基于慣組實測數據的外掛導彈著陸沖擊條件擬合方法

王 亮，蔡毅鵬，周劍波，廖選平，李 璞

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

【裝備理論與裝備技術】

基于慣組實測數據的外掛導彈著陸沖擊條件擬合方法

王 亮，蔡毅鵬，周劍波，廖選平，李 璞

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

針對飛機外掛導彈上設備的著陸沖擊環境設計問題，提出了基于慣組實測數據的外掛導彈著陸沖擊條件擬合方法。給出了擬合方法的流程圖，建立了飛機著陸的簡化模型，研究其著陸過程動態響應時域曲線，選擇標準時域沖擊波形作為設計對象；通過遍歷方法形成不同參數的標準沖擊波形，將其頻域分析結果與實測數據的頻域分析結果進行對比，辨識出最終時域波形的設計參數；本方法可簡單有效地辨識出時域沖擊波形條件，作為工程設計參考。

著陸沖擊；沖擊響應譜；功率譜密度函數

對于外掛導彈的固定翼飛機，無論對載機還是外掛導彈，其著陸工況均是重要工況。載機外掛導彈后，著陸質量大，著陸沖擊載荷較大，該沖擊過程一方面會產生較大的靜態和動態載荷，對于大型飛機，該載荷可能較飛行載荷還大；另一方面會激起飛機和導彈組合體的低階模態，產生沖擊加瞬態振動，影響機載設備和彈上設備的功能，甚至破壞，從而影響飛機的安全性以及戰斗力。因此研究飛機帶彈著陸沖擊過程非常重要，尤其通過研究提出沖擊試驗條件，供設備進行抗沖擊環境適應性設計，是提高飛機和導彈設計品質和實戰化程度的重要工作。

對于著陸沖擊的研究，學術界基本集中在飛機或貨物著陸沖擊和飛船的返回著陸沖擊的過程仿真兩個大方向。

對于飛機或貨物著陸沖擊研究方面。針對飛機著陸撞擊時人體的沖擊響應問題，楊智春和顏璘娟采用11自由度坐姿人體動力學模型，研究了從座椅到人體關鍵部位的振動傳遞率，計算分析了坐姿人體在受到垂直方向上的沖擊激勵時的沖擊響應。結果表明在飛機著陸撞擊過程中，人體的腰椎響應較大，容易造成損傷。座椅對人體的支持剛度在沖擊過程中對人體的沖擊響應有較大影響,設計適當的座椅支持剛度可以減小人體的沖擊響應。高小青和徐元銘[2]針對空投物資方式中物資的安全著陸問題，采用顯式非線性動力學分析有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對空投艙體著陸沖擊進行模擬計算，根據仿真計算所得的艙體在沖擊過程中的動態響應，確定艙體結構設計方案的可行性。李建陽和王紅巖等[3]基于空降車和緩沖氣囊的有限元模型，提出了針對多次著陸沖擊作用下的空降車結構累積損傷的計算與評估方法，通過典型工況下的實車空投試驗驗證空降車有限元模型的可信性，結合勒梅特損傷模型和材料損傷演變方程對空降車結構的累積損傷量進行計算。雷曉波和張強[4]基于沖擊響應譜理論，對固定翼飛機著陸時刻外掛構型沖擊信號進行了分析，掌握了著陸狀態沖擊振動的特性，利用均值和方差概念，建立了沖擊響應譜評估公式，得到了適用于沖擊試驗和結構動力學設計的沖擊響應譜包絡曲線。

對于飛船的返回著陸沖擊的過程仿真方面。萬峻麟和聶宏[5,6]研究了提出了一種基于非線性瞬態動力學的著陸器有效載荷著陸沖擊響應分析方法。以某型月球著陸器為對象，取其搭載的月球車為有效載荷，建立月球著陸器著陸沖擊非線性有限元分析模型。通過分析結果與試驗結果對比驗證了模型及方法的有效性;進而分析了3種工況下月球車的著陸沖擊響應，研究了著陸器機體及著陸腿結構柔性對其著陸沖擊響應的影響。何歡和孫東陽[7]對深空探測氣囊式回收系統的結構特性進行了分析，引入一維流管理論描述子氣囊之間氣體流動的通氣孔，通過仿真分析了通氣孔面積對系統著陸緩沖性能的影響，驗證了通氣孔模型的有效性。王曉姝和趙會光[8]根據已有的土壤模型，提出結合返回器剛體模擬器著陸沖擊試驗數據，利用多參數遞進方法修正土壤模型中的體積模量、剪切模量和屈服參數，獲得土壤修正模型。

