巡航式飛行器試驗地面目標安全性分析

王大志，孫貴新

(91550 部隊42 分隊，遼寧大連，116023)

0 引言

飛行器試驗時可能因為各種意外發(fā)生故障墜毀，試驗會對地面目標構(gòu)成安全威脅。為了保護地面目標安全，選擇試驗航路時應(yīng)盡量避開地面目標，劃定試驗航區(qū)作為安全邊界，在飛行器上安裝主動和被動安控自毀系統(tǒng)，當飛行器故障時將其自毀，避免飛出航區(qū)。

巡航式飛行器一般采用渦輪風扇發(fā)動機、渦輪噴氣發(fā)動機或沖壓發(fā)動機進行亞音速巡航飛行。縱然超音速飛行是對飛行器性能的重要意義，但亞音速仍有不可替代的優(yōu)點，如省油、超長距離巡航、噪音小及對飛行器結(jié)構(gòu)強度要求低等特點。亞音速飛行在飛行器巡航中具有不可替代的重要作用，是一種低速飛行器[1]。亞音速巡航式飛行器安控自毀主要采用打下舵墜落地面飛行控制[2]，舵系統(tǒng)控制飛行器以最大角度向地面俯沖墜毀。本文將討論亞音速巡航式飛行器試驗時地面目標所受到安全威脅問題。

1 安全管道設(shè)置

在飛行器試驗中，一般沿飛行航跡設(shè)定安控系統(tǒng)的告警線、必炸線，做為飛行試驗安全管道[3]。在飛行器觸及必炸線時將飛行器自毀，飛行器落點將在自毀點附近散布，設(shè)其最大散布距離為R，連接必炸線外部這些最大散布點圍成的區(qū)域構(gòu)成飛行器試驗航區(qū)安全邊界，如圖1 所示。

圖1 地面目標保護示意圖

當飛行器故障時，如果處于必炸內(nèi)，安控系統(tǒng)不采取措施，存在故障飛行器直接落入必炸線內(nèi)目標的可能性；如果目標處于必炸線和安全邊界之間，安控系統(tǒng)對飛行器自毀時，存在飛行器自毀后的落入目標的可能性；如果目標處于安全邊界以外，只有在安控系統(tǒng)失效的情況下才會有飛行器落入目標[4]。

2 飛行器飛行試驗故障模式

在進行飛行器飛行試驗安全性分析工作中，考慮飛行器飛行可靠度，在飛行器發(fā)生故障時，可能對地面目標造成安全威脅，飛行器故障概率Pg=1-Pf。可將飛行器故障模式分為三類：一、有控偏航故障，制導系統(tǒng)異常，動力、控制系統(tǒng)正常；二、有控無偏故障，動力系統(tǒng)異常，制導、控制系統(tǒng)正常；三失控故障，控制系統(tǒng)異常。如圖2 所示。

圖2 飛行器飛行故障概率分配圖

3 目標受威脅概率分析

飛行器飛行故障概率是飛行器在標準航程L時的故障概率，對于非標準航程中的飛行器試驗，當試驗航程為Ls時，可將飛行器發(fā)生故障的概率折合到標準航程中，即飛行器在試驗中失效概率符合如下關(guān)系：

以下按飛行器故障模式分析對目標的威脅概率。

3.1 有控無偏故障

飛行器在有控無偏故障時沿航跡飛行而發(fā)生故障墜落，假設(shè)飛行器發(fā)生故障后落點散布是以故障點O為中心，以R為半徑的半圓，如圖3 所示。故障點O在航跡上，落點散布半圓以O(shè)為中心，沿航跡軸對稱。

圖3 飛行器有控無偏故障落點散布示意圖

R為飛行器故障落點的最大散布距離，與飛行器飛行的相對高度（飛行器距地面高度）相關(guān)，如圖 4 所示。

圖4 飛行高度與自毀距離關(guān)系示意圖

式中：φ2、φ1為目標在墜落點XOZ 坐標系下方位角積分上下限，r2、r1為為目標在墜落點XOZ 坐標系下距離積分上下限。g(r)為墜落時飛行器落點在距離r上的概率密度函數(shù)，f(φ)為墜落時飛行器落點在方位φ上的概率密度函數(shù)。

