水雷出水攻擊空中彈道設計與分析

李雨田, 張宇文, 張紀華, 劉立棟

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水雷出水攻擊空中彈道設計與分析

李雨田, 張宇文, 張紀華, 劉立棟

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

針對水雷出水攻擊的作戰模式, 設計了該模式下的空中攻擊彈道, 建立了水雷出水攻擊彈道數學模型, 分析了垂直上升彈道的姿態穩定控制、快速轉彎彈道的限制轉彎角速率和設置俯沖角、俯沖攻擊彈道導引等關鍵技術, 最后對各段彈道的動態特性進行了仿真。仿真結果表明, 預設彈道穩定可控, 能按預設彈道實施對目標的打擊。

水雷; 空中攻擊; 彈道設計; 彈道仿真

0 引言

出水攻擊型水雷是出水經由空中彈道實施對目標攻擊的一類水雷的總稱。隨著水雷目標探測距離的增大和網絡戰的應用, 水雷的有效封鎖半徑可以擴展到數千米, 此時如果仍采用水下攻擊的辦法, 則攻擊時間將增大數倍, 目標散布區域增大數倍, 假定水雷戰斗部的有效殺傷半徑不變, 則對目標的殺傷概率要降低一個量級。因此可以考慮出水攻擊彈道方案以縮短攻擊時間, 提高目標探測精度, 同時引入精確制導技術以提高作戰效能。

目前有關水雷出水攻擊的研究較少, 文獻[1]提出了水雷出水攻擊直升機的方案, 分析了出水過程中介質發生突變時水雷的受力變化。文獻[2]設計了水雷姿態跟蹤控制器, 將反饋線性化方法與基于變結構理論相結合設計了姿態閉合控制系統。文獻[3]和[4]研究了出水過程中汽水耦合及流體動力變化帶來的影響。針對水雷出水攻擊彈道及其彈道特性的研究目前公開文獻較少, 本文通過對水雷出水攻擊彈道的研究, 設計一種水雷出水空中攻擊模式, 同時對各段彈道的關鍵技術進行了分析和研究。

1 水雷彈道數學模型

1.1 坐標系的選擇

1.2 動力學方程

運用動量和動量矩定理, 在水雷體坐標系下建立水雷動力學方程

1.3 運動學方程

式(1)~(4)中有14個方程, 包含14個未知數0,0,0,v,v,v,,,,,,,,, 封閉可解。

2 空中攻擊彈道設計

出水攻擊彈道方案的基本思想是, 水雷探測或接受到一定距離外目標信息后, 垂直出水并上升至一定高度, 快速轉向目標散布海域, 開啟紅外制導頭, 搜索并導向目標。圖2為設計的出水攻擊空中彈道軌跡。

圖2 水雷出水彈道軌跡

該彈道分為以下3段彈道: 1) 垂直上升彈道。戰斗部點火后垂直出水并上升至一定高度, 以便于搜索目標并實施俯沖攻擊; 2) 快速轉彎彈道。戰斗部垂直出水并上升至指定高度后, 需要快速轉向目標方位, 以便搜索、跟蹤并攻擊目標;3) 俯沖攻擊彈道。戰斗部在轉彎彈道發現目標后, 對水面目標戰斗部實施有動力直接攻擊或無動力滑翔攻擊。

3 彈道分析與仿真

3.1 垂直上升彈道

1) 控制任務

該段彈道的主要任務是實現垂直上升并將彈體縱對稱面轉向目標方位。戰斗部垂直上升過程中, 根據目標方位角, 調整自身橫滾角, 使得軸指向目標方位的過程定義為轉向目標。如圖3所示為轉向目標示意圖。即彈體軸軸正向轉過一定角度至￠位置, 對準目標。

圖3 轉向目標示意圖

水雷在水下和空中運動的控制規律采用比例-微分控制方式, 具體控制方程為

2) 彈道仿真

垂直上升控制為姿態穩定控制, 目的是要把俯仰角和偏航角穩定在0°, 主要干擾源有初始擾動和海流干擾, 在初始擾動中, 俯仰通道和偏航通道等價。假定初始擾動: 初始俯仰角10°, 初始俯仰角速率30°/s, 初始橫滾角10°, 初始橫滾角速率30°/s以及5 kn海流速度復合擾動下進行彈道仿真。圖4為初始擾動和海流擾動的復合擾動仿真結果。

