到 8g，而機載導彈由于掛裝在翼尖或外翼遠離飛機中心線，同時要考慮機動情況所引起的附加角速度對線加速度的影響，因此量值較整機大很多。按標準給出的方法計算，對于一般飛機量值為（13.5～23）g[2—3]。機動飛行時，彈身/舵翼面承受的氣動力載荷也達到最大，這三種載荷同時作用在導彈上，加上掛飛狀態導彈的懸臂梁結構，將在懸臂的根部-吊掛附加造成高量級的應力集中，存在很大的風險。需在導彈強度分析時考慮這三種應力同時作用的情況[12—13]。

5 結論

綜上所述，由于特殊環境與產品結構設計、工作狀態等緊密相關的，暫時無法給出通用的技術要求，需在產品設計方案和仿真模型的基礎上同步開展環境分析、適應性設計并結合科研試驗的驗證，解決方案見表2。只有通過對特殊環境系統進行全面的分析，得到真實全面的環境數據，并開展針對性的設計和試驗驗證工作，才能確保機載導彈壽命期內的環境的適應性、可靠性和安全性滿足使用需求。

表2 特殊環境及綜合解決方案

[1] GJB 150—1986, 軍用設備環境試驗方法[S].

[2] GJB 150A—2009, 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].

[3] MIL-STD-810F, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[4] GJB 4239—2001, 裝備環境工程通用要[S].

[5] 吳清才. 航天電子產品熱環境試驗策略研究[J]. 裝備環境工程, 2015, 12(3): 80—84.

[6] GJB 1C—2006, 機載懸掛物和懸掛裝置接合部位的通用設計準則[S].

[7] DEF STAN 00-35-1999, Handbook of National Defense Equipment Environment-Induced Mechanical Environment[S].

[8] 張海濤, 周占廷. 飛行試驗抖振載荷統計技術[J]. 飛行力學, 2013, 31(3): 277—280.

[9] ROBERT W M, GAUTAM H S. Spatial Characteristics of F/A-18 Vertical Tail Buffet Pressures Measured in Flight[R]. AIAA-98-1956, 1998.

[10] CHRISTOPHER L B, SURESH R P. Buffet Fatigue Sequence Generation from F/A 22 Flight Test Data Using Frequency Domain Methods[R]. AIAA-007-765, 2007.

[11] 姚建軍, 余盛強. 噪聲環境對彈上電子設備的作用機理研究[J]. 導航定位與授時, 2015, 2(3): 120—127.

[12] 李春枝, 牛寶良, 黎啟勝. 振動離心復合環境下結構響應試驗研究[J]. 裝備環境工程, 2015, 12(5): 83—87.

[13] 宮曉春, 朱曦全, 胡彥平. 離心振動復合環境試驗系統的動力學建模[J]. 強度與環境, 2013, 40(3): 15—16.

Special Environment of External-store Missile

SHI Ming-li,MAO Jian-hui
(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471000, China)

Objective To avoid functional risks due to narrowed covering range required by environment suitability in development stage and analyze special environment of external-store missile. Methods Special climate, mechanics and complex stress environment except typical environment in the service life of external-store missile were analyzed. Mechanism and stress features generated in each special environment, their adverse effects on functions and performances of external-store missile and risks on using in special environment were also analyzed in depth. Results Jobs to be completed for external-store missile to adapt to special environment were combined and comprehensive solutions were proposed. Conclusion It is necessary to start design and experimental tests of special environment as early as possible in development of external-store missile.

missile; special environment; environmental adaptability; vibration; load

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.014

TJ76

A

1672-9242(2017)01-0057-04

2016-07-22；

2016-08-24

史明麗（1980—），女，陜西人，碩士，高級工程師，主要研究方向為裝備環境工程。

毛劍暉（1964—），男，河南人，碩士，高級工程師，主要研究方向為裝備環境工程。