某型迫擊炮射無人機應(yīng)用研究

袁新波，江多琨，周前進，鄭大成，汪 麗

(國營990廠，合肥 230601)

根據(jù)現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的發(fā)展趨勢，無人機的應(yīng)用越來越頻繁，其機動靈活、作戰(zhàn)能力強、結(jié)構(gòu)簡單實用、技術(shù)成熟度高，已經(jīng)逐步成為信息化戰(zhàn)爭的一個重要分支，好多國家正在大力拓展無人機應(yīng)用平臺[1-2]。巡飛彈是在無人機基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一類新型彈藥，這類彈藥與無人機相比，具有能快速進入作戰(zhàn)區(qū)域、突擊能力強、戰(zhàn)術(shù)使用靈活等優(yōu)點[3]。迫擊炮結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便、機動靈活，適用在各種地形、地貌條件下進行作戰(zhàn)。在迫擊炮平臺上研究無人機的應(yīng)用具有重要的理論意義和工程價值[4]。

1 國內(nèi)外炮射無人機發(fā)展情況

炮射無人機是為滿足未來戰(zhàn)爭需求而出現(xiàn)的一種新型無人駕駛飛行器，由各類火炮、火箭炮等身管武器發(fā)射，能在目標(biāo)區(qū)上方執(zhí)行偵察與毀傷評估、精確打擊、通信中繼、目標(biāo)指示等各種作戰(zhàn)任務(wù)[5]。炮射無人機是無人機技術(shù)和彈藥技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物，本質(zhì)上是一種炮射巡飛彈。美國、俄羅斯、英國等國家相繼研發(fā)了多種炮射無人機[6-7]如圖1～圖3所示。我國在炮射無人機方面，研究了一款新生代超級武器WS-43巡飛彈系統(tǒng)如圖4所示，能夠適應(yīng)于多種戰(zhàn)斗場面和戰(zhàn)斗需求。

2 某型迫擊炮射無人機系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

某型迫擊炮射無人機(以下稱為：母彈)以傳統(tǒng)迫擊炮彈為基礎(chǔ)，考慮低成本理念，通過內(nèi)、外彈道的優(yōu)化實現(xiàn)彈丸射程、散布等主要指標(biāo)[8-9]；其主要由引信、頭螺、彈體、巡飛子彈、開艙組件、發(fā)射裝藥、彈尾等組成。工作原理是：在發(fā)射前，裝定彈藥巡飛軌跡，由母彈攜帶巡飛子彈飛到一定距離，母彈通過開艙組件適時開艙拋出巡飛子彈，巡飛子彈上電工作，按照預(yù)先裝定的巡飛軌跡飛行，飛控系統(tǒng)控制巡飛子彈對目標(biāo)實施末端制導(dǎo)和攻擊任務(wù)。

1) 母彈穩(wěn)定性和散步特性設(shè)計

通常迫擊炮彈在外彈道方面，需要有良好的飛行穩(wěn)定性，一般迫擊炮彈的彈飛行穩(wěn)定性儲備量設(shè)計在12%～20%左右[10]。如果對母彈末端不進行巡飛制導(dǎo)控制，彈丸落點會在長軸(縱向)約為200 m，短軸(橫向)約為180 m的橢圓內(nèi)，其落點散布特性可以滿足巡飛子彈在飛行彈道末端進行制導(dǎo)控制[11-12]，實現(xiàn)對目標(biāo)的精確打擊。

2) 開艙方式及減速傘設(shè)計

目前迫擊炮彈常用的開艙方式有前開艙、后開艙兩種[13]，由于母彈在開艙時，巡飛子彈下落速度過大，控制系統(tǒng)無法對其進行控制，不利于巡航及制導(dǎo)，因而采用后開艙結(jié)構(gòu)。后開艙結(jié)構(gòu)可通過減速傘將巡飛子彈速度減至合適范圍，然后啟動動力裝置，切除減速傘，完成彈機轉(zhuǎn)換。根據(jù)降落傘的載荷重量、巡飛子彈開艙初速和下降落速，選擇減速傘的結(jié)構(gòu)尺寸和開艙拋灑高度等參數(shù)，設(shè)計采用了十字型減速傘，并按式(1)進行計算。其中，F(xiàn)D為拉力，ρ為空氣密度，Cd為風(fēng)阻系數(shù)，A為減速傘面積，v表示與空氣相對速度。