綜上所述，學術界針對著陸沖擊的過程仿真研究較多，但缺少基于實測數據的沖擊環境擬合和條件制定的研究，這方面研究對于機上和彈上電子設備的環境適應性設計非常重要，尤其是在飛機掛彈模型較為復雜的情況下，不需要建立詳細模型，直接采用實測數據進行環境設計。本文研究了基于簡化機彈模型和實測數據進行外掛導彈著陸沖擊環境設計的方法。

1 著陸沖擊環境設計思路

由于飛機帶彈著陸過程中，產生的動態響應與起落架特性、飛機和導彈組合體的低階模態和飛行著陸參數等相關，因此一般在實測數據中無法辨認出明顯的標準波形(如半正弦曲線、后峰鋸齒曲線，對稱梯形等)。

由于著陸沖擊為低頻沖擊，本文基于采用時域波形擬合的思路，利用簡化模型計算分析合理的時域波形方案，使用實測數據進行頻域分析，擬合得到時域波形的幅值和脈寬參數。辨識路徑如圖1所示。

a) 基于簡化飛機著陸沖擊模型進行數值仿真，選擇擬合波形種類；

b) 設置波形參數，包括幅值和脈寬；

c) 對波形進行頻域分析，包括PSD分析和SRS分析；

d) 將兩種頻域分析結果與實測結果進行對比分析，若一致性均較好，則設置的幅值和脈寬為最終辨識結果，若有一個一致性較差，則返回b)，調整幅值和脈寬，繼續c)和d)。

圖1 辨識路徑

2 擬合波形種類選擇分析

由于飛機著陸過程較為復雜，本小節基于飛機著陸簡化模型，分析其著陸工程中動態響應，為沖擊環境設計提供參考。

飛機著陸產生的載荷和動態響應取決于起落架減振特性，以及觸地垂直方向上的最終耗散能量。而起落架減振特性與緩沖器的性能和效率相關，這就涉及緩沖器的種類、著陸撞擊速度和其承擔的質量引起的等效力、壓縮速率等。大多數飛機采用油氣緩沖器，典型的油氣緩沖器的高阻力著陸時吸能情況如圖2和圖3所示[9-10]，這屬于一種典型的快速加載狀態，此時的載荷-變形曲線是先陡升，隨后變平，振蕩結束后回零。

為了根據實測數據進行沖擊條件的時域波形選擇，首先進行建模計算研究飛機著陸過程和動態響應。將飛機和輪胎按剛體考慮，分別進行建模，緩沖器按彈簧-阻尼器建立，其中阻尼力特性采用圖2曲線，模型示意圖如圖3，模型參數如表1。

圖2 油氣緩沖器的高阻力著陸時阻尼力曲線

圖3 高阻力著陸時各階段油氣緩沖器模型示意圖

參數名稱數值飛機質量/kg7×103輪胎質量/kg100緩沖器剛度/(N·m-1)7×105著陸速度/(m·s-1)5

通過仿真計算得到飛機的加速度響應曲線如圖4所示，其波形與文獻[9]一致。觀察計算波形，其形狀與我國軍標中推薦的幾種波形不能完全匹配。因此，本文嘗試使用對稱梯形譜擬合著陸沖擊時域波形，對稱梯形波形與計算結果的對比如圖4所示。

圖4 飛機加速度響應曲線及沖擊波形擬合情況

3 實測數據選擇分析

圖5給出了著陸沖擊時段Y向低頻加速度傳感器的時域歷程。從圖5的加速度響應曲線可以發現，5 190 s前為飛行降落觸地前響應，在5 190～5 240 s為著陸過程，5 240 s后為飛機-導彈系統在跑道上滑跑過程的加速度響應。

圖5 Y向時域曲線

選擇5 190～5 240 s的數據按2 s間隔進行功率譜密度分析，分析結果如圖6。

從以上分析可以得出以下結論：

a) 整個著陸沖擊過程包括了飛機著地到飛機起落架系統的振蕩過程，整個過程持續時間較長，5 190～5 240 s均為該過程；

b) 從5 190～5 240 s的功率譜密度分析結果可以看出，這段時間的響應中的頻率成分比較一致，僅存在量級大小的區別，其中以機翼的各階模態為主，導彈的響應較弱。

以下選擇5 192～5 194 s數據進行分析，嘗試進行條件制定。

圖6 加表Y向數據功率譜密度分析

4 沖擊條件擬合

本節基于我國軍標中的對稱梯形波形進行條件擬合，與實測數據對比，辨識波形的脈寬和沖擊幅值。根據GJB150A中的標準對稱梯形波形曲線(見圖7)，選擇不同脈寬和沖擊幅值的后峰鋸齒曲線，其中幅值從2 g按1 g增量變化至10 g，脈寬從80 ms按10 ms增量變化至200 ms，形成的對稱梯形系列時域曲線如圖8。

