艦空導彈飛行試驗彈目交會仿真分析?

（中國人民解放軍92941部隊 葫蘆島 125000）

1 引言

引戰(zhàn)配合的概念是保證引信適時起爆戰(zhàn)斗部并有效摧毀目標［1］，導彈實際遭遇目標時的彈目運動、引信探測接收目標信號和信號處理識別、引信延時、戰(zhàn)斗部爆炸毀傷目標的過程稱為引戰(zhàn)配合過程［2］。在引戰(zhàn)配合中，遭遇段一般是指導彈和目標接近時，引信接收到目標反射信號的一段運動軌跡。在實際的艦空導彈飛行試驗中，遭遇段彈道參數(shù)、引信啟動參數(shù)、戰(zhàn)斗部毀傷參數(shù)是試驗結(jié)果分析和導彈引戰(zhàn)系統(tǒng)性能評估的重要依據(jù)。艦空導彈利用戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的殺傷物質(zhì)及沖擊波等對目標進行直接毀傷，但由于存在“制導盲區(qū)”，導彈直接命中目標概率較小，所以對艦空導彈的引戰(zhàn)配合性能提出了更高要求，以便于在不同交會條件下，導彈能最大限度地對目標進行殺傷［3］。文獻［4～8］從不同的角度進行了引戰(zhàn)配合仿真建模與研究，重點從引戰(zhàn)配合設(shè)計以及優(yōu)化的角度進行了研究。文獻［9～10］分別建立了彈目交會仿真系統(tǒng)，對基于引戰(zhàn)配合的彈目交會毀傷過程進行了研究。

在實際導彈飛行試驗中，引信計算及程序?qū)崿F(xiàn)都非常復雜，不同型號導彈引信的體制和探測規(guī)律也不盡相同，而在試驗過程中又要求對數(shù)據(jù)的判讀有一定的時效性，及時為試驗評估提供決策依據(jù)［11］。如何根據(jù)導彈攔截目標獲得的飛行試驗數(shù)據(jù)快速評估導彈對典型目標的毀傷效果是亟需解決的難題，而對缺失的終點彈道參數(shù)進行推算補償，將彈目交會過程中目標毀傷進行模擬，可以大大提高試驗結(jié)果分析的效率，更加有效地分析導彈飛行試驗結(jié)果。

以上述分析為基礎(chǔ)，本文基于VB語言，重點對艦空導彈彈目交會段飛行軌跡進行仿真，復現(xiàn)彈目交會過程和模擬毀傷效果，為評估試驗結(jié)果提供快速有效的輔助分析方法，提升試驗數(shù)據(jù)的快速分析能力。

2 彈目交會模型

導彈和目標交會段又稱遭遇段，因交會段持續(xù)時間較短，導彈及目標的速度矢量變化不大，可認為彈目作勻速直線運動，而且由于導彈和目標來不及機動，可認為導彈與目標的姿態(tài)參數(shù)等同于剛進入交會段時刻的姿態(tài)參數(shù)。導彈和目標交會段的模型是在幾個坐標系內(nèi)進行的，這就要求在這一段過程中，建立慣性坐標系、目標坐標系、彈體坐標系和相對速度坐標系。同時，進行彈目交會過程分析時，需要進行坐標系間的轉(zhuǎn)換，通過各坐標系間的旋轉(zhuǎn)變換，將導彈與目標參數(shù)緊緊聯(lián)系起來。

2.1 引信探測模型

在多個坐標系中均存在彈目空間交會模型，彈目交會參數(shù)較多，其主要參數(shù)包括目標速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐標及導彈速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐標等［10］。

將靶彈作為攔截目標，交會段地面坐標系oxyz下的彈目交會姿態(tài)和導彈引信的探測模型見圖1。由于將光測點設(shè)在導彈和靶彈尾部發(fā)動機火焰噴口，圖中導彈彈體坐標系odxdydzd原點設(shè)在導彈尾部，F(xiàn)點表示引信。引信探測參數(shù)主要有兩個：引信探測傾角Ω和探測距離R。防空導彈引信為了全方位探測目標，一般在繞彈軸360°的范圍內(nèi)形成一圓錐體探測場。通常在彈體坐標系中表示引信探測場，無線電天線主瓣或者激光引信光軸與彈軸的夾角Ω為引信探測傾角，錐體母線為引信啟動距離R，它決定了引信探測的敏感區(qū)，是引信啟動特性高低的重要參數(shù)。

