無人機載空地導(dǎo)彈關(guān)鍵技術(shù)研究*

徐宏偉,李 鵬,王 玄

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,西安 710065)

0 引言

無人機武裝化的需求和大量應(yīng)用催生了無人機載空地導(dǎo)彈的井噴式發(fā)展。其發(fā)展歷程可分為兩個階段:第一階段是將現(xiàn)有直升機載導(dǎo)彈系統(tǒng)直接或改進后配裝于無人機,其實現(xiàn)技術(shù)途徑是改進發(fā)射系統(tǒng),典型代表為美國的“海爾法”系列,國內(nèi)的藍箭-7系列;第二階段是為無人機新研專用/通用空地導(dǎo)彈,典型代表為美國JAGM[1-2]空地導(dǎo)彈。

近年來,國內(nèi)無人機載空地導(dǎo)彈工程研制也越來越多,多位專家學(xué)者對其發(fā)展進行了梳理,并對無人機載空地導(dǎo)彈進行了專項技術(shù)研究。如杜小強等開展了導(dǎo)彈發(fā)射過程中,尾氣流對機翼產(chǎn)生氣動干擾的研究[3];丁達理等綜合考慮空地導(dǎo)彈發(fā)動機推力、氣動力、燃料消耗、風(fēng)場、視線角、過載和舵機延遲等多約束條件下,研究了空地導(dǎo)彈攻擊區(qū)快速解算方法[4];胡凱明等提出了一種適應(yīng)于無人機載導(dǎo)彈能夠同時控制命中角和命中時間的修正比例導(dǎo)引律[5],使得無人機載導(dǎo)彈能在保證垂直命中目標(biāo)的同時提供更為準(zhǔn)確的命中時間;吳慶憲等設(shè)計了抑制抖振的三維平滑變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律,提高了導(dǎo)彈抗未知干擾的影響[6]。這些研究成果為無人機載空地導(dǎo)彈工程研制提供了有益參考,但目前還沒有公開文獻專門針對無人機載空地導(dǎo)彈技術(shù)特點及關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)研究。

文中結(jié)合無人機載空地導(dǎo)彈工程研制經(jīng)驗,在簡單回顧國內(nèi)外無人機載空地導(dǎo)彈發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,通過仿真及工程實踐提出了未來無人機載空地導(dǎo)彈應(yīng)重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 典型無人機載空地導(dǎo)彈發(fā)展歷程及啟示

AGM-114P是在直升機載反坦克導(dǎo)彈AGM-114的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計新型數(shù)字式自動駕駛儀和大框架角激光導(dǎo)引頭而形成,配裝于MQ-1/MQ-9察打一體無人機,具備7 600 m高度使用,是世界上第一款真正意義上的無人機載空地導(dǎo)彈。無人機掛載導(dǎo)彈見圖1。

此后針對察打一體無人機作戰(zhàn)使用中面臨的攻擊多種類目標(biāo)的需求,在AGM-114P的基礎(chǔ)上通過更換殺傷爆破戰(zhàn)斗部形成AGM-114M用來攻擊地面普通車輛類目標(biāo);通過更換溫壓戰(zhàn)斗部及可變延期激光引信形成AGM-114N用來攻擊密閉、半密閉空間及有生力量類目標(biāo)。2008年為了提高無人機載導(dǎo)彈離軸作戰(zhàn)能力,更加有效的對付稍縱即逝的“機會目標(biāo)”,開始研制AGM-114R空地導(dǎo)彈,該型導(dǎo)彈不限制無人機發(fā)射的飛行高度,采用IMU慣性中制導(dǎo)加半主動激光末制導(dǎo),具有彈道在線編程能力,可全方位發(fā)射使用,具有更強的作戰(zhàn)能力,同時采用威力可調(diào)多功能戰(zhàn)斗部用于攻擊多種目標(biāo)。

盡管由已有成熟的空地導(dǎo)彈改進而形成的無人機載空地導(dǎo)彈可以實現(xiàn)快速部署,但是在作戰(zhàn)效能上未必最優(yōu),導(dǎo)致在作戰(zhàn)使用上受到限制,特別是如何適應(yīng)小型無人機載荷限制以及中大型無人機長時高空掛飛多次起降等問題?；诖?各國競相展開了針對無人機特點新研空地導(dǎo)彈的工作,這也就是無人機載空地導(dǎo)彈發(fā)展的第二個典型階段。如“格里芬”、“阿契爾”、輕型多用途導(dǎo)彈(LMM)等。這些新研的無人機載空地導(dǎo)彈均具有重量輕、成本低、使用維護方便、等推力設(shè)計等優(yōu)點。無人機掛載平臺及執(zhí)行任務(wù)的特點使得無人機載空地導(dǎo)彈重量主要集中在兩個區(qū)域,一是50 kg級,二是15 kg級。如圖2所示。

根據(jù)國外無人機載空地導(dǎo)彈的發(fā)展歷程及經(jīng)驗得到如下啟示:

