战伤抢修分析与评估技术１１７飞机战场损伤机理仿真研究北京航空工程技术研究中心１前盲 随着现代军队准备打砚高技术条件下局部战争形势的不断发展，作为战斗力“倍增器”的战场抢修受到了广泛的关注。几年来，我军在外军对相关技术资料封锁严密的情况下，结合实际情况，先后开展了飞机战场抢修工具、工艺和其他相关研究，并取得了一定研究成果；同时，还结合有关研究所及工厂的研究课题和生产任务，开展了飞机损伤机理研究和抢修队伍演练。不仅很好地锻炼了抢修队伍，而且为下一步的战场抢修研究积累了大量试验经验。但通过实弹打击进行损伤机理研究需要大量的经费支持，在目前军队经费紧张的条件下，采用计算机仿真是非常有效的解决方法。本文简要介绍一种飞机战场损伤仿真的研究方法。宋海平蔡佳昆２飞机战场损伤机理的定义和分类 飞机战场损伤机理是指：战场环境中，通过造成飞机损伤，迫使飞机做不利的机动或减少系统的有效性，从而减少飞机执行与任务有关的功能的一切人为和自然因素。其中自然因素主要包括环境温度、湿度、沙尘等。所造成的飞机损伤主要包括腐蚀、磨损等；人为因素分为两个方面：敌方火力攻击和己方人为差错。敌方火力攻击又分为两个方面：地面攻击和空中攻击。所造成的损伤模式主要包括穿透、燃烧、引爆等。己方人为差错所造成的损伤包括检查遗漏、维修不当、操纵失误等。具体分类见图１，空中攻击敌方攻南人为因索防空火‘王冲击波（３５ｍｍ以上）航‘汇破片（（３５ｍｍ以上）射弹射弹（３５ｍｍ以下）冲击波破片导弹金属破飞机战场损伤机理人为差错仁空中擞纵失误胜谁敲掀乱图１飞机战场损舫机理分类１１２飞机（直升机）战伤抢修专题研讨会３损伤机理的损伤过程和威胁效应 虽然造成飞机战场损伤的机理较多，但主要有以下几种：射弹、破片和冲击波；己方人为差错；自然因素等。下面就这几个方面的损伤过程和威胁效应作一简要描述。３． １己方人为差错 己方人为差错包括两个方面—空勤人员操纵失误和地勤人员维护不当。由于在战争环境中，所有参战人员都承受着巨大的心理压力，有时地勤人员还要穿着笨重的防核服等衣服。所有这些都会给飞机造成不必要的损伤。空勤人员操纵失误会造成飞机局部超载，引起局部永久变形。例如飞机蒙皮起皱等。地面人员维护不当主要包括维护时间过长，无法恢复飞机性能等，使飞机无法完成指定的飞行作战任务。为了避免己方人为差错，必须加强平时有针对性的训练。美国、加拿大等国在这一方面已取得了一定的研究经验。３． ２自然因索自然因素主要是指飞机所在环境的温度、 湿度、沙尘和雷电等自然环境特性。这些自然因素主要会引起参战飞机的结构腐蚀、电路短路、连接关节过度磨损和雷电击伤等故障。现代战争强调战争的时间性，一般战争持续时间只有２＾－３个月。因此，结构腐蚀可以不再作为飞机战场主要损伤加以考虑。３．３姗炸冲击波 爆炸冲击波是离开高压中心的球形压力波。和在爆炸中一样，冲击波是导弹和大于 ３５ｍｍ口径的防空火炮所拥有的损伤机理之一。爆炸产生的爆炸冲击波造成的目标上的压力负载称为爆炸冲击波负载，它是与爆炸冲击波有关的损伤过程，是动力压力负载和超压负载的综合效应。在大多数弹头中，爆炸冲击是次级损伤机理。除近距爆炸外，爆炸冲击波一般是最后到达目标的损伤机理，其作用是复合或加强其它损伤机理引起的损伤。 ３．４射弹射弹是由高射炮或航炮直接发射，依靠直接穿透目标， 造成飞机损伤的具有爆炸性或非爆炸型的子弹。其损伤特点主要包括：第一，当射弹击穿飞机蒙皮后，一般仍能继续向前运动，对途中所碰到的梁、框、朽条等飞机构件、附件及管路造成破坏；第二，由于其外形规则，一般运动过程中很少有质量损失和运动方向的改变。第三，当高速射弹击中金属表面时，会出现燃烧闪光，因而能发生燃烧。第四，当射弹通过液体容器时，会发生液压冲击。冲击压力将使液体从雌的任何孔中进出，其能量足以损伤其它系统。同时，冲击载荷能造成大范围的撕裂，使新产生的裂口比实际穿透物造成的裂口大得多。另外，液压冲击载荷也能通过连接管路传递，引起管路连接失效或其它故障（文献〔１０Ｄ。第五，当穿透产生一个清晰的孔时，由射弹切掉的结构部分形成冲塞。