圖1 艦空導彈引信探測模型

2.2 戰(zhàn)斗部破片動態(tài)飛散模型［12］

導彈在靜止時刻，戰(zhàn)斗部發(fā)生爆炸所形成的戰(zhàn)斗部破片（或桿條）飛散區(qū)，稱為靜態(tài)飛散區(qū)。導彈在飛行時，戰(zhàn)斗部發(fā)生爆炸后，在破片靜態(tài)飛散速度上疊加導彈速度后所形成的破片飛散區(qū)稱為戰(zhàn)斗部破片動態(tài)飛散區(qū)。非定向戰(zhàn)斗部破片的靜態(tài)飛散區(qū)相對于導彈縱軸對稱，且繞彈軸360°方向均勻飛散，因此同引信探測場一樣，在彈體坐標系中表示破片飛散區(qū)最為方便。

靜態(tài)飛散區(qū)和動態(tài)飛散區(qū)在彈體坐標系內(nèi)的關(guān)系圖如圖2所示。圖中，Z點表示戰(zhàn)斗部中心；φ0為破片靜態(tài)飛散角；φ1為動態(tài)飛散角；v0為破片靜態(tài)初速；v1為動態(tài)初速。

圖2 破片靜態(tài)飛散區(qū)和動態(tài)飛散區(qū)關(guān)系圖

3 仿真界面設(shè)計與流程介紹

根據(jù)試驗中彈目外彈道特征參數(shù)和戰(zhàn)斗部技術(shù)參數(shù)，建立彈目交會段模型，并對缺失的終點彈道參數(shù)進行推算補償，通過炸點時刻和戰(zhàn)斗部爆炸威力的有效殺傷區(qū)，實現(xiàn)目標毀傷模擬，在考慮試驗測量點位置校正后，光測、遙測數(shù)據(jù)可互相對應(yīng)分析，從而可達到試驗分析效果。導彈與目標的空間位置坐標主要來源于實際的飛行試驗數(shù)據(jù)，這里飛行試驗數(shù)據(jù)包括光測與遙測數(shù)據(jù)。遙測數(shù)據(jù)能提供導彈位置、速度和姿態(tài)等參數(shù)及目標位置和速度等參數(shù)，而光測數(shù)據(jù)可以提供比遙測數(shù)據(jù)精度更高的彈目參數(shù)信息。

3.1 操作系統(tǒng)及界面

導彈與目標交會段快速分析系統(tǒng)基于VB語言進行實現(xiàn)。該操作系統(tǒng)主要包含兩大模塊：一是后臺仿真計算模塊，二是主界面操作顯示模塊。后臺仿真計算模塊在后臺對試驗數(shù)據(jù)進行仿真計算，主界面操作顯示模塊在前臺模擬彈目交會過程，對結(jié)果進行顯示。后臺仿真計算模塊采取利用遙測和光測數(shù)據(jù)擬合重建遭遇段彈目運動軌跡計算方法，通過建立引信探測模型，研究飛行試驗引信啟動點及通過建立戰(zhàn)斗部破片飛散模型，研究飛行試驗導彈戰(zhàn)斗部對目標殺傷區(qū)域。主界面主要包括導彈型號、彈目位置、交會參數(shù)、戰(zhàn)斗部參數(shù)、目標參數(shù)、擬合與仿真等的輸入，窗體界面的設(shè)置，圖像圖形的調(diào)整以及毀傷效果的模擬，如圖3所示。

圖3 彈目交會段仿真界面

3.2 彈目交會段分析流程

在實際飛行試驗彈目遭遇過程中，引信探測到目標，然后啟動，再經(jīng)過引戰(zhàn)配合延時，戰(zhàn)斗部爆炸。由于遙測參數(shù)記錄引信啟動時間，引戰(zhàn)配合延時可根據(jù)設(shè)計規(guī)律進行計算，只要得知引信在目標的啟動點，即可根據(jù)彈目遭遇模型和戰(zhàn)斗部破片飛散模型模擬出彈目交會過程及導彈起爆的毀傷效果。通過讀取彈目位置文件，并對試驗中導彈及目標各種主要參數(shù)的輸入，模擬出飛行試驗中彈目交會過程，具體流程如圖4所示。

