遠程空空導彈制導與控制技術

高建軍

(中國空空導彈研究院,河南洛陽471009)

0 引言

在遠程空空導彈方面:美國的“不死鳥”AIM-54C遠距攔截空空導彈最大射程達到150 km;另外,美國一方面重新開始射程達300 km的先進遠程空空導彈研制,另一方面對A IM-120中距空空導彈換裝新型涵道式火箭發動機,提高射程,滿足近期美軍對遠程空空導彈的需求。俄羅斯正為R-77加裝火箭沖壓發動機,使之射程達400 km;同時進行KS-172型遠程空空導彈的研制工作,KS-172型導彈射程為400 km。俄羅斯也正在對Kh-31空地反輻射導彈進行改裝,使該彈具有200 km以上的射程,用以攻擊空中預警機。歐洲導彈制造商MBDA公司研制的,使用沖壓式火箭發動機、最大射程達150 km的“流星”中距空空導彈也正在抓緊研制。

設計一種反預警機的導彈,導彈的火控系統必須絕對過硬,導彈不僅要探測到(300～400)km外的目標,還要有精確測距能力,使導彈得到精確的起始目標位置,以找出能量消耗最經濟的航路飛向目標,確保導彈能達到最大射程。導彈還應具備一定的人工智能,避免作戰時把密集編隊的飛機誤當成大型飛機,由于超遠程導彈動輒幾百萬美元的造價,若需耗在低價值飛機上,實在是一種浪費。采用先進制導技術,進一步提高命中精度。如采用全球定位系統(GPS)修正慣導誤差,或采用紅外成像、毫米波雷達自動尋的作為末制導以提高精度,使導彈在復雜電磁環境下的生存能力增強。

為此需要采用復合制導技術,復合制導解決了超視距空戰問題。

1 復合制導

復合制導是指導彈自主飛行彈道中不同時間段采用不同的制導方式和制導律的制導模式。導彈在攻擊中遠距目標時,飛行初段和中段采用慣導,并為導彈配以必需的數據傳輸設備解決中段目標修正,使導彈在自動駕駛儀和慣導控制下靠近目標,直至導引頭完全鎖定目標。飛行末段采用主動雷達或紅外導引頭攻擊目標。如中距空空導彈 AIM-120A、R-77,遠距截擊型空空導彈AIM-54A“不死鳥”、AA-9“阿莫斯”等均采用此制導方式。KS-172型導彈采用無彈翼、尾部控制的氣動外形布局,制導系統采用復合制導,即慣性加指令修正中制導和主動雷達末制導。AIM-120A是全數字式制導,采用慣性中制導和互波段(8 GHz～10 GHz)PD主動雷達末制導相結合的復合制導,這提高了導彈最大發射距離和載機的解脫距離,并使導彈具有多目標攻擊和“發射后不管”能力。該彈有三種中制導方式:慣導、指令慣導和雷達干擾尋的;有三種末制導方式:高脈沖重復頻率主動雷達制導,中脈沖重復頻率主動雷達制導和雷達干擾尋的。AMRAAM能夠測定目標與導彈的相對位置,其主要目的是預測目標機動和剩余飛行時間,以便利用更先進的導引規律對付大機動的目標。

1.1 組合導航系統

用作傳感器的慣性器件有各種陀螺和加速度計,分別用于測量導彈的姿態角、姿態角速度和線加速度。直接用于反饋的慣性器件其精度要求較低,而兼用于捷聯式慣性導航系統中的慣性器件其精度要求較高。它由分別固定在三個彈體軸上測量其線加速度的加速度計、測量角速度的速率陀螺、相應的頻率代碼變換電路和數字微處理器構成。慣性導航系統具有自主性強、隱蔽性好的特點,因而在空空導彈制導系統中得到了廣泛的應用。美國的“不死鳥”AIM-54C遠距攔截空空導彈、A IM-120中距空空導彈和通用動力公司的AAAM概念遠程空空導彈,以及俄羅斯的 R-77中距空空導彈和KS-172遠程空空導彈,歐洲的“流星”中距空空導彈等就采用了慣導系統作為中制導手段。