1)體系化發(fā)展思路和規(guī)劃研究值得借鑒

無人機體系化發(fā)展與規(guī)劃要求無人機載導(dǎo)彈也將朝著體系化方向發(fā)展,以適應(yīng)無人機武裝化的作戰(zhàn)需求。重量實現(xiàn)體系化發(fā)展:形成15 kg級、25 kg級、50 kg級、100 kg級等空地導(dǎo)彈滿足不同載荷平臺的掛裝以及攻擊不同目標(biāo)的需求;制導(dǎo)方式從單一模式制導(dǎo)到復(fù)合制導(dǎo)再到與GPS/INS的復(fù)合制導(dǎo),打擊目標(biāo)更精確靈活;毀傷模塊從常規(guī)單一到模塊化設(shè)計再到多功能戰(zhàn)斗部,適用多目標(biāo)打擊任務(wù)。

2)小型化無人機載導(dǎo)彈的研究值得重視

針對無人機載導(dǎo)彈使命任務(wù),為實現(xiàn)較高的費效比以及低附帶損傷,15 kg級甚至更輕的無人機載導(dǎo)彈得到快速發(fā)展,與此相適應(yīng)的低成本小型導(dǎo)彈制導(dǎo)控制技術(shù)、小型多效應(yīng)戰(zhàn)斗部技術(shù)、緊湊型結(jié)構(gòu)技術(shù)等將得以應(yīng)用和發(fā)展。

3)激光半主動制導(dǎo)仍然大力發(fā)展

激光半主動制導(dǎo)由于價格相對低廉、技術(shù)成熟、命中精度高、適應(yīng)無人機作戰(zhàn)使用,將仍然是無人機載導(dǎo)彈首選制導(dǎo)方式。

2 無人機載導(dǎo)彈發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

通過典型無人機空地導(dǎo)彈發(fā)展歷程分析和工程實踐研究,提出了無人機載導(dǎo)彈發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 環(huán)境適應(yīng)性

無人機載空地導(dǎo)彈由于載機平臺察打一體的特點和遂行特定地區(qū)的持久偵察打擊使命,其使用剖面不同于一般固定翼飛機/直升機載空地導(dǎo)彈或空空導(dǎo)彈。無人機載空地導(dǎo)彈在完整的壽命期內(nèi)一般要經(jīng)歷運輸、貯存、掛飛(長時低溫、低氣壓)、起降(多次)和自主飛行等階段。

工程實踐表明無人機載空地導(dǎo)彈與直升機載空地導(dǎo)彈使用剖面相比,最大的特點是長時低溫低氣壓掛飛和重復(fù)起降。如中型察打一體無人機具備高空10 000 m海拔高度下巡航24 h的能力,使用剖面內(nèi)低溫達到-55 ℃(標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下對流層最低溫度-55 ℃),重復(fù)起降次數(shù)至少10次,而目前通過直升機載空地導(dǎo)彈改進而來的無人機載空地導(dǎo)彈低溫僅能適應(yīng)-40 ℃的地面低溫極限值,空空導(dǎo)彈一般也只能達到-45 ℃。重復(fù)起降設(shè)計也僅針對GJB150A規(guī)定的基本沖擊。溫度高度極值對應(yīng)關(guān)系見表1。

起降沖擊一般按照無人機實際測試的沖擊量值,或者按照國軍標(biāo)的規(guī)定適應(yīng)后峰鋸齒波,幅值20g,時間11 ms的要求。

解決無人機載空地導(dǎo)彈的長時低溫低氣壓掛飛和重復(fù)起降適應(yīng)能力顯得尤為重要,這將直接決定察打一體無人機載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用性能。

表1 溫度-高度對應(yīng)關(guān)系

2.2 動態(tài)攻擊區(qū)解算

工程實踐表明:無人機載空地導(dǎo)彈由于大空域、寬速域發(fā)射及在俯仰平面大機動飛行特點使其具有獨特的攻擊包絡(luò)?？焖佟?zhǔn)確的動態(tài)攻擊區(qū)解算不僅能提高導(dǎo)彈攻擊精度,而且能為無人機自主攻擊航跡決策提供有力的決策依據(jù),以提高無人機載空地導(dǎo)彈對時敏目標(biāo)的打擊能力。針對導(dǎo)彈任意發(fā)射條件,其攻擊包絡(luò)可用式(1)描述[7]。

(1)

式中:Rmax、Rmin分別為攻擊包絡(luò)的遠界和近界；X為導(dǎo)彈發(fā)射條件模型(包括速度、姿態(tài)、海拔高度、相對目標(biāo)關(guān)系、環(huán)境參數(shù)等);Mm為導(dǎo)彈總體性能模型(包括各個子系統(tǒng)、如發(fā)動機、氣動特性、制導(dǎo)與控制律、過載能力等)；Xt為目標(biāo)狀態(tài)信息(包括相對發(fā)射點位置信息、速度信息等);ε為隨機干擾源(如風(fēng)場等)。

