远程滑翔增程弹单炮多发同时弹着控制方法

杨盛雷，王海川，刘剑威

（中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）

远程火炮单炮多发同时到达同一个目标的射击方法最先是由美国陆军设在阿贝丁靶场内的人机工程研究所提出的，国外简称为 TOT（Time-On-Target）技术或 MRSI（Multiple Round Simultaneous Impact）技术。随着电子通讯仪器和GPS等高科技设备在现代战争中的广泛应用，对火炮的首发命中率提出了更高的要求[1]。单炮多发同时弹着技术就是在不增加火炮数量的条件下，成倍增加首次射击的火力密度，从而对各种机动目标形成有效打击，缩短了战斗时间，减小了弹药消耗量，提高了炮兵的战场生存能力。因此，这种射击方法，具有很大的战术价值。

在进行对岸火力支援，特别是对集群地面目标进行覆盖射击和拦阻射击时，由于同时落地的弹丸数量有限，其杀伤效果受到很大的制约。如果能使得舰艇火力支援编队中每一门舰炮间隔发射的多发炮弹都在同一时刻落地爆炸，则一次射击的杀伤效果相当于舰艇火力支援编队具有几门舰炮的杀伤效果。舰艇火力支援编队中每一门舰炮的发射时刻可以通过编队协同对岸射击时刻的统一控制来实现，而要实现一门舰炮间隔发射的多发炮弹在同一时刻落地爆炸则主要取决于弹药和舰炮火控系统。本文力求通过对大口径舰炮远程滑翔增程弹单炮多发同时弹着的研究，从而有效提高对地面集群目标的杀伤效果。

1 单炮多发同时弹着控制的基本原理

火炮系统的弹道性能是单炮多发同时弹着的基础，与同时弹着有关的弹道性能有弹道的曲射性与重叠量、飞行时间、射击诸元计算的精度与速度、修正量计算的精度与速度等。但是普通炮弹和远程滑翔增程弹单炮多发同时弹着的实现方法有所不同。

1.1 普通炮弹

常规炮弹主要是指现役的发射后没有控制能力的榴弹等。常规大口径火炮火控系统在对一般不超过1/2最大射程的目标进行火控解算时，可能存在多个解的情况，其中一个为曲射弹道，另一个为低伸弹道，即虽然火炮的射角不同（弹丸的空中飞行时间不同），但是常规弹丸的落点距离相同。由于两种弹道的弹丸飞行时间可能相差Δt（通常为几秒钟），因此，存在着一种可能的作战使用方式，第一发炮弹按照曲射弹道发射，第二发炮弹则按低伸弹道发射，两发炮弹发射的间隔时间正好为Δt，就能够保证两发炮弹基本在同一时刻落地爆炸。

1.2 远程滑翔增程弹

远程滑翔增程弹是指炮弹以一定的初速发射出去，出炮口几秒后弹上的小型火箭助推发动机工作，给弹丸以推力帮助弹丸（爬高）增程，发动机工作结束后炮弹象普通尾翼弹一样继续在升弧段上飞行，弹道升弧段某位置上弹载弹道参数探测系统开始工作，弹道顶点附近舵翼张开，根据弹上的滑翔控制系统调节舵机与舵翼匹配，不断调整炮弹的滑翔姿态，向前滑翔至弹道终点，实现对远距离目标的精确打击[2-3]。

由于远程滑翔增程弹在空中的飞行时间较长（通常为几分钟），因此，在发射率为12发/分的情况下，完全可以由舰炮火控系统进行外弹道计算，确定出多条弹丸的飞行弹道（第一条弹道与第二条弹道的飞行时间间隔为5s，第一条弹道与第三条弹道的飞行时间间隔为 10s）。舰炮火控系统通过控制舰炮射角、俯仰舵舵偏角和滑翔起始点，即可实现不少于3发的多发炮弹间隔发射同一时刻落地爆炸的期望目标。

2 单炮多发同时弹着仿真与分析

2.1 弹道模型

远程滑翔增程弹的方案弹道模型就是炮弹按照某种固定的弹道飞行。这种弹道是预先设计好的，一旦炮弹发射出去就按此弹道飞行，中间不能变更，与目标运动无关。因此，对远程滑翔增程弹方案弹道的模型可采用炮弹的六自由度模型加上控制方程[4-5]。

弹丸的运动由弹丸的质心运动和相对质心的转动两种运动合成。

在速度坐标系内建立弹丸的质心运动方程，如式（1）所示。

在弹轴坐标系内建立弹丸的绕心转动方程，如式（2）所示。

控制方程如式（3）所示。

式（1）、（3）中，Fx2、Fy2、Fz2分别是炮弹所受外力分别在速度坐标 o ′-x2y2z2各轴上的分量代数和，Mx、My、Mz分别是炮弹对质心的力矩在弹体坐标系o ′ -ξη1ζ1各轴上的分量代数和，δ1(t)、δ2(t)为弹道上每一点的实际攻角，(t)、(t)为弹道上每一点的理想攻角，其他的符号与文献[6]相同。

2.2 仿真与分析

单炮多发同时弹着从外弹道性能考虑是改变火炮的射击诸元。普通炮弹通过改变初速v0、射角θ、弹种c使各发射弹同时达到同一射程[7-8]，如式(4)所示：

式中，X为弹丸的水平位移。

图1 普通炮弹两发同时弹着仿真图

图1为普通炮弹两发同时弹着仿真图。仿真结果中两发弹丸在空中的飞行时间分别为 115.315s和120.35s。

远程滑翔增程弹根据弹丸自身的特点，通过改变射角θ、俯仰舵偏角δz、滑翔起始点tfyd（不考虑初速和弹种的改变)来实现多发炮弹同时弹着。其数学模型描述如式（5）所示。