(1)

3) 氣動仿真分析

利用FLUENT軟件對母彈進行氣動仿真分析，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示，通過仿真分析得到模型的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、靜穩(wěn)定系數(shù)等，母彈氣動各項參數(shù)符合彈丸飛行彈道性能要求。

4) 結(jié)構(gòu)強度仿真分析

利用ANSYS軟件對彈丸進行結(jié)構(gòu)強度仿真分析，仿真對象主要為彈艙、開艙組件、下彈體、推板等會受到較大過載的零件。仿真結(jié)果如圖7～圖10所示，通過仿真分析可知零部件設(shè)計滿足強度要求。

2.2 巡飛子彈各分體設(shè)計

巡飛子彈的工作原理是當(dāng)巡飛子彈藥被拋出后，在距離目標(biāo)地點大于500 m時，使用GPS實時采集自身位置，根據(jù)裝定的目標(biāo)位置，導(dǎo)引巡飛子彈朝向目標(biāo)方向飛行；在距離小于500 m時，使用圖像制導(dǎo)成像系統(tǒng)完成圖像制導(dǎo)，引導(dǎo)巡飛子彈完成對目標(biāo)的攻擊。

1) 探測與制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計

探測與制導(dǎo)系統(tǒng)采用圖像與GPS復(fù)合制導(dǎo)。圖像制導(dǎo)由圖像采集、存儲、處理、傳輸、識別、目標(biāo)跟蹤等模塊組成；GPS制導(dǎo)由GPS接收和處理模塊組成。

2) 飛控系統(tǒng)設(shè)計

巡飛子彈的控制系統(tǒng)由輸入信息單元、檢測單元、運算控制單元和執(zhí)行單元組成。巡飛子彈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

飛行控制單元是巡飛子彈控制的核心，在導(dǎo)航系統(tǒng)探測到信息后，傳輸給飛行控制單元，飛控單元根據(jù)當(dāng)前位置狀態(tài)信息，規(guī)劃航跡，并解算出理想姿態(tài)，然后，通過輸出相應(yīng)PWM控制脈沖調(diào)整舵機、電調(diào)等執(zhí)行機構(gòu)，在氣動力等作用下，巡飛子彈藥的姿態(tài)和飛行軌跡向理想狀態(tài)調(diào)整，最終實現(xiàn)巡飛子彈藥的作戰(zhàn)任務(wù)。飛行控制單元的控制框圖如圖12所示。

3) 巡飛子彈結(jié)構(gòu)和氣動外形設(shè)計

根據(jù)巡飛子彈結(jié)構(gòu)尺寸和氣動性能指標(biāo)要求，初步設(shè)計巡飛子彈結(jié)構(gòu)如圖13所示。巡飛子彈藥從迫擊炮彈開艙拋出后，在傘繩向上的牽引力及巡飛彈中段機翼折疊機構(gòu)彈簧力的共同作用下，巡飛彈折疊主機翼及外段機翼首先展開，機尾也在傘繩牽引下實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，機尾展開。然后位于機尾的折疊尾翼展開，從而完成巡飛子彈從折疊狀態(tài)到展開狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

3 關(guān)鍵技術(shù)的分析與試驗

1) 總體布局設(shè)計

母彈在總體布局設(shè)計上，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提供合適的空間裝填巡飛子彈，在重量大小、質(zhì)心位置要求方面提出巡飛子彈的設(shè)計邊界條件；在氣動外形上，結(jié)合巡飛子彈藥開艙時的環(huán)境結(jié)合氣動特性要求優(yōu)化提高飛行穩(wěn)定性，以滿足開艙時對巡飛子彈的存速、姿態(tài)影響最小。巡飛子彈在設(shè)計時考慮空間大小的約束，結(jié)合彈道末端的航跡路線和攻擊特性對導(dǎo)航、飛控、動力、載荷匹配方面進行統(tǒng)籌規(guī)劃分析和設(shè)計，提出設(shè)計參數(shù)，進行接口和空間的匹配；同時考慮到子彈和飛機轉(zhuǎn)換過程的氣動特性，設(shè)計阻尼傘對無人機穩(wěn)定起到輔助作用。