文献〔８〕中介绍了计算冲塞质量和速度的方法。一旦冲塞速度达到材料临界速度，也将成为一种射弹，对周围飞机构件造成破坏。射弹撞击的威胁效应取决于被撞击目标的厚度、材料特性以及射弹本身速度、 截面积和人射角等特性。主要有：对飞机承力结构，穿透能导致负载能力的丧失；对空气动力表面，穿透后不能完成其空气动力学功能；对机械传动部件，可能造成裂开、阻塞或切断；对发动机部件能导致发动机毁灭性的失灵、燃料泄漏和发动机起火等。作为飞机战场抢修， 非常关心飞机受损部位的损伤尺寸，在文献Ｃ７〕中，通过大量试验给出了损伤尺寸与目标厚度、射弹速度、入射角和射弹直径的关系曲线及相关公式（见图２）。战伤抢修分析与评估技术１１３针对７０７５一Ｔ６铝合金的损伤公式为：＿ Ｄ ｒ．，＿＿．，ｔ、：１七Ｕ＝－－下１１． １０寸．Ｖ． ｂ１二：１Ｉ其中：ＬＬ）一一损伤尺寸（ｉｎｃｈ）；０—人射角度； ｃ ｏｓｈＬｌＬ）］Ｄ－￣射弹直径（ｉｎｃｈ）；ｔ—目标厚度；３． ５破片（１） 破片是一种重量、形状和速度均可变的不规则的金属粒子，它们的重量一般用克来表示。它们通过可爆性弹头的爆炸或冲击性撞击产生。爆炸产生的破片来自高炮、面对空或空对空导 弹的高爆弹头。破片一般由钢或锡等金属制成。典型重量在１０＾－２００克之间。它们的形状有立方形、钻石形、平行六面体或不规则的。根据高爆填料的类型、弹壳重量与填料重量之比和导弹速度，破片初速介于１３００＾－ ３０００ｍ／ｓ之间。根据所用的引信技术，弹头可在飞机机体内部或外部爆炸。爆炸产生的破片造成的损伤和威胁效应与射弹产生的相同或相似，即冲击性撞击、穿透、液压冲击和燃烧。然而，当大量、密集的破片击中目标时，由破片引起的损伤比由射弹产生的严重得多，因为各个破片造成的孔洞之间可产生裂开，从而使损伤扩大。４飞机战场损伤仿Ｘ图２飞机结构损伤示意图在现代化战争中，导弹是对飞机威胁最大的武器系统。根据损伤机理的不同，导弹战 斗部可分为半预制破片式、预制破片式 和连续杆式等几种。根据文献〔９〕提供 的数据统计，目前世界上８０另以上的导 火‘弹采用预制和半预制破片式战斗部。因此， 本文主要介绍该型战斗部飞机战场 损伤仿真。根据破片式战斗部特点，我们作以 下假设： １、导弹战斗部爆炸后，破片飞行图３弹目交汇示意图 轨迹为直线；２、战斗部爆炸瞬间，导弹加速度为零。３、 破片与飞机撞击时的横截面与破片在空中飞行时的横截面相同， 即破片总面积的四分之一；４，战斗部爆 炸瞬间飞机为匀速平飞状态。５， 破片飞１１４飞机（直升机）战伤抢修专题研讨会行时间非常短暂，可忽略不计。导弹飞机交汇（也称弹目交汇）瞬间示意图见图３，导弹战斗部在杀伤半径（ 一般为ｌｏｕｒ）以内爆炸后，当飞机与导弹的交汇条件（即。，ｙ和Ｏ点坐标）、战斗部每个破片坐标以及每个破片散射角等参数为已知时，利用三维坐标转换公式，经多次坐标转换后，即可写出每个破片的运动方程为：ｙ一ｂ＿ｚ－ｃＰ（２） 这时由于飞机处于平飞状态因此， 飞机的水平面、垂直对称面和框平面分别处于Ｘ，一Ｚ＇，Ｘ＇－Ｙ‘和Ｙ＇－Ｚ，平面内（见图３），即平面方程为已知。求解直线与平面交点，即得到破片与飞机所在平面的撞击点。利用飞机外轮廓在平面内的投影坐标，可以判断出破片是否与飞机相撞击。得到撞击点后， 下一步要判断撞击破片是否能对飞机造成损伤、损伤尺寸和损伤形式如何。这时要用到破片初速度、速度衰减、质量衰减和材料极限速度等公式。关于这些公式，文献〔１０〕和〔５〕给出了部分理论推导公式。在这些公式中包含了大量微分、偏微分和积分运算。使用上非常不便。文献ｃｌ〕在总结美军部分研究报告和《工程师设计手册》（Ｅｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）的基础上，提出了大量经验公式。工程上使用起来非常方便。本项研究就使用了这些公式进行飞机结构穿透和破片速度衰减等分析。当结构穿透分析结束后，利用公式〔１〕计算损伤尺寸。