慣性導航系統的不足之處,是其導航誤差隨工作時間的加長,呈快速增長的態勢,這主要是由于慣導系統中未能補償掉的陀螺漂移和加速度計零位偏置造成的。因此,在遠程空空導彈中,都采用一個非慣性的輔助導航系統,周期性地對自主工作的慣性導航系統的參數進行修正。遠程無線電導航系統、全球定位系統(例如GPS,GLONASS等),都可用作構成組合導航系統的輔助導航系統。

當然,兩個系統組合的結果,會使這個系統失去慣導系統原來具有的自主性或隱蔽性。當然,也可以采取一些彌補措施。例如,對導航雷達的發射信號進行加密,對接收到的GPS或GLONASS信號采取一些抗干擾措施等。

組合導航系統中,兩個導航系統的組合方式有兩種:松耦合和緊耦合。根據最佳控制理論的原理,利用卡爾曼濾波器,先對非慣導系統的輸出量求取最佳估值,然后再用于對慣導系統輸出的導航參數進行修正,稱之為“串行耦合”或松耦合。現代的組合導航系統,則進一步采用數據融合理論,利用兩個導航系統的導航參數觀測差,通過最優組合的導航用卡爾曼濾波器,求取它們的最佳估值。這個濾波器既是兩個導航系統的數據接口,又是數據融合的最佳估計與濾波裝置,稱之為緊耦合導航系統。A IM-120D導彈通過采用GPS輔助導航系統改進了制導性能,通過采用新的制導軟件,改進了導彈的運動性能。

組合導航系統目前的研究重點:改進的GPS/INS、抗干擾GPS系統和微機電系統戰術慣性測量裝置。

1.2 數據鏈和導引頭

數據鏈指令修正系統傳送載機測量的目標信息給導彈,雙向數據鏈增加了導彈在擊中目標之前將目標數據發回給載機的功能。

A IM-120導彈有三種中制導方式:慣導、指令慣導和雷達干擾尋的。

美國空軍委托雷神公司繼續實施A IM-120C先進中距空空導彈改進計劃,以便在未來10年與歐洲聯合發展的“流星”中距空空導彈進行競爭。其改進的重點包括加裝一種新的雙向數據鏈,以提高導彈的命中精度。

A IM-120D導彈還加裝了雙向數據鏈,該數據鏈可以使導彈在擊中目標之前將目標數據發回給戰斗機。這是進行超視距攻擊應具備的關鍵特性。

MBDA公司正在研制的“流星”超視距空空導彈(BVRAAM)也加裝了可靠的數據鏈進行中段制導修正,并計劃采用雙向數據鏈。

R-77制導方式為慣導加指令修正和主動雷達末制導,計劃飛行階段用數據鏈控制。

導引頭是導彈制導系統的目標探測跟蹤環節,它根據目標的有關信息(無線電波、熱輻射或其它形式能量)來探測、截獲和跟蹤目標,同時測量導彈與目標之間的視線角速度,給導彈制導系統提供導引信號,有時還向近炸引信、推進系統、發控系統和載機火控系統提供必要的信息。中遠程空空導彈一般采用雷達導引頭和紅外導引頭。

美國的“不死鳥”AIM-54C遠距攔截空空導彈采用主動多普勒雷達導引頭作為末制導。

A IM-120是全數字式制導,有三種末制導方式:高脈沖重復頻率主動雷達制導、中脈沖重復頻率主動雷達制導和雷達干擾尋的。AMRAAM能夠測定目標與導彈的相對位置,其主要目的是預測目標機動和剩余飛行時間,以便利用更先進的導引規律對付大機動的目標。在較遠距離上用高脈沖重復頻率測速,以提高導引頭截獲距離,而在低空下視或近距時,應用中脈沖重復頻率,以提高對目標的分辨率和低空下視能力。目前,美國正在按照“被動式附加導引頭天線”計劃,為AIM-120研制一種被動式反輻射附加導引頭,使AIM-120具有雙模(dual-mode)作戰能力。當目標飛機的空中攔截雷達正在輻射電波時,附加導引頭可以使AIM-120向目標飛機被動制導發射,這樣美國戰斗機不需使用自身的雷達,AIM-120的被動導引頭就能自動搜索目標雷達輻射的無線電能量。如果目標飛機雷達停止工作,AIM-120導彈將自動轉為主動導引頭工作模式。

