地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)可視化仿真研究*

王 宏,萬(wàn)夕干,陽(yáng)家宏,趙英俊,劉 晨

(1 空軍工程大學(xué),西安 710054;2 駐上海航天局804所軍事代表室,上海 201109)

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地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)可視化仿真研究*

王 宏1,萬(wàn)夕干2,陽(yáng)家宏2,趙英俊1,劉 晨1

(1 空軍工程大學(xué),西安 710054;2 駐上海航天局804所軍事代表室,上海 201109)

為有效判定地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)的殺傷效果,提出了攔截可視化問題,結(jié)合相關(guān)研究成果,通過研究地空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部破片毀傷、沖擊波毀傷及戰(zhàn)斗部引戰(zhàn)配合模型及仿真方法,在完成空中目標(biāo)及地空導(dǎo)彈相關(guān)模型建立的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了某型地空導(dǎo)彈攔截某型戰(zhàn)斗機(jī)的可視化仿真系統(tǒng),仿真效果較為直觀、逼真。研究結(jié)果對(duì)地空導(dǎo)彈裝備型號(hào)試驗(yàn)及作戰(zhàn)仿真均有一定的借鑒意義。

地空導(dǎo)彈;毀傷模擬;引戰(zhàn)配合;可視化仿真

0 引言

殺傷效果判定是地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)過程中重要的環(huán)節(jié)之一,其主要依據(jù)是彈目交會(huì)的相關(guān)數(shù)據(jù)、空中目標(biāo)受攻擊后航跡變化及其回波信息的突變等。若進(jìn)行地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)(如戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈)殺傷效果判定試驗(yàn),需要進(jìn)行多批次的實(shí)彈射擊,這樣既浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力,又具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性,且需要多兵種協(xié)調(diào),另外攔截過程不可重復(fù)演示。針對(duì)這一問題,可以采用數(shù)值仿真的方法來(lái)模擬整個(gè)彈目交會(huì)過程,但數(shù)值仿真主要以文字和圖表輸出攔截結(jié)果,無(wú)法使指揮員直觀的觀測(cè)彈目交會(huì)過程,從而準(zhǔn)確的判定攔截殺傷效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用,以視景沉浸方式將仿真結(jié)果呈現(xiàn)給指揮員將成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)研究的一種技術(shù)手段[1]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了諸多研究工作[2-3]，文中將在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合地空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部毀傷模擬、空中目標(biāo)模擬及戰(zhàn)斗部引戰(zhàn)配合模擬,分析研究其攔截可視化問題。

1 地空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部毀傷模擬

地空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部類型多為殺傷戰(zhàn)斗部,且攔截空氣動(dòng)力目標(biāo)主要靠高速破片殺傷,另外戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波也有一定的殺傷作用,因此在進(jìn)行毀傷模擬時(shí)應(yīng)考慮這兩類毀傷。

1.1 破片毀傷模擬

影響破片毀傷效果的主要因素包括破片的初速度、破片的質(zhì)量、破片的飛散角及有效破片的數(shù)量等[4-5],所以對(duì)破片毀傷的模擬主要考慮上述幾個(gè)因素,可以采用粒子系統(tǒng)思想模擬破片毀傷過程,讓粒子系統(tǒng)中微小的物體集合模擬破片,并具有破片的戰(zhàn)斗參數(shù),可視化仿真中可不考慮破片的質(zhì)量。破片毀傷模擬流程如圖1所示。

圖1 破片毀傷模擬流程圖

破片飛散區(qū)域模擬:根據(jù)起爆時(shí)導(dǎo)彈的速度參量、戰(zhàn)斗部破片的初速度參量計(jì)算出戰(zhàn)斗部破片飛散方向角(飛散角中心線與彈軸正向的夾角),以破片飛散方向角為中心在戰(zhàn)斗部360°范圍內(nèi)繪制出破片的飛散角邊界,形成空心錐形空間區(qū)域,即戰(zhàn)斗部的動(dòng)態(tài)殺傷區(qū)域如圖2所示。

