一種制導(dǎo)火箭炮彈的設(shè)計和技術(shù)探析

程洪濤，張敬修，陳習智

(1.總裝武漢軍代局駐襄樊地區(qū)軍事代表室，湖北 襄陽 441021;2.中國人民解放軍陸軍軍官學院 遠火系彈藥工程教研室，合肥 230031;3. 75134 部隊，廣西 崇左 532200)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求炮兵具有遠程精確打擊能力?；鸺谧鳛榕诒鴮嵤┗鹆ν粨艉突鹆褐频闹匾淦?，具有射程遠、火力猛、機動性好，能在瞬間給敵人以猛烈火力打擊等優(yōu)點;但又存在射彈散布大、射擊精度差的缺點，且隨著射程的增加，其散布大的缺點越加突出，這大大影響了火箭炮的作戰(zhàn)效能。常規(guī)火箭彈制導(dǎo)化是提高多管火箭武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能快速而有效的途徑，成為近年來制導(dǎo)彈藥發(fā)展的熱點領(lǐng)域，許多國家都有不同程度的裝備或研制。

本文在分析國內(nèi)外制導(dǎo)火箭炮彈技術(shù)研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，立足我軍現(xiàn)有裝備，提出了1 種制導(dǎo)火箭炮彈方案，確定了其工作原理并對有關(guān)技術(shù)進行了探析。

1 制導(dǎo)火箭炮彈技術(shù)的研究現(xiàn)狀

與在彈道初始段采用姿態(tài)穩(wěn)定控制的火箭彈不同，制導(dǎo)火箭彈采用全程制導(dǎo)或末段制導(dǎo)方式來實現(xiàn)對點目標的精確打擊。其主要采用的制導(dǎo)方式是激光半主動制導(dǎo)和GPS/INS 組合導(dǎo)航制導(dǎo)。采用激光半主動制導(dǎo)方式的火箭彈都需要彈外激光設(shè)備照射目標，一般只適用于航空類火箭彈，其典型代表是美國的“先進精確殺傷武器系統(tǒng)”(APKWSⅡ)。對于從地面發(fā)射的火箭炮彈，為了降低制導(dǎo)系統(tǒng)成本，一般采用以下2 種制導(dǎo)體制:一是基于衛(wèi)星導(dǎo)航，二是從地基雷達接收數(shù)據(jù)。其典型代表是美國與歐洲國家共同研制的M270 多管火箭炮發(fā)射的制導(dǎo)火箭彈(GMLRS)、德國萊茵金屬防務(wù)公司的增程型彈道修正模塊(CORECT)和以色列的“彈道修正系統(tǒng)”(TCS)模塊。

制導(dǎo)火箭彈(GMLRS)在利用增程型MLRS (ER-MLRS)火箭彈各組件的基礎(chǔ)上，通過配備制導(dǎo)和控制組件以及新型發(fā)動機，將無控火箭彈轉(zhuǎn)化為精確制導(dǎo)火箭彈，火箭彈采用成本相對較低的GPS/INS 組合技術(shù)進行全程制導(dǎo)，鴨舵控制方式進行彈道修正。彈體分成前后2 段，前后段之間采用滾動軸承聯(lián)接，前段采取滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定控制，制導(dǎo)和控制裝置安裝在前段，后段可自由轉(zhuǎn)動。通過改進，射程和射擊精度得到提高。試驗表明，射程為35 km 時，圓概率誤差為5 m;射程為70 km 時，圓概率誤差小于10 m;可在距友軍部隊200 m處安全爆炸，非常適于城區(qū)和復(fù)雜地形作戰(zhàn)。

