水雷出水攻擊空中彈道設(shè)計(jì)與分析

李雨田, 張宇文, 張紀(jì)華, 劉立棟

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水雷出水攻擊空中彈道設(shè)計(jì)與分析

李雨田, 張宇文, 張紀(jì)華, 劉立棟

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

針對水雷出水攻擊的作戰(zhàn)模式, 設(shè)計(jì)了該模式下的空中攻擊彈道, 建立了水雷出水攻擊彈道數(shù)學(xué)模型, 分析了垂直上升彈道的姿態(tài)穩(wěn)定控制、快速轉(zhuǎn)彎彈道的限制轉(zhuǎn)彎角速率和設(shè)置俯沖角、俯沖攻擊彈道導(dǎo)引等關(guān)鍵技術(shù), 最后對各段彈道的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明, 預(yù)設(shè)彈道穩(wěn)定可控, 能按預(yù)設(shè)彈道實(shí)施對目標(biāo)的打擊。

水雷; 空中攻擊; 彈道設(shè)計(jì); 彈道仿真

0 引言

出水攻擊型水雷是出水經(jīng)由空中彈道實(shí)施對目標(biāo)攻擊的一類水雷的總稱。隨著水雷目標(biāo)探測距離的增大和網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)的應(yīng)用, 水雷的有效封鎖半徑可以擴(kuò)展到數(shù)千米, 此時(shí)如果仍采用水下攻擊的辦法, 則攻擊時(shí)間將增大數(shù)倍, 目標(biāo)散布區(qū)域增大數(shù)倍, 假定水雷戰(zhàn)斗部的有效殺傷半徑不變, 則對目標(biāo)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(shí)間, 提高目標(biāo)探測精度, 同時(shí)引入精確制導(dǎo)技術(shù)以提高作戰(zhàn)效能。

目前有關(guān)水雷出水攻擊的研究較少, 文獻(xiàn)[1]提出了水雷出水攻擊直升機(jī)的方案, 分析了出水過程中介質(zhì)發(fā)生突變時(shí)水雷的受力變化。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了水雷姿態(tài)跟蹤控制器, 將反饋線性化方法與基于變結(jié)構(gòu)理論相結(jié)合設(shè)計(jì)了姿態(tài)閉合控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[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(xiàn)較少, 本文通過對水雷出水攻擊彈道的研究, 設(shè)計(jì)一種水雷出水空中攻擊模式, 同時(shí)對各段彈道的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

1 水雷彈道數(shù)學(xué)模型

1.1 坐標(biāo)系的選擇

1.2 動力學(xué)方程

運(yùn)用動量和動量矩定理, 在水雷體坐標(biāo)系下建立水雷動力學(xué)方程

1.3 運(yùn)動學(xué)方程

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

2 空中攻擊彈道設(shè)計(jì)

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(biāo)信息后, 垂直出水并上升至一定高度, 快速轉(zhuǎn)向目標(biāo)散布海域, 開啟紅外制導(dǎo)頭, 搜索并導(dǎo)向目標(biāo)。圖2為設(shè)計(jì)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(zhàn)斗部點(diǎn)火后垂直出水并上升至一定高度, 以便于搜索目標(biāo)并實(shí)施俯沖攻擊; 2) 快速轉(zhuǎn)彎彈道。戰(zhàn)斗部垂直出水并上升至指定高度后, 需要快速轉(zhuǎn)向目標(biāo)方位, 以便搜索、跟蹤并攻擊目標(biāo);3) 俯沖攻擊彈道。戰(zhàn)斗部在轉(zhuǎn)彎彈道發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后, 對水面目標(biāo)戰(zhàn)斗部實(shí)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(wù)

該段彈道的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)垂直上升并將彈體縱對稱面轉(zhuǎn)向目標(biāo)方位。戰(zhàn)斗部垂直上升過程中, 根據(jù)目標(biāo)方位角, 調(diào)整自身橫滾角, 使得軸指向目標(biāo)方位的過程定義為轉(zhuǎn)向目標(biāo)。如圖3所示為轉(zhuǎn)向目標(biāo)示意圖。即彈體軸軸正向轉(zhuǎn)過一定角度至￠位置, 對準(zhǔn)目標(biāo)。