飛行器飛行試驗有控無偏故障對目標威脅概率為：

飛行器有控無偏故障對安全邊界內(nèi)目標構(gòu)成威脅，不會對安全邊界外目標構(gòu)成威脅。

3.2 失控墜落故障

飛行器榆.基于單比特和近似正常在告警線內(nèi)飛行，在發(fā)生失控墜落故障時因失控而迅速墜毀落地。飛行器在觸及必炸線前安控系統(tǒng)一般不采取措施，因此，假設(shè)飛行器失控墜落故障時落點在必炸線內(nèi)平均分布。假設(shè)目標為沿航跡的正方形，邊長為d，則飛行器失控墜落故障對目標威脅概率為：

式中D必炸線為平均寬度，L為飛行器標準航程。

飛行器失控墜落故障對必炸線內(nèi)目標構(gòu)成威脅，不會對必炸線外目標構(gòu)成威脅。

3.3 有控偏航故障

飛行器有控偏航故障，可能對標準航程L內(nèi)的任意目標造成威脅，設(shè)目標為邊長d的正方形，則目標所受威脅概率為：

在飛行器有控偏航故障時，會因觸碰必炸線實施安控而墜落而對必炸線和安全邊界之間的目標構(gòu)成威脅，實施安控時飛行器落點在距離上符合有控無偏故障落點在距離上的散布，即飛行器落點在徑向距離R上服從正態(tài)分布

假設(shè)目標為沿必炸線方向的正方形，其邊長為d，在必炸線自毀飛行器時目標在對飛行器的視角有：

式中R為自毀時飛行器與目標距離。

則航程l對應(yīng)必炸線自毀飛行器對必炸線外、安全邊界內(nèi)目標威脅概率為：

考慮到沿航跡兩側(cè)分別設(shè)置必炸線，目標受必炸線飛行器自毀的威脅概率為：

對于安全邊界外目標，只有安控失效才會對目標真正的構(gòu)成威脅，其概率為：

式中，P a為安控可靠度(包含飛行器主動安控和地面被動安控)。

因此，有控偏航故障對任意目標的威脅概率為：

3.4 威脅概率

綜上，必炸線內(nèi)目標受威脅概率為：

必炸線外且安全邊界內(nèi)目標受威脅概率為：

安全邊界外目標受威脅概率為：

4 計算結(jié)果

圖5 地面目標示意圖

地面目標中，一類目標指縣城及人口高度密集地區(qū)、重要的軍事設(shè)施、重要的古跡和旅游景區(qū)、生產(chǎn)危險品的大型企業(yè)及易燃易爆品存放地、可能產(chǎn)生重大影響的其它設(shè)施和地區(qū)等；二類目標為一類目標以外的其它目標。在某型飛行器試驗中，選取典型的10 個目標需要進行安全性分析。按照這些目標的重要程度將其分為2 個一類目標和8 個二類目標，部分段落目標與安全管道關(guān)系如圖 5 所示。

按本文所述方法，根據(jù)飛行器試驗參數(shù)取值，試驗中目標安全威脅概率計算結(jié)果如表1 所示。

表1 目標安全威脅概率信息

5 結(jié)束語

本文對亞音速巡航式飛行器試驗故障模式進行了分類，詳細分析研究了每種故障模式對地面目標的安全威脅，選取典型目標計算了目標安全威脅概率。從理論分析和計算結(jié)果上看，目標與安全管道關(guān)系直接影響安全威脅結(jié)果，航跡點和必炸線附近目標受安全威脅較大；另外，目標面積也是所受安全威脅的重要因素，面積越大，所受威脅越嚴重。因此，在進行飛行器試驗時，試驗航區(qū)選取盡量避開大型重要設(shè)施場地，如果航區(qū)選取確實存在困難，應(yīng)合理規(guī)劃飛行航路，使航跡點和必炸線遠離地面目標。