圖7 標準對稱梯形波形曲線

圖8 不同脈寬和沖擊幅值的對稱梯形時域波形曲線

對對稱梯形系列時域曲線進行頻域PSD和SRS分析，并與實測數據的頻域分析結果進行對比，參見圖9和圖10。

圖9 不同脈寬和沖擊幅值的對稱梯形頻域PSD曲線

圖10 不同脈寬和沖擊幅值的對稱梯形頻域SRS曲線

可以分析得出以下結論：

a) 從頻域PSD分析可以發現，同一脈寬下，隨著沖擊幅值的提高，頻譜呈現整體上升；相同沖擊幅值下，隨著脈寬的增加，頻譜呈現低頻幅值升高，截止頻率降低；

b) 從頻域SRS分析可以發現，同一脈寬下，隨著沖擊幅值的提高，沖擊響應譜呈現整體上升；相同沖擊幅值下，隨著脈寬的增加，頻譜同樣呈現整體上升趨勢。

根據以上分析結果，按頻域PSD和SRS曲線均作為約束條件，選擇最為接近的后峰鋸齒波，數值如表2所示，其PSD和SRS分析結果與實測數據對比如圖11和圖12所示。

圖11 實測數據與擬合條件的對稱梯形PSD曲線

圖12 實測數據與擬合條件的對稱梯形SRS曲線

沖擊幅值/g脈寬/ms2100

5 結論

研究了簡化機彈模型和實測數據進行外掛導彈著陸沖擊環境設計的方法。不需要建立飛機掛彈詳細模型，直接采用實測數據進行環境設計，可簡單有效地辨識出時域沖擊波形條件，作為工程設計參考。

[1] 楊智春,顏璘娟.飛機應急著陸時的人體沖擊響應研究[J].振動與沖擊,2009,28(5):10-13.

[2] 高小青,徐元銘,李法林.空投艙體著陸沖擊仿真與分析[J].飛機設計,2011,31(2):45-47.

[3] 李建陽,王紅巖,芮強,等.空降車著陸沖擊累積損傷評估方法研究[J].系統仿真學報,2014,26(1):208-214.

[4] 雷曉波，張強，張永峰.固定翼飛機外掛物著陸沖擊響應譜研究[J].飛行力學,2015,33(2):161-164.

[5] 萬峻麟,聶宏,陳金寶,等.月球著陸器有效載荷著陸沖擊響應分析[J].宇航學報,2010,31(11):2456-2464.

[6] 萬峻麟,聶宏,陳金寶,等.基于瞬態動力學方法的月球探測器軟著陸腿著陸沖擊性能分析[J].兵工學報,2010,31(5):567-573.

[7] 何歡,孫東陽,馬常亮.多腔體氣囊式回收系統的著陸沖擊動力學建模與分析[J].南京航空航天大學學報,2013,45(1):8-13.

[8] 王曉姝,趙會光.應用土壤修正模型的返回器著陸沖擊響應預示[J].航天器工程,2015,24(3):45-50.

[9] 丹尼斯·豪.飛機載荷與結構布局[M].孫秦，韓忠華，鐘小平,譯.北京:航空工業出版社，2014.

[10]GJB150.18A—2009,軍用裝備實驗室環境試驗方法第18部分：沖擊試驗[S].

(責任編輯 周江川)

Study on the Landing Shock Identification of the External-Store Missile Based on the Measurement Data

WANG Liang, CAI Yi-peng, ZHOU Jian-bo, LIAO Xuan-ping, LI Pu

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

To solve the landing shock design problem of the external-store missile, the curve fitting method of the landing shock was investigated based on the measurement data. Firstly, the strategy of the method was put forward. Secondly, the simplified model of landing aircraft was established, and the dynamic response of the landing process was simulated, which is supposed to decide which standard shock ware used. At last, a series of shock waves were derived by ergodic wave parameters, whose frequency domain analysis are compared to the one of the measurement data, where the parameters of the shock wave are identified. The wave parameters of landing shock can be identified effectively, and the method can be a reference for engineering design.

landing shock; shock response spectrum; power spectrum density function

2016-09-07；

2016-10-15

國家重點實驗室2015年開放課題(MCMS-0115G01)；國防技術基礎科研項目(JSZL2015203B002)

王亮(1985—)，男，博士，高級工程師，主要從事導彈載荷與環境設計研究。

10.11809/scbgxb2017.02.005

王亮，蔡毅鵬，周劍波，等.基于慣組實測數據的外掛導彈著陸沖擊條件擬合方法[J].兵器裝備工程學報，2017(2):18-22.

format:WANG Liang, CAI Yi-peng, ZHOU Jian-bo, et al.Study on the Landing Shock Identification of the External-Store Missile Based on the Measurement Data[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):18-22.

E927

A

2096-2304(2017)02-0018-05