高速拖靶系統掠海飛行仿真研究

田新鋒，鄧雨辰

(解放軍92419部隊，遼寧 興城 125106)

拖靶系統作為一種特殊航空裝備,隨著防空武器試驗和部隊對空靶訓練要求的不斷提高,得到了迅速發展,品種不斷增多,功能日趨完善[1-3]。特別是大速度超低空掠海飛行功能的擴展,可模擬低空掠海來襲導彈,進一步提高靶標的真實度。當系統速度提升,低空掠海飛行時如果策略選擇不當,在外部環境干擾下,可能導致系統無法實現掠海飛行,也可能導致拖靶入水墜毀。因此需對拖靶超低空掠海定高飛行的使用邊界進行研究,提高系統使用安全性。本文針對某拖靶系統速度提升后如何進行掠海安全飛行這一現實需求,分析了拖靶定高飛行工作原理,建立了系統仿真模型,給出了拖靶超低空掠海定高飛行的使用邊界,為某新型拖靶大速度超低空掠海飛行提供理論依據。

1 拖靶工作模式

拖靶不同于一般飛行器,其本身無動力,靠拖帶飛機(簡稱拖機)拖曳飛行。典型的現代航空拖靶系統由拖機、航空絞車、拖纜和拖靶等部分組成[4]。

其典型任務工作剖面如圖1所示,拖機掛裝航空絞車拖靶起飛后,首先爬升至放靶高度,保持高度速度勻速釋放拖纜放出拖靶,拖纜長度釋放至預定長度(一般為5000 m),停止釋放拖纜,然后降高至預定基準高度,調整速度航向進入航路,控制拖靶高度控制系統工作,拖靶模擬來襲導彈做掠海恒高飛行。艦艇上的火炮、導彈等武器系統則可以對目標進行捕獲、跟蹤、射擊或模擬射擊,如果需要可進行第二次供靶進入,任務結束后拖靶高度控制系統停止工作,拖機爬升到收靶高度以上,并調整速度進行收纜收靶,直至最后拖靶在絞車上復位后,拖機返航。

2 拖靶定高飛行工作原理

由系統工作剖面可確定拖靶定高飛行時的高度關系,如圖2所示所示。從圖中可以看出,拖靶定高飛行高度h與拖機基準飛行高度f(m)、拖纜下沉量f(n)有關。即拖靶的飛行高度h由下式確定：

h=f(m)-f(n)

(1)

式中，f(m)為任務前設計的定值,飛行過程中,拖纜對拖機的牽引力是變化的,牽引力變化可看做是作用于拖機上的干擾力,而拖機靠調節發動機推力和控制參數,仍可實現穩定飛行,保證f(m)的偏差在設計誤差范圍內,可認為f(m)在飛行過程中不變。

式中f(n)為一變化量,當一定長度的拖纜在拖曳飛行時,兩端分別受到拖機的牽引力、拖靶的拉力作用,同時受氣動力、自身重力作用,在這些外界力共同作用下,拖纜的下沉量就不同,拖靶的飛行高度也不同。

拖靶要實現定高飛行,就是通過對拖纜拉力進行調整,使拖纜下沉量維持不變。其中拖靶對拖纜的拉力主要由于拖靶重力、飛行氣動力和高度控制系統作用時的附加氣動力組成。當拖靶實際飛行高度與預定高度存在高度差時,高度控制系統控制舵面會產生一個附加的氣動力,由于拖纜兩端受力發生,其下沉量也隨之變化,從而實現系統的定高飛行。當高度控制系統產生的附加氣動力引起的拖纜下沉量變化不足以消除高度誤差時,則不能實現定高飛行。

通過上面分析可以看出拖靶要實現定高飛行,首先拖機基準飛行高度f(m)要合理有效,其次拖靶的舵面效率足夠高,能夠克服外界干擾帶來的拖纜下沉量f(n)變化。

3 系統建模

由式(1)可知,要設計f(m)必須知道f(n)和h,對于某一特定任務,h已知那么只需確定任務狀態下的f(n)即可。那么需建立拖靶和拖纜動力學模型[5-6]。

拖靶系統的工作情況是比較復雜的,一方面拖靶連同拖機做各種隨動飛行,另一方面又相對于拖機做相對運動。但是在實際拖靶定高飛行時對拖機飛行情況加以限制,要求拖機做平直勻速飛行,不考慮橫側向運動,使系統建模得以簡化。