所有计算结果存人相关数据库，待以后分析使用。仿真程序流程图见图４，需要指出的是， 为了使仿真程序更加贴近真实情况，在程序设计时，以下几点要引起注意：第一，由于战斗部在爆炸时经常出现联片现象，实际破片总数一般小于理论破片总数。通常，实际破片总数的损失率为１０％－１７％。例如，美国ＡＩＭ－９Ｂ空空导弹，理论破片总数为１２８０块，试验获得的实际破片总数为１０１０１１７。块。第二，按经验法则，战斗部的总质量一般比文献ｃｌ〕中介绍的计算方法还要多１５％－２５０ｏ。第三，由于半预制式战斗部爆炸后，有部分壳体金属被粉碎成极小的粉末状颗粒，因而使破片的实际平均质量比理论值损失大约１５％－－２０％０高的可达４０％。例如前苏联ＳＡＭ－２地空导弹，每块破片的理论质量为０．０１１６１ｋｇ，爆炸后单片平均质量为０．００７０１－０． ００８０１ｋｇ。第四，导弹制导方式包括半主动雷达制导和红外制导两种。由于飞机后部有高温金属件，因此红外导引头偏向目标后部，一般假设红外制导系统的瞄准点为飞机尾喷口后１． ５－ｖ２ｍ处；半主动雷达制导是一种依赖地面雷达照射目标的被动传感器，一般假设半主动雷达制导系统的瞄准点为飞机在靶平面内的型心。５结束语 飞机战场损伤机理研究是战场损伤评估、修理和飞机抢修性研究的基础。本文通过有关经验公式和高等数学空间几何知识，不仅可以有效的确定导弹及防空火炮对飞机的击中概率，而且可以确定击伤概率和损伤效果，为今后的飞机战场损伤研究提供有效的技术支持。战伤抢修分析与评估技术图４飞机战场损伤仿真流程图１１５１１６ ＝＝．翁＝＝＝＝畏＝＝＝＝＝＝＝飞机（直升机）战伤抢修专题研讨会参考文献 ［１〕林光宇，顾国忠编译，《面时空武器系统对飞机的威胁》，中国航空工业总公司科技局，１９９９年３月 仁２」宋海平，张强，张移山，《飞机战场抢修性设计及其发展》仁３」樊映川等，《高等数学讲义》，高等教育出版社，１９９６年５月［４］ ＭＩＬ－ＨＤＢＫ－３６６－１，《飞机非核生存力通用准．Ａｌｉ｝，中国航空工业总公司第三Ｏ一研 究所，１９９５年９月 ［５］李廷杰，《导弹武器系统的效能及其分析》，国防Ｚ业出版社，２００。年８月［６］ Ｃ美ＪＲｏｂｅｒｔ Ｅ． ｂａｌｌ著，林光宇，宋笔锋译，《飞机作战生存力分析与设计》，航空工业出版社，１９９８年１２月 ［７］ Ｊ． Ｇ． Ａｖｅｒｙ ａｎｄ Ｔ． Ｒ． Ｐｏｒｔｅｒ， ＫＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ ＩＮＴＥＧＲＩＴＹ ＲＥＱＵＩＲＥＭＥＮＴＳ ＦＯＲＰＲＯＪＥＣＴＩＬＥ ＩＭＰＡＣＴ ＤＡＭＡＧＥ））［８１ ＧＪＢ７６７－８９，《小口径炮弹对飞机、直升机经仿试脸方法》「９〕国防工业出版社，《世界导弹集粹》［１０］ Ｄｒ． Ｅｒｉｃ Ａ． Ｌｕｎｄｓｔｒｏｍ，ＫＦＬＵＩＤ ＤＹＮＡＭＩＣ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣ ＲＡＭ））［１１］马晓青，韩峰，《高速撞击动力学》，国防工业出版社，１９９８年５月［１２］张考，马东立，《军用飞机生存力与隐身设计》，国防工业出版社，２００２年６月［１３］熊光楞，彭毅，《先进仿真技术与仿真环境》，国防工业出版社，１９９７年５月［１４］ Ｒｏｇｅｒ Ｄ． Ｓｍｉｔｈ， ＫＥＳＳＥＮＴＩＡＬ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ ＦＯＲ ＭＩＬＩＴＡＲＹ ＭＯＤＥＬＩＮＧ ＆－ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ） ）作者简介宋海平，男出生于１９６８．８，本科，高级工程师蔡佳尼，男出生于１９７６．１，硕士，助理工程师飞机战场损伤机理仿真研究
作者：作者单位：
宋海平， 蔡佳昆
北京航空工程技术研究中心
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