德國CORECT 模塊的研究方案被看作是GMLRS 的低成本替代方案。CORECT 模塊集成了GPS 接收機，利用GPS 計算火箭彈在飛行過程中的位置，采用火箭彈彈載磁場傳感器測量地球磁場以確定火箭彈的相對滾裝姿態(tài)?；谝陨蠑?shù)據(jù)，彈載計算機計算出火箭彈距離其指定飛行彈道的偏離量，通過實時啟動小推力火箭發(fā)動機產(chǎn)生脈沖推力，對火箭彈實施橫向及俯仰修正。該模塊已在227 mm 多管火箭系統(tǒng)火箭彈上試驗成功，其命中精度(圓概率誤差)由原常規(guī)無控火箭彈的580 m 降低到50 m 以內(nèi)。

以色列的TCS 模塊由以色列軍事工業(yè)公司(IMI)和艾利莎公司聯(lián)合研制，可改進各種口徑的制式炮兵火箭彈。典型的TCS 由制導(dǎo)與導(dǎo)航系統(tǒng)和地面控制單元組成，制導(dǎo)與導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在火箭彈上?；鸺龔棸l(fā)射后，地面控制單元通過數(shù)據(jù)鏈路與火箭彈實時通信并產(chǎn)生修正數(shù)據(jù)，啟動位于火箭彈彈體前段的雙噴嘴氣體發(fā)生器產(chǎn)生推力來不斷修正火箭彈的彈道;而且能同時向空中12 發(fā)炮彈傳遞彈道修正指令。IMI 公司認為，TCS 比目前美國和北約各國為制導(dǎo)火箭彈安裝的GPS/1NS 制導(dǎo)系統(tǒng)的效費比均要好。

綜上，通過在無控火箭彈上加裝制導(dǎo)模塊是快速提高火箭彈精確打擊能力的理想模式。我國一些科研機構(gòu)在制導(dǎo)火箭彈方面進行了相關(guān)的研究工作，取得了一定進展。隨著我國微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星定位等技術(shù)的發(fā)展，研制制導(dǎo)火箭彈對提高我國武器裝備性能具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2 一種電視制導(dǎo)火箭炮彈方案及其工作原理

本文討論的制導(dǎo)火箭彈方案是在某型122 mm 無控定型火箭彈的基礎(chǔ)上，通過加裝電視導(dǎo)引頭、舵機等制導(dǎo)部件，并配套相應(yīng)設(shè)備——地面控制站組成系統(tǒng)，來提高其命中精度。

2.1 制導(dǎo)火箭彈武器系統(tǒng)組成

電視制導(dǎo)火箭彈武器系統(tǒng)［1］主要由多管火箭炮、地面控制站和制導(dǎo)火箭彈三大部分組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1)多管火箭炮——用于計算、裝定射擊諸元并發(fā)射火箭彈。

2)地面控制站——由控制臺、收發(fā)天線、收發(fā)信機等組成，用于和彈上實現(xiàn)雙向通信。

3)制導(dǎo)火箭彈——在無控定型火箭彈上加裝制導(dǎo)裝置形成;主要由電視導(dǎo)引頭、控制舵機、彈體姿態(tài)測量裝置、彈載計算機、收發(fā)組合及天線、熱電池、戰(zhàn)斗部、發(fā)動機和穩(wěn)定尾翼等組成。

圖1 電視制導(dǎo)火箭彈武器系統(tǒng)組成

2.2 彈體結(jié)構(gòu)及氣動布局方案

結(jié)構(gòu)布局上，以戰(zhàn)斗部為界，可將彈體分為前后2 個艙段。戰(zhàn)斗部前端面至彈頭為制導(dǎo)艙，從彈頭向后依次為:電視導(dǎo)引頭、舵機、彈體姿態(tài)測量裝置、彈載計算機、收發(fā)組合及天線、熱電池;戰(zhàn)斗部前端向后為彈藥艙，包括戰(zhàn)斗部、發(fā)動機、穩(wěn)定尾翼等。發(fā)動機和穩(wěn)定尾翼與無控定型彈一致，這樣可節(jié)省大量的彈藥費用。