圖3 轉(zhuǎn)向目標(biāo)示意圖

水雷在水下和空中運(yùn)動的控制規(guī)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(tài)穩(wěn)定控制, 目的是要把俯仰角和偏航角穩(wěn)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(jià)。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(fù)合擾動下進(jìn)行彈道仿真。圖4為初始擾動和海流擾動的復(fù)合擾動仿真結(jié)果。

由仿真結(jié)果可知, 在所給復(fù)合擾動初始條件下, 控制系統(tǒng)能在1 s內(nèi)將俯仰角控制到0°附近, 偏航角也能穩(wěn)定在0°附近。

圖4 初始擾動和海流擾動的復(fù)合擾動仿真

3.2 快速轉(zhuǎn)彎彈道特性分析與仿真

快速轉(zhuǎn)彎段彈道是水雷出水攻擊彈道中關(guān)鍵的一環(huán)。戰(zhàn)斗部在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎角速率

在轉(zhuǎn)彎彈道控制中, 如果直接將目標(biāo)俯仰角設(shè)定為最終要求的俯仰角, 戰(zhàn)斗部將以最大可用法向過載轉(zhuǎn)向目標(biāo), 會出現(xiàn)很大的攻角, 如圖5所示。

圖5 不限制轉(zhuǎn)速的快速轉(zhuǎn)彎仿真

為了避免這一問題, 采用限制轉(zhuǎn)彎角速率的辦法實(shí)現(xiàn), 以固定的角速率增大目標(biāo)俯仰角直至達(dá)到最終要求的俯仰角, 如圖6所示。

設(shè)定轉(zhuǎn)彎角速率分別為10°/s, 15°/s, 20°/s, 將仿真結(jié)果繪制在一起, 如圖6所示。

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

2) 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎俯沖角

在轉(zhuǎn)彎彈道設(shè)計(jì)中, 確定轉(zhuǎn)彎角速率后, 轉(zhuǎn)彎半徑就確定了, 在彈道設(shè)計(jì)中不再作為設(shè)計(jì)參數(shù), 而把俯沖角作為主要彈道設(shè)計(jì)參數(shù)。此時(shí), 對于同一距離的目標(biāo)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(shè)計(jì)了3種彈道組合方案, 圖7為針對這3種方案進(jìn)行轉(zhuǎn)彎彈道的仿真結(jié)果。

通過3種方案的仿真結(jié)果對比分析可見, 垂直上升高度越小, 全彈道時(shí)間越短, 轉(zhuǎn)彎終止角絕對值越小。彈道方案的選擇根據(jù)紅外探測系統(tǒng)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(zhuǎn)速的快速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎仿真

3.3 俯沖攻擊彈道特性分析與仿真

1) 彈道分析

戰(zhàn)斗部搜索并發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后, 進(jìn)入俯沖攻擊彈道。由于探測距離近, 采用技術(shù)成熟的點(diǎn)紅外式固定導(dǎo)引頭[9-10], 輸出目標(biāo)相對彈體對稱面的高低角和方位角, 控制系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)信號, 在縱、橫2個平面內(nèi)采用追蹤法將戰(zhàn)斗部導(dǎo)向目標(biāo)。

假定導(dǎo)引頭主要性能指標(biāo): 探測距離5 km, 探測張角60°, 盲區(qū)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(biāo)位于水雷出水點(diǎn)水平距離1 000 m處, 以20 kn的速度遠(yuǎn)離戰(zhàn)斗部出水點(diǎn), 圖8為俯沖攻擊彈道的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明, 在導(dǎo)引作用下能夠準(zhǔn)確實(shí)施對目標(biāo)的打擊。

圖8 俯沖攻擊彈道仿真

4 結(jié)束語

為了擴(kuò)寬水雷的應(yīng)用范圍, 本文研究了水雷出水空中攻擊彈道, 同時(shí)分析了各段彈道的難點(diǎn)。建立了彈道模型并對攻擊彈道特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明了實(shí)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(shí)踐應(yīng)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(zé)任編輯: 陳 曦)