A IM-120B可能采用一個新的雙模導引頭,它的多頻譜導引頭將能選擇多種頻率以增加導彈頭尋的預定目標的能力。多頻譜導引頭的第一階段是概念設計(處理多個探測器和模態的算法研究,導引頭對付目標威脅和電子干擾的性能評估,掛飛實驗計劃,性能價格權衡研究)。

由于世界各國對新一代雷達型空空導彈提出各種各樣的要求,并且主要用于裝備第四代戰斗機,因此導致新一代雷達型空空導彈需要采用模塊化結構,可以使導彈更換不同型號的導引頭:雷達頭、紅外頭等。其特點是導彈具有“發射后不管”能力,采用同一制導規律及共用導彈頭部窗口進行兩種模式信號檢測,可以互補雷達、紅外技術優勢,利用紅外的良好抗電磁干擾、角分辨率高的特點。目前,A IM-120D采用模塊化結構。

通用動力公司等提出的AAAM概念導彈在彈道末段轉變為半主動雷達制導。導彈有一雙模導引頭,中間為紅外導引頭,導引頭周圍包著雷達天線,在攻擊的最后階段將天線罩拋離,以便讓紅外導引頭工作。在該項目被取消之前,曾考慮增大導彈容積以解決X-波段雷達的問題。

雷神公司等提出的AAAM概念導彈采用大孔徑,大功率主動雷達導引頭。然而,中段制導是半主動的,在末段采用主動成像紅外和跟蹤干擾的復合制導。

MBDA公司“流星”超視距空空導彈末段采用主動雷達制導,并計劃采用主動雷達/紅外成像雙模導引頭。

R-77的導引頭為多功能單脈沖多普勒主動雷達頭,工作在J波段(10 GHz～20 GHz),對于5m2雷達反射面積目標的截獲距離為十幾公里,可在極短的距離上被激活發射。此外,俄羅斯對R-77的改進還有:采用紅外導引頭;裝用被動雷達尋的頭,用來進行空對地壓制或攻擊其他敵機。

目前正在加緊進行毫米波、紅外等末端導引頭算法研制、傳感器融合、光學相關技術、電子處理器等信號處理器性能改進工作。

2 控制原理和控制方式

飛行控制系統(簡稱飛控系統)是導彈制導控制系統的重要組成部分,一般由自動駕駛儀與彈體動力學環節構成閉合回路。在飛控系統中,自動駕駛儀通常包括傳感器、控制電路、氣動舵機與推力矢量執行機構等彈上設備;而彈體動力學通常包括氣動力控制面、推力矢量控制面和彈體,彈體是受控對象。在彈體動力學已經確定的條件下,飛控系統的任務就要通過自動駕駛儀來完成。

飛控系統的任務分為穩定和控制兩個部分。在導彈飛行條件變化或受到外部干擾時,系統要保持導彈姿態不變或限制姿態角速度值,并保證導彈質心運動的穩定性,并可快速準確地按控制指令改變導彈的姿態和實現要求的橫向機動過載。

先進的中距空空導彈,其典型飛控系統一般采用多狀態變量反饋的控制方式。其俯仰和偏航通道反饋的狀態變量有彈體角速度、偽攻角和橫向過載。橫滾通道采用橫滾角速度和角位置反饋。同時配有捷聯式慣導系統和彈載計算機,能實現慣性參考自適應控制,以保證在各種飛行條件下使系統達到最佳穩定性和操縱性。

遠程空空導彈使用的控制方式可以分為以下三種。

(1)按控制通道分類

控制導彈的目的是使導彈的質心在遇靶瞬間與目標的距離達到最小。目前,一般導彈都是通過對姿態的控制間接實現對導彈質心運動的控制。導彈姿態在空間有三個自由度,即俯仰、偏航和橫滾運動,故對應的導彈控制有三個通道。根據導彈的尺寸大小、功能要求不同,空空導彈具有以下三種控制方式:單通道控制方式、三通道控制方式和五通道控制方式。