毀傷空間模擬:在戰(zhàn)斗部破片飛散空間內(nèi),以戰(zhàn)斗部為中心隨機(jī)生成破片飛散射線,并使該破片體在此射線上以速度v運(yùn)動(dòng),最終形成以戰(zhàn)斗部為中心的放射型破片飛散形式,如圖3所示。

圖2 破片飛散區(qū)域模擬示意圖

圖3 破片飛散模擬示意圖

破片體模擬:根據(jù)起爆后形成的破片數(shù)量,在戰(zhàn)斗部所在位置繪制出相應(yīng)數(shù)量的破片體,破片形狀根據(jù)戰(zhàn)斗部類型確定,可以是立方體、球體或其他形狀。

1.2 沖擊波毀傷模擬

在戰(zhàn)斗部起爆后,沖擊波存在的時(shí)間非常短[6],且不可見,因此沖擊波毀傷模擬必須借用一定的表現(xiàn)方式,這里只給出沖擊波超壓毀傷的表現(xiàn)方式。在考慮目標(biāo)易損性及沖擊波超壓作用距離的前提下,在模擬過程以特定顏色球體大小的變化模擬沖擊波的傳輸,球體的透明度表示超壓的強(qiáng)度,如圖4所示。

圖4 沖擊波模擬示意圖

1.3 戰(zhàn)斗部引戰(zhàn)配合模擬

戰(zhàn)斗部起爆瞬間,根據(jù)導(dǎo)彈相對(duì)于目標(biāo)的坐標(biāo)參數(shù)及導(dǎo)引頭引信敏感規(guī)律,計(jì)算出導(dǎo)彈的引信啟動(dòng)區(qū)域大小和位置,采用雷達(dá)波束模擬的方法描繪出引信啟動(dòng)區(qū);根據(jù)戰(zhàn)斗部及導(dǎo)彈參數(shù)計(jì)算出導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)殺傷區(qū)域的大小和位置,由粒子系統(tǒng)在此區(qū)域模擬導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)殺傷區(qū)域(如圖2所示)以可視的方法判定引信啟動(dòng)區(qū)(導(dǎo)彈與目標(biāo)限定的區(qū)域)與動(dòng)態(tài)殺傷區(qū)重疊程度,從視覺角度判定導(dǎo)彈的殺傷效果,模擬示意圖如圖5所示。

圖5 引戰(zhàn)配合模擬示意圖

2 導(dǎo)彈及目標(biāo)幾何模型

對(duì)地空導(dǎo)彈及空中目標(biāo)進(jìn)行三維建模是以其真實(shí)尺寸和結(jié)構(gòu)為原型,根據(jù)其本身的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系及運(yùn)動(dòng)規(guī)律建立不同的三維實(shí)體模型。為降低系統(tǒng)運(yùn)行成本,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率,并保證仿真逼真度,可以采用紋理映射及分層次表現(xiàn)細(xì)節(jié)的方式根據(jù)實(shí)際仿真要求降低模型運(yùn)行的復(fù)雜程度。

以某型戰(zhàn)斗機(jī)為例建立其三維幾何模型,模型結(jié)構(gòu)如圖6所示;以某型地空導(dǎo)彈發(fā)射車為例建立其三維幾何模型,模型結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 某型戰(zhàn)斗機(jī)三維幾何模型

圖7 某型地空導(dǎo)彈三維幾何模型

3 可視化仿真設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在VC++6.0開發(fā)環(huán)境中,應(yīng)用VEGA驅(qū)動(dòng)模塊及Creator實(shí)體建模工具完成該系統(tǒng)的開發(fā),完成導(dǎo)彈飛行控制可視化、彈目交會(huì)可視化及戰(zhàn)斗部毀傷可視化仿真三個(gè)功能,主要由地空導(dǎo)彈發(fā)射模擬、導(dǎo)彈彈道模擬、空中目標(biāo)模擬及殺傷效果判定等模塊組成,組成如圖8所示。