2) 抗過載技術(shù)

巡飛子彈的機身等材料為非金屬，內(nèi)部還有各種光學(xué)、電子器件，在整個彈道主要承受兩個大的過載，一個是發(fā)射過載、一個是開艙拋撒過載。針對發(fā)射過載，采用能夠承受力和傳遞過載的安裝結(jié)構(gòu)。在課題方案中，采用強度支撐筒及推板結(jié)構(gòu)，在保證發(fā)射強度的同時，保證開艙效果。

3) 轉(zhuǎn)折機構(gòu)設(shè)計

巡飛子彈藥從母彈彈艙拋出后，在傘繩向上的牽引力及巡飛彈中段機翼折疊機構(gòu)彈簧力的共同作用下，逐步展開。在彈機轉(zhuǎn)換的過程中涉及到可靠的轉(zhuǎn)折機構(gòu)，并且對轉(zhuǎn)折機構(gòu)的可靠性要求較高，在方案設(shè)計時應(yīng)充分考慮，這需重點設(shè)計。

4) 軌跡預(yù)測技術(shù)

航跡規(guī)劃是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)，規(guī)劃滿足約束條件的飛行軌跡。其目標(biāo)是在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)計算出最優(yōu)或次最優(yōu)的飛行軌跡，一般包括無人機的初始位置選取、任務(wù)目標(biāo)選擇、飛行航跡確定，開始執(zhí)行任務(wù)時間。軌跡預(yù)測技術(shù)則是融合了母彈在彈道末端的散布特性以及無人機的航跡規(guī)劃任務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)，制定飛行軌跡和巡航路線，這是一項關(guān)鍵技術(shù)。

5) 定向攻擊技術(shù)

對于目標(biāo)的攻擊和毀傷是作戰(zhàn)的最終目的，子彈藥在結(jié)束航跡巡飛階段后，轉(zhuǎn)入基于圖像信息的俯沖攻擊控制階段，控制飛行器完成對目標(biāo)的碰撞。該階段的飛行控制修正能力主要依靠圖像跟蹤系統(tǒng)給出的彈目相對角度關(guān)系以及子彈藥自身氣動外形的機動性保證。在子彈藥進行俯沖攻擊過程中，控制系統(tǒng)能夠通過收斂制導(dǎo)率達到攻擊精度的要求。當(dāng)子彈藥擊中目標(biāo)后，引信以觸發(fā)方式作用并引爆戰(zhàn)斗部，實現(xiàn)對目標(biāo)的毀傷。

6) 試驗驗證

在制式火炮上，我們加工了一些樣機來驗證抗過載開艙的可靠性。用某型火炮發(fā)射并在預(yù)定高度開艙拋出子彈，以巡飛子彈的相同拋撒環(huán)境，對設(shè)計原理方案進行驗證，考核傘、彈、引信的匹配性能，同時考核巡飛子彈的制導(dǎo)攻擊及航跡規(guī)劃性能。

在靶場先后進行了靜態(tài)拋射試驗及動態(tài)飛行試驗。試驗過程見圖14、圖15。

試驗結(jié)果表明：靜開艙可靠，分離完全，零部件強度滿足設(shè)計要求；動態(tài)飛行試驗時母彈開艙可靠，阻尼傘打開正常，巡飛子彈在導(dǎo)引和航跡飛行時，飛行穩(wěn)定，并在模擬攻擊時落速、落角均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

綜上所述，將無人機應(yīng)用到迫擊炮平臺是一種創(chuàng)新和嘗試，也是一種技術(shù)應(yīng)用的研究和拓展，可提高武器綜合作戰(zhàn)能力。本文提出無人機母彈的總體設(shè)計方案，并對母彈的總體結(jié)構(gòu)布局、氣動外形、開艙方式、減速傘及方案的可行性進行了初步設(shè)計與分析。根據(jù)母彈的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出巡飛子彈的初步設(shè)計思路，對方案中的關(guān)鍵技術(shù)進行剖析和研究，為迫擊炮射無人機工程技術(shù)研究提供了借鑒方法。炮射無人機的工程應(yīng)用，將為應(yīng)用單位帶來可觀效益，也可提高我國無人機平臺的綜合作戰(zhàn)效能。

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