(2)STT和BTT控制方式

根據對導彈機動(升力)方位的控制方法不同,可分為STT和BTT兩種控制方式。STT稱為側滑轉彎控制,它是導彈的一種常用控制方式。STT控制方式是通過相互垂直且獨立的上/下(俯仰)和左/右(偏航)兩個通道共同作用來完成導彈所需的轉彎運動。這種控制方式允許導彈側滑,也允許有一定的滾動,系統設計相對簡單。但是,這種控制方式不適用于非軸對稱外形或者不允許側滑運動的導彈。

BTT稱為傾斜轉彎控制,它是導彈的一種新型控制方式。該方式基本消除了導彈的側滑運動,除用一個或兩個通道同時產生控制力外,控制方位由橫滾控制通道來完成。導彈的另一通道(如偏航)主要用于控制導彈協調轉彎并限制或消除導彈的側滑。BTT控制方式主要用于氣動布局為非軸對稱的導彈。

(3)氣動力和推力矢量控制方式

根據導彈控制力的產生方式可分為氣動力控制、推力矢量控制和氣動力/推力矢量復合控制等三種控制方式。

1)氣動力控制方式

空空導彈一般采用氣動力控制方式。氣動力控制方式的局限性在于它受導彈飛行狀態的限制。當導彈速度小或飛行高度高,需要較大的過載進行轉彎機動時,將由于導彈的可用過載小而不能滿足系統要求。

2)推力矢量控制方式

推力矢量控制的特點在于其控制力為發動機推力分量,因而基本與導彈的飛行狀態(速度、高度)無關。可以在空氣稀薄的高空(20 km以上),也可在導彈低速下給導彈提供足夠的控制力,這是氣動力控制方式不可比擬的。

3)氣動力/推力矢量復合控制方式

由于導彈的質量和尺寸的限制,制約了發動機的最大裝藥量,限制了導彈全程矢量控制的采用,因而采用氣動力/推力矢量復合控制方式。

“流星”導彈采用的控制方式:傾斜轉彎(BTT)和側滑轉彎(STT)。如圖 1所示,“流星”導彈采用了正常氣動布局,靜穩定尾翼控制,雙下側二元進氣道,相互間隔90°徑向角,呈面對稱設置。四片全動梯形尾舵,兩片固定彈翼,與二元進氣道一起呈軸對稱設置,可通過推力矢量控制實現大離軸角發射或進行中途修正。

圖1 “流星”導彈結構示意圖

與A IM-120等軸對稱彈體導彈不同,“流星”導彈的最大升力面的法向力大于其他方向的法向力。因此,其氣動布局構成升力彈體。只有采用BTT機動控制模式才能避免大的側滑角給進氣道性能帶來的不利影響并獲取較大的橫向過載能力。

A IM-120采用大細長比、小翼展、尾部控制的正常式氣動外形布局,其優點是需要的舵機功率遠小于彈翼控制方式,因而可以使用重量輕、體積小的機電伺服系統。

雷神公司等提出的AAAM概念導彈采用傾斜轉彎而不是側滑轉彎,以節省能耗。

法國馬特拉公司的“米卡”(MICA)空空導彈采用推力矢量控制與傳統氣動控制舵相結合的方式。俄羅斯的AA-11“弓箭手”空空導彈配備了三種伺服系統即滾動控制、推力矢量控制和鴨式氣動舵控制,其推力矢量控制采用擋流片方案,導彈最大過載達50 g。

俄羅斯的R-77采用正常式氣動布局,但在結構設計上有其獨到之處,首次在空空導彈上采用四片格柵式尾翼舵面,取代傳統的空氣動力控制舵面,以減輕尾翼重量,減少大攻角機動飛行時的氣流分離,減小舵面氣動鉸鏈力矩,從而減小舵機功率,增大氣動升力和控制力矩,降低舵機能源,提高低速飛行時的穩定性和高速飛行時的機動性,改變舵的格柵數量就可能改變尾翼特性,這種燃氣動力偏轉裝置可使導彈以150°/s的速度轉彎,能攻擊過載超過12 g的目標,提高了導彈機動能力。

3 結束語

借鑒國外發達國家研制遠程空空導彈的成功經驗,積極采用成熟的技術,盡快地研制出性能優良的遠程空空導彈,提高我軍戰斗力。

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