氣動布局采用鴨式布局［2］，主要考慮以下幾點:①鴨式布局，彈體機動性、可操縱性好，控制效率高;舵面鉸鏈力矩小。②鴨式舵面離其他制導(dǎo)部件近，連接電纜短，電纜布置方便。③從總體結(jié)構(gòu)上來看，全彈分為2 個部分，制導(dǎo)艙和彈藥艙，可分別裝配、測試，互不影響;給生產(chǎn)、組裝、運輸帶來了極大的好處。

制導(dǎo)火箭彈整體布置如圖2 和圖3 所示。

圖2 某無控定型火箭彈外形結(jié)構(gòu)

圖3 制導(dǎo)火箭彈外形結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)工作過程

1)根據(jù)彈目坐標，進行彈道計算、擬合;發(fā)射車計算、裝定射擊諸元。

2)火箭彈發(fā)射后，地面控制站實時接收彈上發(fā)回的彈體姿態(tài)數(shù)據(jù)。當彈丸飛過頂點后，鴨舵張開，自動駕駛儀工作，地面站根據(jù)接收到的彈體飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，以及預(yù)定的指令姿態(tài)角來產(chǎn)生偏差信號，校正彈丸飛行姿態(tài)和軌跡，保證制導(dǎo)段目標區(qū)圖像在電視導(dǎo)引頭視場內(nèi)。

3)導(dǎo)引頭順利捕獲目標區(qū)圖像后，地面操控人員根據(jù)圖像信息適時在屏幕上確認目標;地面站自動給出偏差指令等相關(guān)信息并發(fā)送給彈載接收機;地面站實時、不間斷進行目標匹配、偏差計算、偏差指令發(fā)送，直至地面操作手下1次確認點擊目標;如此往復(fù)，直至精確命中目標。

圖4 電視制導(dǎo)火箭彈控制信息流程

3 方案的優(yōu)點與技術(shù)難點

3.1 方案優(yōu)點

1)地面站遙控方案，簡化了彈上設(shè)備，降低了成本;采用目標圖像人工確認方式進行制導(dǎo)，可靠性高、精度較好。

2)可通過電視導(dǎo)引頭的CCD 實時觀察戰(zhàn)場情況，能充分利用人的判斷、識別和決策能力，對敵高價值固定目標、戰(zhàn)場上突然出現(xiàn)的大型目標或低速運動目標實施精確打擊，也可對目標毀傷情況進行評估，并且能利用前1 發(fā)射彈獲取的目標區(qū)圖像修正后續(xù)火箭彈的射擊。

3)采用捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭、應(yīng)用無控定型彈的發(fā)動機和尾翼裝置，選用已定型的部件如舵機、熱電池、陀螺儀等，降低了成本。

3.2 技術(shù)難點和實現(xiàn)途徑

1)較高轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)圖像的清晰、穩(wěn)定顯示問題。

通過彈載姿態(tài)測量裝置測出彈體滾轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，在地面站實現(xiàn)圖像糾旋;通過對攝像機改造和運用軟件增強技術(shù)實現(xiàn)圖像清晰化。

2)舵機安裝位置、彈丸質(zhì)心定位、飛行穩(wěn)定性和操縱性問題。

鴨舵在無控段不打開，火箭彈在尾翼作用下，繞其彈軸以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，可較好地抑制由推力偏心、初始擾動產(chǎn)生的飛行偏差。舵翼張開后，彈丸壓心前移，重壓心距離減小，降低了火箭靜穩(wěn)定性，可操縱性得到提高［3］。

3)捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭制導(dǎo)規(guī)律選擇［4］

捷聯(lián)電視導(dǎo)引頭光軸與彈體縱軸重合，導(dǎo)引頭的指向由彈體姿態(tài)決定，其圖像運動形式中不可避免疊加了彈體姿態(tài)運動因素?？稍诘孛嬲纠脧楏w姿態(tài)測量裝置所獲得的信息，構(gòu)造一種“數(shù)字平臺”，將彈體姿態(tài)的影響解耦出來，得到視線角速度的信息來實現(xiàn)比例導(dǎo)引。