3.1 拖靶受力模型分析

拖靶掛機狀態下,受拖纜的拉力T、升力L、阻力D、力矩M,拖靶自身重力mg,受力分析如圖3所示。

則在速度坐標系下,拖靶縱向動力學方程如下:

(2)

式中，θ為拖靶姿態角,γ為航跡角,α為迎角,φ為拉力與機體軸夾角。

有了拖靶的受力模型,就可以確定在不同速度下,拖靶不同舵翼角工作狀態下對拖纜的拉力大小和方向,為拖纜下沉量的計算提供條件。

3.2 拖纜受力模型分析

對于拖纜這樣的柔性細長體,長度達5000 m,直徑只有幾毫米,研究其運動時,既不能將其看成一個質點,也不能將其看成一個剛體。這里,采用微積分中的研究方法,將拖纜分割成無數個拖纜微元,把每個微元作為一個質點來研究其受力與運動,這樣就能得到微分形式的拖纜飛行動力學模型。

不妨設拖纜與拖靶連接處為零點,在拖纜長度為s處取一長度為Δs的拖纜微元,則該拖纜微元兩端受到的拖纜張力分別為T和T+ΔT,拖纜水平運動速度為u,垂直速度為v,拖纜氣動阻力為D,升力為L,微元質量m,那么拖纜微元受力分析如圖4所示。

那么有

(3)

有了拖纜微元的受力模型,就可以確定該微元在空間的狀態,通過迭代法就可求出整個拖纜的狀態空間分布,進而確定拖纜兩端的張力情況和總的拖纜下沉量。

4 仿真結果分析

4.1 仿真初始條件

假定系統工作在理想環境條件下,其初始數據如下:

拖靶質量m=40 kg；

拖靶參考面積S=0.03 m2；

拖靶參考長度L=3.5 m；

拖靶舵面工作范圍δe=-6°～2°；

拖纜長度l=5 000 m。

4.2 仿真結果分析

基于拖靶初始數據和系統模型,可確定拖靶舵翼角在不同速度下與拉力關系曲線,如圖5所示,進而可確定不同速度、舵翼角下的拖纜的下沉量,如圖6所示。

從圖5、6中可以看出,隨著舵翼角的偏向負值,會產生一個向下的力,加載在拖纜端的拉力隨之增加;由于拖纜兩端的張力增加,拖纜的下沉量也增加。隨著速度增加,拖靶氣動力增加,拖靶對拖纜的拉力增加,但拖纜的氣動力也增加,綜合結果拖纜下沉量減小。

因此在拖靶定高飛行速度增加后,拖機的基準飛行高度要降低,掠海飛行速度由Ma=0.45提高到Ma=0.6,拖機的基準飛行高度要降低120 m左右。實際飛行掠海低空飛行過程中,拖機的高度有原先的450 m調整為330 m,最低不能低于320 m,否則可能導致拖靶水,最高不能高于370 m,否則拖靶無法達到掠海定高飛行的目的。依據該方法,指導了后續研制飛行試驗,取得了滿意的效果,結果表明該方法合理有效。

5 結束語

拖靶系統提高飛行速度,在模擬低空掠海來襲導彈方面,提高了靶標的真實性和有效性。而系統速度提升后,如何確立系統的使用邊界,選擇拖曳基準飛行高度就顯得尤為重要。本文針對拖靶系統速度提升后,如何確立拖機新的使用邊界進行了研究,完成了以下工作：

1)通過對拖靶定高飛行工作原理進行分析,確立了問題分析的對象;

2)通過對拖靶、拖纜進行建模分析,確立了兩個模型見相互作用的耦合點；

3)結合實際條件,對系統進行了仿真計算分析,結果表明,系統速度提升后,要實現超低空掠海安全飛行,拖機的基準飛行高度要降低120 m,并在系統科研試飛試驗中得到了驗證,取得了滿意效果,為系統速度提升后的使用提供理論依據,對系統的推廣使用而言具有重要的現實意義。