圖4 艦空導彈交會段仿真流程

4 仿真驗證與結(jié)果分析

某型艦空導彈經(jīng)過多次試驗，根據(jù)某次試驗影像顯示，導彈與目標均正常起飛至彈目遭遇后，戰(zhàn)斗部起爆，目標墜落。導彈遙測數(shù)據(jù)顯示，導彈飛行過程中，引信工作正常且在彈目遭遇時進行報警輸出，適時引爆了戰(zhàn)斗部。在對試驗數(shù)據(jù)進行完全處理后，對彈目交會系統(tǒng)進行以仿真驗證。

4.1 初始條件輸入

仿真系統(tǒng)彈目交會段初始參數(shù)見表1。

表1 初始參數(shù)

本次仿真驗證中，取vm=900m/s，φm=50.5°，θm=25.8°，φ1=118°，φ0=85°，v0=2100m/s，rm=20m，lt=9m，wt=7m，vt=215m/s，φt=6.7°，θt=8.6°，T爆炸=19.170±0.005s，T0=10：30：10.000s，導彈及目標空間位置由光測給出，以表格形式導入系統(tǒng)。

4.2 結(jié)果模擬分析

輸入初始參數(shù)后，模擬得到的彈目交會段和戰(zhàn)斗部毀傷效果，如圖5所示。導彈與目標正常交會，從圖中能夠直觀的看出導彈和目標的空間分布位置、運動軌跡及戰(zhàn)斗部殺傷區(qū)所覆蓋的面積。需要說明的是，對于導彈戰(zhàn)斗部起爆的模擬，圖中起爆位置為最后光測時間的位置，假設(shè)該位置為戰(zhàn)斗部起爆點，可以直接的看出導彈戰(zhàn)斗部殺傷區(qū)未能對目標造成有效的殺傷。此時，遭遇段該時刻為19.15s，彈目距為23.95m。而通過與引信報警的時間比對后發(fā)現(xiàn)，在該時刻戰(zhàn)斗部確實并未起爆，沒有對目標進行殺傷。

圖5 彈目交會模擬

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是在實際的飛行試驗中，導彈對目標起爆瞬時的數(shù)據(jù)在光測數(shù)據(jù)中無法進行體現(xiàn)，也就不能繼續(xù)展示后續(xù)彈目遭遇及戰(zhàn)斗部對目標毀傷的過程。

為更好的掌握彈目交會及毀傷過程，對彈目運動進行延時模擬。調(diào)整擬合與仿真設(shè)置，將彈目交會續(xù)延時間設(shè)置為40ms，逐點運行速度設(shè)置為500ms/點，進一步模擬彈目運動及導彈對目標毀傷效果，如圖6所示。從圖中可以看出，導彈與目標正常交會，導彈戰(zhàn)斗部起爆后，其殺傷區(qū)與目標區(qū)域有重疊，在一定程度上表明，導彈對目標進行了殺傷。根據(jù)軟件系統(tǒng)界面顯示，此時遭遇段的時間為19.168s，彈目距為10.85m，結(jié)合實際試驗數(shù)據(jù)可知，戰(zhàn)斗部爆炸時間為T爆炸=19.170±0.005s，通過與爆炸時間參數(shù)比較及結(jié)合實際試驗結(jié)果，可以得出該過程導彈戰(zhàn)斗部對目標進行了有效殺傷。

圖6 彈目交會延時模擬

5 結(jié)語

本文采用VB語言，根據(jù)艦空導彈彈目遭遇段相對運動關(guān)系以及引信工作原理，建立了艦空導彈彈目交會段模型，通過彈目交會段外彈道測量的彈目位置參數(shù)，采用彈道插值和彈道推延方法模擬彈目交會過程；同時通過戰(zhàn)斗部毀傷威力與殺傷區(qū)分析，直觀模擬了導彈起爆的毀傷效果。通過對交會過程模擬，得到導彈在特定時間是否對目標造成有效殺傷的判定依據(jù)，在彈目交會末端，更加方便直觀對艦空導彈引戰(zhàn)配合性能進行分析，為艦空導彈試驗結(jié)果的快速判讀與試驗效果的評估提供有力的數(shù)據(jù)支持。另外，本文為艦空導彈飛行試驗遭遇段彈目交會分析、戰(zhàn)斗部毀傷效果分析等試驗結(jié)果評定與導彈性能評估工作中提供理論指導及應(yīng)用價值。