图2为远程滑翔增程弹60。射角两发炮弹同时弹着仿真图。仿真结果中两发弹丸的飞行时间分别为167.15s和175.16s。与图1比较可知，远程滑翔增程弹可实现在同一射角下多发炮弹同时弹着。

图2 滑翔增程弹60。射角两发炮弹同时弹着仿真图

远程滑翔增程弹射程随初始射角、滑翔起始点和俯仰舵偏角的变化曲线如图3～图5所示。

图3 射程随初始射角的变化曲线

图4 射程随滑翔起始点的变化曲线

图5 射程随俯仰舵偏角的变化曲线

由图3可知，当俯仰舵偏角、滑翔起始点和滑翔弹初速一定时，射程随着射角的增加先增大，后减小，在60。左右达到射程最远，与文献[9]结果基本一致。由图4可知，当初始射角、滑翔弹初速和俯仰舵偏角一定时，射程随着滑翔起始点的推迟而减小。由图 5可知，当初始射角、滑翔弹初速和滑翔起始点一定时，射程随着俯仰舵偏角的增加而近似线性增大。

根据以上规律，可分别得到炮弹命中目标初始射角、滑翔起始点和俯仰舵偏角的区间。在这些区间中找出满足相邻弹丸的飞行时间差不小于炮弹的发射时间间隔的参数，从而实现同时弹着技术。远程滑翔增程弹单炮多发同时弹着算法流程如图6所示。

图6 单炮多发同时弹着算法流程图

为验证大口径舰炮远程滑翔增程弹单炮多发同时弹着的可行性，本文根据方案弹道方程和同时弹着算法设计，利用龙格-库塔法在Visual C++ 6.0上进行仿真计算。

初始条件为：弹丸质量m=42.175kg，弹丸直径d=0.13m，弹丸长度l=1.422m，膛线缠度η=25，初速v0=800m/s，分别在 46400m、55870m、65660m、73870m进行仿真，如图7～图10所示。

图7 46400m处五发炮弹同时弹着

图8 55870m处五发炮弹同时弹着

图9 65660m处五发炮弹同时弹着

图10 73870m处四发炮弹同时弹着

图7中弹丸在空中的飞行时间分别为155.305s、160.645s、167.155s、175.165s和 185.03s。图 8中弹丸在空中的飞行时间分别为 198.095s、205.215s、217.16s、223.22s和236.24s。图9中弹丸在空中的飞行时间分别为250.59s、257.355s、264.075s、272.475s和 279.97s。图 10中弹丸在空中的飞行时间分别为296.885s、302.155s、310.16s和 315.475s

通过对图7～图10的仿真结果分析，我们可以得出以下结论：

1）在滑翔增程炮弹的发射率为12发/分，即间隔时间为5s的情况下，在不同射程上，基本能实现单炮多发同时弹着数为4～5发；

2）同时弹着的弹着精度为20m，相邻两发炮弹的飞行时间不超过15s，满足同时弹着的技术要求；

3）当射程一定时，俯仰舵偏角越大，滑翔起始点越早，初始射角越小；俯仰舵偏角越大，滑翔起始点越晚；滑翔起始点越早，俯仰舵偏角越小。

3 单炮多发同时弹着精确控制

在滑翔增程弹实际飞行过程中，由GPS/INS组成的导航系统将有效地提高弹丸的射击精度。但在研究其单炮多发同时弹着时，由于滑翔增程弹射程远、飞行时间长，弹丸的同时弹着时间精度受外界扰动因素影响较大，尤其是纵风、横风和高低风带来的气象误差。如果两发炮弹落地的时间差过大，那么将失去增强火力毁伤效能的意义。因此这就需要准确的实时气象条件参数作为依据，以最大弹道高20km，每100m高度为对象对气象数据进行分层，将有200组气象数据。如果将这些数据都通过引信传输到弹丸上，势必会造成数据的传输量过大，这不仅对弹载信息处理系统的硬件要求较高，同时还增加了数据传输过程中的误码率。如果不装定这些气象参数，那么弹丸的同时弹着时间精度难以得到保证。所以对其进行单炮多发同时弹着精确控制就显得尤为重要。

在滑翔增程弹滑翔飞行段通过规划弹道设立几个关键控制点（如滑翔起始点等）实现多发同时弹着精确控制，如图11所示。具体思路为：在炮弹发射前，地面火控系统通过关键控制点诸元拟合滑翔弹道曲线，引信感应装置将射击诸元和拟合多项式参数信息装定到弹丸上。弹载信息处理器将GPS惯导系统探测的弹道诸元与装定的拟合曲线进行比较得到偏差量，根据偏差计算出相应的控制量，驱动舵机改变舵偏角，从而更好地控制弹丸的弹着时间，达到多发炮弹同时弹着的时间精度要求。这也是今后进一步研究的方向。

图11 滑翔增程弹单炮多发同时弹着关键控制点设计示意图

4 结束语

本文对远程滑翔增程弹单炮多发同时弹着的方法进行了探讨，通过对炮弹初始射角、滑翔起始点和俯仰舵偏角控制，论证了远程滑翔增程弹单炮多发同时弹着的可行性。此外，文中提出了提高多发同时弹着精确控制方法设想，对进一步提高远程滑翔增程弹的火力打击效能具有一定的参考意义。

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