航空水雷空投布放试验边界条件分析

许海昀，谢君红，季 新

(解放军91439部队，辽宁 大连 116041)

海军航空兵攻势布雷一般由机动突防性能良好的高机动性飞机来完成，挂载的航空水雷一般都带有小型减速伞，用于增加水雷下落过程中的空气阻力［1］，保证空投水雷入水条件得到满足，从而提高航空水雷的布雷任务可靠度［2］。空投布放试验是航空水雷定型(鉴定)试验一个重要的项目，其试验目的主要是检验空投水雷是否满足抗冲击条件，特别是最恶劣边界条件下的抗冲击条件。因此，需要对投雷条件区间进行详细分析，以提出合理的空投布放试验方案。

影响航空水雷冲击性能的最主要因素是入水速度和入水角，空投布放试验边界条件分析主要是对航空水雷雷伞系统空中弹道进行分析，通过其运动速度和航迹角的变化趋势，找出边界条件进行试验方案设计，以达到全面考核鉴定的目的。

1 雷伞系统运动过程分析

雷伞系统的运动是一个比较复杂的过程，在其开伞过程中，它的外形和阻力是变化的，减速伞打开张满以后，在其下落过程中随高度变化空气密度也有所变化。因此，要想精确计算雷伞系统的轨迹和运动姿态是比较困难的。为简化计算，通常是将雷伞系统视为集中在雷伞系统重心处的一个质点［3］，并假设质点作平面运动，采用解析法求解［4］。

为了建立雷伞系统的运动方程，取xoy为惯性坐标系，如图1所示。

图1 雷伞系统运动轨迹示意图

坐标原点o为雷伞系统的离机点，ox轴指向飞机平飞运动航向，oy轴垂直向下指向重力方向。雷伞系统运动的速度v与ox轴的夹角θ为轨迹角，顺时针方向为正。水雷离机开伞后，经过时间t运动到P点，根据牛顿运动定律，可写出其运动方程:

式中，m为雷伞系统的质量;Q为雷伞系统的阻力;v为雷伞系统在下落时间t时刻的瞬时速度;θ为雷伞系统的轨迹角;g为重力加速度;t为雷伞系统离机后的时间;ρ为空气密度;K为雷伞系统阻力系数;S为雷伞系统阻力面积。

如果把雷伞系统的阻力特征参数(KS)看作常量，则雷伞系统阻力Q是空气密度(即高度)和速度的函数。

在航空水雷空投布放试验中，水雷入水速度和入水角直接影响到航空水雷的抗冲击性能检验。通过求解雷伞系统运动方程，就能详细知道雷伞系统的切向速度和轨迹角的变化过程，从而进行航空水雷入水冲击边界条件分析。

采用分段积分法，把雷伞系统的运动轨迹分成若干段位移d，在每一小段内，认为空气密度ρ为常数，则雷伞系统的阻力Q仅是速度的函数。根据这一假设就可以分段求解运动方程(1)和(2)。

雷伞系统轨迹各点瞬时速度为

雷伞系统动态轨迹角为

在利用式(4)和式(5)确定每一段轨迹步长d的大小时，取决于投雷高度及对计算精度的要求，步长d越小，则计算精度越高，所求得的切向速度v和动态轨迹角θ越精确。再将切向速度v按照动态轨迹角θ分解为垂直分速度和水平分速度，即可求出雷伞系统在下落总时间t内的垂直降落高度和水平运动距离(水平射程)。

2 水雷入水抗冲击性能边界条件分析

为达到较好的隐蔽布雷作战效果，水雷在空中运动时间应尽可能短［5］，此外布雷飞机若能采用贴近海面掠海飞行的方法，利用海面自然波浪作掩护实施突防布雷，也将会起到隐蔽布雷作战效果，因此，本文认为空投试验方案设计中应更加注重对低空高速投雷边界条件的分析。

假设航空水雷雷伞系统总重530kg，飞机投雷真空速700km/h，雷伞阻力面积2.2m2，阻力系数0.68，飞机投雷时为水平直线匀速运动。运用上述方法可求得不同投雷高度下雷伞系统的下落时间、水平射程、入水角和入水速度，如表1所示。入水角与入水速度随高度的变化趋势如图2所示。

表1 不同投雷高度下弹道与入水姿态参数表

图2 不同投雷高度下入水角及入水速度变化趋势图

由表1及图2可以发现，航空水雷在投雷高度200m以上时，由于水雷入水时空气阻力和重力切向力基本达到平衡，入水速度基本保持恒定，而入水角越来越大，水雷入水抗冲击条件越来越宽松;在投雷高度100m以下超低空投雷时，入水角小于30°且入水速度较大，是抗冲击条件较恶劣的投雷区间。

图3 不同投雷速度、投雷高度下入水角变化趋势图

在空投试验方案设计中，除了考虑投雷高度的变化，还应考虑投雷速度的变化，按照上述假设条件，同样计算方法求得600km/h～1000km/h不同投雷速度、100m～300m不同投雷高度下雷伞系统入水角和入水速度如表2、表3所示，其变化趋势如图3、图4所示。

表2 不同投雷速度、投雷高度下入水角参数表

表3 不同投雷速度、投雷高度下入水速度参数表

图4 不同投雷速度、投雷高度下入水速度变化趋势图

由表2、表3及图3、图4中可以发现，投雷速度对入水角、入水速度的影响远小于投雷高度对其的影响。在投雷高度200m以上情况下，投雷速度对入水速度影响很小。因此，空投试验方案设计中，投雷高度的变化，尤其是低空投雷条件必须充分考核，而投雷速度的变化范围，高、低速有所体现即可。

3 结束语

本文运用空气动力学原理具体分析研究了航空水雷离机下落过程中运动速度和轨迹角的变化过程，提供了空投布放试验边界条件的分析方法，并给出了具体实例分析计算。计算结果表明:

1)投雷高度100m以下超低空投雷时，入水角小、入水速度大，是抗冲击条件较恶劣的投雷区间，是空投试验必须考核的投雷区间;

2)在投雷高度200m以上时，由于空投水雷入水时空气阻力和重力切向力基本达到平衡，入水抗冲击条件越来越宽松;

3)投雷速度不是影响空投水雷入水冲击的主要因素，试验设计时根据指标要求考核到速度边界范围即可。

［1］潘光，韦刚，杜晓旭.空投水雷入水及水下弹道的设计与仿真［J］.火力与指挥控制，2007，32(3):85-87.

［2］武小悦，刘琦.装备试验与评价［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［3］王永虎，石秀华.空投鱼雷斜入水冲击动力建模及仿真分析［J］.计算机仿真，2009，26(1):46-49.

［4］李登峰，等.海军运筹学基础［M］.北京:海潮出版社，2002.

［5］佘湖清，等.水雷总体技术［M］.北京:国防工业出版社，2009.