通過對影響無人機載導(dǎo)彈攻擊區(qū)使用參數(shù)的靈敏度分析計算,發(fā)現(xiàn)主要影響因素是相對目標(biāo)高度和初始姿態(tài)角兩個因素,即可通過事先大量仿真計算形成基于上述兩因素的攻擊射表,進行插值計算形成攻擊包絡(luò),這種方法簡單易于實現(xiàn),計算精度與實時性均能滿足要求,但隨著無人機載空地導(dǎo)彈大離軸發(fā)射的需求,該方法表現(xiàn)出攻擊精度不足的問題,因此未來在提高無人機載空地導(dǎo)彈攻擊能力的同時亦要研究適用的動態(tài)攻擊區(qū)解算方法,以滿足攻擊時敏目標(biāo)的需求。

2.3 大離軸發(fā)射控制

察打一體無人機要求其掛裝的空地導(dǎo)彈具備大離軸發(fā)射能力,以達到發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即摧毀的要求。大離軸發(fā)射控制與導(dǎo)彈的機動性和制導(dǎo)控制策略息息相關(guān)。導(dǎo)彈的機動性又與導(dǎo)彈的氣動外形及速度方案相關(guān),目前的無人機載空地導(dǎo)彈多采用常規(guī)固體火箭發(fā)動機和無尾式小展弦比氣動布局,其中氣動布局又受到無人機密集掛載的約束,因此,要提高導(dǎo)彈的機動性可通過增加燃氣舵或推力矢量發(fā)動機的方法提高法向控制力。無人機載空地導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制常采用基于瞄準(zhǔn)線的姿態(tài)控制方案,在中制導(dǎo)段通過姿態(tài)位置控制使其進入導(dǎo)引頭捕獲域,后采用比例導(dǎo)引的方式進行末制導(dǎo)飛行。通過優(yōu)化制導(dǎo)控制策略,研究新型控制方法,以提高導(dǎo)彈離軸發(fā)射能力,滿足無人機武器系統(tǒng)“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的使命需求。

2.4 大框架導(dǎo)引頭

導(dǎo)引頭的框架范圍決定了導(dǎo)彈的捕獲域大小。無人機載空地導(dǎo)彈工程實踐表明:高空發(fā)射攻擊近距離目標(biāo)時導(dǎo)引頭俯仰方向框架限制是限制導(dǎo)彈捕獲目標(biāo)的主要因素,大離軸發(fā)射條件下攻擊活動目標(biāo)時導(dǎo)引頭偏航框架是主要影響因素。因此通過提高導(dǎo)引頭框架角的促使可以拓寬導(dǎo)彈捕獲域,提高導(dǎo)彈攻擊近距的能力。以察打一體無人機載導(dǎo)彈典型發(fā)射條件為例,通過設(shè)置不同的導(dǎo)引頭俯仰框架角,仿真計算導(dǎo)彈最小射程與導(dǎo)引頭框架角關(guān)系結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出導(dǎo)彈機動性、控制方案相同的情況下,框架角范圍增加2°可使導(dǎo)彈的攻擊包絡(luò)增大約400 m的范圍。

2.5 小型多功能戰(zhàn)斗部

無人機載空地導(dǎo)彈由于其獨特的作戰(zhàn)使命與任務(wù),每次任務(wù)之前目標(biāo)類型未知并且種類豐富,包括裝甲類目標(biāo)、民用車輛、技術(shù)兵器、簡易工事、小型艦船及有生力量等多種目標(biāo),因此采用模塊化戰(zhàn)斗部或多用途戰(zhàn)斗部成為主要發(fā)展方向。其中模塊化戰(zhàn)斗部技術(shù)已成熟,而適合無人機載導(dǎo)彈的小型多功能戰(zhàn)斗部將成為要突破的關(guān)鍵技術(shù)問題。多功能戰(zhàn)斗部要求同時兼顧破甲、殺傷、爆破、侵徹等多種毀傷功能,因此對戰(zhàn)斗部的總體方案、裝藥選型、藥型結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面提出了更高的要求。

3 結(jié)論

無人機載空地導(dǎo)彈自2001年問世以來,經(jīng)過兩個階段的研制歷程,得到了長足的發(fā)展,在多次局部戰(zhàn)爭中成功使用,已經(jīng)成為新時期戰(zhàn)爭中對地攻擊的主要武器之一。隨著不同種類無人機的不斷發(fā)展,對無人機載空地導(dǎo)彈提出了更多新的要求,這將促使無人機載導(dǎo)彈向著適應(yīng)多種發(fā)射平臺、大攻擊包絡(luò)、多用途、高效毀傷的方向快速發(fā)展,環(huán)境適應(yīng)性問題、動態(tài)攻擊區(qū)計算問題、大離軸發(fā)射控制問題、大框架角導(dǎo)引頭技術(shù)問題及小型多功能戰(zhàn)斗部技術(shù)問題等將是無人機載空地導(dǎo)彈未來需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)。