飞机战场损伤机理仿真研究

战伤抢修分析与评估技术
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针对 ７ ０ ７ ５ 一 Ｔ ６ 铝合金的损伤公式为：
七Ｕ ＝ － － 下１ １ ． １ ０ 寸． Ｖ ． ｂ１ 二：１ Ｉ
＿ Ｄ ｒ ．， ＿ ＿． ， ｔ 、 ： １
ｃ ｏ ｓ ｈ Ｌ ｌ Ｌ ） ］
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
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
空中攻 击 敌 方攻南 人 为因索
防 空 火 ‘ 王冲击波（ ３ ５ ｍ ｍ以 上） 航 ‘ 汇
破片（ （ ３ ５ ｍ ｍ以 上）
射弹
射弹（ ３ ５ ｍ ｍ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 敲 掀 乱
谁
图 １ 飞机 战场损舫机理分类
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飞机（ 直升机） 战伤抢修专题研讨会
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〔 １ ０ 〕 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
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图 ４ 飞机战场损伤仿真流程 图
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＝ ＝ ． 翁 ＝ ＝ ＝ ＝ 畏 ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ ＝ ＝
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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，
量为０ ． ０ １ １ ６ １ ｋ ｇ ， 爆炸后单片平均质量为０ ． ０ ０ ７ ０ １ －０ ． ０ ０ ８ ０ １ ｋ ｇ 。 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 － ｖ ２ ｍ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
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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ｌ ｏ ｒ ｕ ） 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：
Ｄ － ￣ 射弹直径（ ｉ ｎ ｃ ｈ ） ； ｔ — 目标厚度；
３ ． ５破片
（ １ ）
其中： Ｌ Ｌ ） 一一射角度；
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 １ ０ ＾ － ２ ０ ０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 １ ３ ０ ０ ＾ － ３ ０ ０ ０ ｍ／ 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。
ｙ 一ｂ ＿
ｚ － Ｐ ｃ
（ 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
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。
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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 ３ ５ ｍ ｍ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。
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 ，
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〔 １ ０ Ｄ。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Ｃ ７ 〕 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 ） 。
算。 使用上非常不便。 文献ｃ ｌ 〕 在总结美军部分研究报告和《 工程师设计手册》 （ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ － ｉ ｎ ｇ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｈ ａ ｎ ｄ ｂ ｏ ｏ ｋ ） 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 １ ０ ％－１ ７ ％。例如， 美国 Ａ Ｉ Ｍ－ ９ Ｂ空空导弹， 理论破片总 数为 １ ２ ８ ０ 块， 试验获得的实际破片总数为 １ ０ １ ０ １ １ ７ 。 块。第二， 按经验法则， 战斗部的总 质量一般比 文献ｃ ｌ 〕 中介绍的计算方法还要多 １ ５ ％－２ ５ ０ ｏ 。 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 １ ５ ％－ － ２ ０ ％０高的可达 ４ ０ ％。例如前苏联 Ｓ Ａ Ｍ－２ 地空导弹， 每块破片的理论质