由仿真結果可知, 在所給復合擾動初始條件下, 控制系統能在1 s內將俯仰角控制到0°附近, 偏航角也能穩定在0°附近。

圖4 初始擾動和海流擾動的復合擾動仿真

3.2 快速轉彎彈道特性分析與仿真

快速轉彎段彈道是水雷出水攻擊彈道中關鍵的一環。戰斗部在轉彎過程中具有較大的攻角, 流體動力呈非線性, 彈體承受較大法向過載[7-8]。

1) 限制轉彎角速率

在轉彎彈道控制中, 如果直接將目標俯仰角設定為最終要求的俯仰角, 戰斗部將以最大可用法向過載轉向目標, 會出現很大的攻角, 如圖5所示。

圖5 不限制轉速的快速轉彎仿真

為了避免這一問題, 采用限制轉彎角速率的辦法實現, 以固定的角速率增大目標俯仰角直至達到最終要求的俯仰角, 如圖6所示。

設定轉彎角速率分別為10°/s, 15°/s, 20°/s, 將仿真結果繪制在一起, 如圖6所示。

可見, 轉彎角速率越大, 轉彎過程引起的攻角越大, 彈道轉彎半徑越小。為了將轉彎過程攻角控制在合理范圍內, 本文采用15°/s的轉彎角速率限制, 將轉彎過程中攻角限制在30°以內。

2) 設計轉彎俯沖角

在轉彎彈道設計中, 確定轉彎角速率后, 轉彎半徑就確定了, 在彈道設計中不再作為設計參數, 而把俯沖角作為主要彈道設計參數。此時, 對于同一距離的目標可以有多種方案彈道, 即不同上升高度和俯沖角的組合。

表1設計了3種彈道組合方案, 圖7為針對這3種方案進行轉彎彈道的仿真結果。

通過3種方案的仿真結果對比分析可見, 垂直上升高度越小, 全彈道時間越短, 轉彎終止角絕對值越小。彈道方案的選擇根據紅外探測系統所需的最小海面俯視角度確定, 在可能的條件下上升高度越小越有利于降低成本。

圖6 限制轉速的快速轉彎仿真

表1 3種彈道組合方案

圖7 3種組合方案的快速轉彎仿真

3.3 俯沖攻擊彈道特性分析與仿真

1) 彈道分析

戰斗部搜索并發現目標后, 進入俯沖攻擊彈道。由于探測距離近, 采用技術成熟的點紅外式固定導引頭[9-10], 輸出目標相對彈體對稱面的高低角和方位角, 控制系統根據目標信號, 在縱、橫2個平面內采用追蹤法將戰斗部導向目標。

假定導引頭主要性能指標: 探測距離5 km, 探測張角60°, 盲區距離200 m, 距離誤差1%, 角度誤差±2°。

2) 俯沖攻擊彈道控制仿真

假定目標位于水雷出水點水平距離1 000 m處, 以20 kn的速度遠離戰斗部出水點, 圖8為俯沖攻擊彈道的仿真結果。仿真結果表明, 在導引作用下能夠準確實施對目標的打擊。

圖8 俯沖攻擊彈道仿真

4 結束語

為了擴寬水雷的應用范圍, 本文研究了水雷出水空中攻擊彈道, 同時分析了各段彈道的難點。建立了彈道模型并對攻擊彈道特性進行仿真驗證。仿真結果表明了實施彈道打擊的可行性。該方法為研究水雷出水攻擊水面艦船的工程實踐應用提供了參考。

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Air Trajectory Design and Analysis for Mine Water-exit Attack

LI Yu-tian, ZHANG Yu-wen, ZHANG Ji-hua, LIU Li-dong

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi￠an 710072, China)

The air trajectory was designed for a mine water-exit attack, and a mathematic model of attack trajectory was established. The attitude stabilization control for vertically upward trajectory, the restriction of turn angular rate, the setting of dive angle for fast turn trajectory, and the guidance of dive attack trajectory were analyzed. In addition, the dynamic characteristic of each trajectory was simulated, and the results show that the preset trajectory is stable and controllable, and can be used to accurately strike target.

mine; air attack; trajectory design; trajectory simulation

TJ013

A

1673-1948(2012)03-0166-05

2011-10-17;

2011-11-24.

李雨田(1981?), 男, 在讀博士, 主要從事水中兵器彈道和控制方面的研究.

(責任編輯: 陳 曦)