圖8 可視化仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

導(dǎo)彈飛行控制可視化:根據(jù)某型地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)戰(zhàn)技術(shù)參數(shù)要求,設(shè)定其導(dǎo)彈速度模型及某型戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)動(dòng)模型,按照一定的導(dǎo)引規(guī)律,解算出導(dǎo)彈攔截目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)彈道,并在視景仿真環(huán)境中使導(dǎo)彈實(shí)體模型依據(jù)解算出的彈道以設(shè)定的速度模型運(yùn)動(dòng),效果如圖9所示。

圖9 導(dǎo)彈飛行過程

圖10 彈目交會(huì)過程

彈目交會(huì)可視化:在地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中,彈目交會(huì)是判定脫靶量的一個(gè)重要過程,而脫靶量的大小直接影響殺傷效果的判定,所以彈目交會(huì)是一個(gè)必須展示的過程,效果如圖10所示。

戰(zhàn)斗部毀傷可視化:按照前面介紹的戰(zhàn)斗部毀傷模擬方法,結(jié)合視景仿真工具可較逼真地完成戰(zhàn)斗部毀傷可視化過程,效果如圖11所示。

圖11 戰(zhàn)斗部毀傷過程

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究用視景仿真的方法研究分析了地空導(dǎo)彈攔截空中目標(biāo)的可視化問題,解決了武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中判定殺傷效果不夠直觀逼真的問題。設(shè)計(jì)開發(fā)的某型地空導(dǎo)彈攔截某型戰(zhàn)斗機(jī)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證說(shuō)明了仿真方法的有效性及可行性,研究成果對(duì)地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)仿真及相關(guān)研究具體一定指導(dǎo)意義。

[1] 熊風(fēng)光, 韓燮, 張會(huì)兵. 基于Vega的導(dǎo)彈攻擊F16視景仿真 [J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用, 2013, 22(7): 207-212.

[2] 張會(huì)兵, 韓燮, 王志軍, 等. 基于Vega的破片式戰(zhàn)斗部導(dǎo)彈威力場(chǎng)視景仿真 [J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2010, 31(4): 812-815.

[3] 周家勝, 錢建平, 張健. 軸向增強(qiáng)型戰(zhàn)斗部對(duì)導(dǎo)彈目標(biāo)毀傷評(píng)估的可視化仿真研究 [J]. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 26(4): 10-14.

[4] 王家浚, 李世才. 整體殺爆彈爆炸效應(yīng)研究綜述 [C]∥中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)防護(hù)工程學(xué)會(huì). 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)防護(hù)工程學(xué)會(huì)第六次學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 北京: 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì), 1998: 107-115.

[5] 王宏, 李樹芳, 張琳. 空地導(dǎo)彈毀傷數(shù)值仿真研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2011, 31(1): 113-115.

[6] 王楊, 郭則慶, 姜孝海. 沖擊波超壓峰值的數(shù)值計(jì)算 [J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 33(6): 770-773.

Research on Visual Simulation about GAM Intercepting Aerial Targets

WANG Hong1,WAN Xi gan2,YANG Jia hong2,ZHAO Yin jun1,LIU Chen1

(1 Air Force Engineering University, Xi’an 710054, China;2 Military Representative Office in No.804 Institute of Shanghai Aerospace Bureau, Shanghai 201109, China)

For effectively judging damaging effect of ground to air missile on aerial targets, visualization of, inteception was put forward. According to some related investigation results, by studying models and simulation methods of SAM warhead fragments damaging, shock wave damaging and fuse-warhead coordination, based on models of aerial targets and SAM, some certain visualized simulation system of some type of SAM intercepting some type of fighter was designed, the effect was visual and vivid. The result plays an important role in SAM experiment and battle simulation.

ground-to-air missile; damage simulation; fuze-warhead coordination; visual simulation

2015-06-08

王宏(1976-),男,內(nèi)蒙古烏盟人,講師,博士,研究方向:裝備作戰(zhàn)使用與保障。

TJ761

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