4)修正控制方式

制導(dǎo)火箭彈在鴨舵張開后所產(chǎn)生的下洗流作用下，很難保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，可以考慮在制導(dǎo)艙和彈藥艙之間安裝滾動軸承，使其能繞彈體縱軸獨立旋轉(zhuǎn)，而在俯仰和偏航方向，其運動(轉(zhuǎn)動)是一致的。這種結(jié)構(gòu)可以滿足制導(dǎo)艙和彈藥艙在飛行過程中對滾轉(zhuǎn)速率不同的設(shè)計要求;彈藥艙高速旋轉(zhuǎn)可以減小推力偏心等干擾的影響，減小制導(dǎo)火箭在無控段的飛行偏差，確保在彈道末段目標能可靠進入導(dǎo)引頭的捕獲域。制導(dǎo)艙低速穩(wěn)定滾轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)，不但使彈體容易控制，而且能減小因制導(dǎo)艙內(nèi)零件布局不對稱所產(chǎn)生的動不平衡而引起的角偏差。不足是需要鴨舵做副翼偏轉(zhuǎn)進行滾裝穩(wěn)定控制，這增加了舵機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。

4 系統(tǒng)設(shè)計、建模與仿真方法

制導(dǎo)火箭彈是1 個復(fù)雜的制導(dǎo)控制系統(tǒng)，有效的設(shè)計、建模與仿真方法是縮短其研制周期，取得預(yù)期性能產(chǎn)品的重要手段。在制導(dǎo)火箭彈的設(shè)計中，宜采用由頂向下、分階層逐層細化的方法建立系統(tǒng)模型，從而在設(shè)計過程中始終能夠從系統(tǒng)、全局的角度評價系統(tǒng)設(shè)計的有效性。制導(dǎo)火箭彈的建模與仿真可分為以下幾個部分［5］:

1)彈丸的氣動力和氣動力矩的仿真計算。氣動力、力矩計算與彈丸的外形尺寸、馬赫數(shù)、攻角以及舵偏角等參數(shù)密切相關(guān)，在初始設(shè)計階段，通常沒有計算氣動力、力矩的完整數(shù)據(jù)?？刹捎昧黧w計算軟件(如Fluent)對彈丸進行模擬吹風仿真，通過函數(shù)插值得到相應(yīng)的空氣動力、力矩函數(shù)。

2)彈丸的運動和控制方程的建立。包括彈丸的運動學模型、動力學模型以及制導(dǎo)律和控制指令生成模型等。

3)蒙特卡洛模擬打靶仿真。在上述基礎(chǔ)上，確定彈丸飛行過程中的各種隨機干擾因素及其分布規(guī)律，并構(gòu)造相應(yīng)的數(shù)學概率模型，以產(chǎn)生隨機干擾量的抽樣值，將隨機抽樣值輸入數(shù)學模型即可進行蒙特卡洛模擬打靶仿真，即從全局角度分析系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

4)系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化。研究設(shè)計參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能影響的仿真分析，合理進行誤差分配，從而確定相對合理的設(shè)計參數(shù)值。

5 結(jié)束語

火箭彈制導(dǎo)化改造是提高火箭炮精確打擊能力的1 種快速有效的技術(shù)途徑。本文提出的制導(dǎo)火箭彈設(shè)計方案和對有關(guān)技術(shù)的分析，對火箭彈制導(dǎo)化改造具有一定的參考價值。

［1］錢立志.火箭炮彈精確制導(dǎo)技術(shù)探析［J］.炮兵學院學報，2007(2):50-52.

［2］周長省.火箭彈設(shè)計理論［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.

［3］祁載康.制導(dǎo)彈藥技術(shù)［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.

［4］姚郁.捷聯(lián)成像尋的器慣性視線重構(gòu)精度分析［J］.紅外與激光工程，2007(1):1-4.

［5］霍鵬飛.一種導(dǎo)航式二維彈道修正引信的設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.探測與控制學報，2005，27(3):31-34.

［6］韓永要，徐德友.某型火箭炮彈對面積目標的毀傷仿真［J］.火力與指揮控制，2012(8).