升力式飞行器对地面固定目标攻击方式研究

冯必鸣，聂万胜，何炬恒，何 博

（装备指挥技术学院，北京 101416）

随着远程打击武器的不断发展，利用高速再入飞行器对敌方高价值地面和海上战略目标实施打击，成为当前各军事强国的研究热点。高速再入飞行器具有优越的全球打击能力，且具有打击时间短、再入速度大、突防概率高等特点，具有极高的军事应用价值。从目前已有的公开文献看，国内外对再入飞行器对地打击方式的研究主要集中在两个方面：弹道式再入打击和升力体式再入打击。文献[1]、[2]针对弹道式再入的无动力动能载荷作为对地打击武器开展了相关的机动及再入制导研究。但该种武器载荷的升阻比较小，再入过程中机动能力小，很难实现对地面目标的精确打击。而对于升力体式再入飞行器对地打击的研究，主要集中在如何实现飞行器大范围跳跃式机动[1]以及再入制导控制[2]两方面，并试图解决打击精度与命中约束条件问题，而对升力体式飞行器配合制导弹药实施对地打击过程的分析相对较少，文献[5]曾针对再入飞行器投放制导弹药攻击地面固定目标的全过程实施了仿真。

升力式飞行器为一种无动力且具有独立制导系统的运载工具，具有很大的升阻比(L/D＞1.3)，可以在大气层内滑翔数千千米的航程，具有较强的机动能力，对目标具有较强的适应性；而末制导弹药为一种无动力且具有独立制导系统的弹丸，用在再入段末端能够完成对目标的精确高速打击。但是，上述两者方式单独实施对地打击都具有一定的局限性，因此本文分别对飞行器直接撞击目标和制导炸弹打击目标过程进行仿真计算，比较分析了不同打击方式的优劣，并对升力体飞行器和制导炸弹的组合攻击方式开展了研究，验证了组合方式攻击的可行性。

1 攻击方式建模

引入惯性坐标系OgXgYgZg，坐标系原点Og为再入飞行器末制导开始时刻的星下点，OgXg在末制导开始时刻的当地水平面内且指向飞行器速度方向，OgYg垂直于末制导开始时刻的当地水平面且指向再入飞行器，OgZg与以上两坐标轴构成右手坐标系。再入飞行器在惯性坐标系OgXgYgZg中的末制导段简化的运动方程为：

1.1 升力体直接撞击攻击模型

式中，状态矢量X为飞行器在惯性坐标系中的位置和速度矢量，即；OV为速度坐标系与惯性坐标系的转换矩阵；FD和FL分别为飞行器的阻力和升力；acx、acy、acz为变结构控制产生的加速度控制指令在惯性坐标系中的分量；g为重力加速度，Δx、Δy、Δz为干扰力产生的加速度分量。

假设目标t时刻后在惯性坐标系的位置矢量 rT(t)及速度矢量 VT(t)，再入飞行器t时刻后在惯性坐标系中的位置矢量 rM(t)及速度矢量 VM(t)。可得t时刻后飞行器与目标的相对位移矢量 r(t)及相对速度矢量V (t)分别为：

设两种变结构控制方式[6]的开关函数分别为：

两种变结构控制方式的趋近律函数均为：

把目标的机动加速度当作外部扰动，通过开关函数及趋近律函数，可以求得加速度控制信号在惯性坐标系中的分量为：

其中，

1.2 末制导弹药攻击模型

以某型精确制导炸弹为例，根据文献[5]所述，设制导炸弹质量为m，位矢为r，速度为v，所受空气阻力为X，重力为G，G与v的夹角为θ，末制导弹药相对于目标的位矢和速度分别为rr和vr，则目标线角速度为

由比例导引律可得，末制导弹药速度矢量旋转角速度为

从而，末制导弹药的法向加速度为：

式（1）给出了末制导弹药所需的法向加速度，而制导弹药法向加速度极值为nmax，因此得到末制导弹药的实际法向加速度为

其轴向加速度为

从而得到末制导弹药的运动方程为

2 攻击过程仿真

2.1 目标在速度平面内的结果比较

设再入飞行器通过导引飞行至预测末导引点，随后实施末制导条件下的精确打击。此时，目标位于飞行器速度平面内，并计算分析升力体直接撞击目标和末制导炸弹攻击目标两种方式下的攻击状态。末制导攻击开始时刻再入飞行器飞行状态参数如表1所示。

表1 末制导开始点初始飞行参数

三种不同纵深距离下，两种攻击方式的基本攻击状态如图1所示。计算结果显示，两种攻击方式都能保证弹药准确命中目标，但运用升力体直接撞击只能一次攻击某一特定目标，而采用制导炸弹攻击时，可以根据载弹量的大小在有效纵深内攻击多个目标，或者同时攻击同一目标的不同位置，对目标实施连续打击。

图1 末制导弹药攻击与升力体直接撞击情况下末弹道、弹道倾角及飞行速度的比较

从图1两种不同攻击方式攻击载荷弹道倾角的变化可以发现，采用制导炸弹攻击时随着纵深距离的增加，弹道倾角逐渐减小。而升力体直接撞击时，由于自身具有较强的机动能力，能够保证命中目标的弹道倾角都相对较大。因此，采用制导炸弹适合攻击近距离纵深目标，而升力体直接撞击适合的攻击范围相对较大。

图1中的命中速度显示，由于制导炸弹不能实施过大的机动飞行，从而减小了飞行中的能量损失，命中目标时的速度较高（当制导弹药采用GPS制导时，对弹药的飞行速度要求不高，不需要弹药进行较大的减速），同时随着纵深距离的增加，命中速度也有所减小。但是采用升力体直接撞击时，较大的机动飞行使得部分能量损耗，致使飞行器命中目标时的速度不到300m/s。

综合分析发现，采用制导炸弹比较适合攻击近距离纵深目标，既能保证较大的弹道倾角，又能保证较高的命中速度，能够完成对深层目标的攻击。而升力体飞行器机动能力较强，但是命中速度较低，不适合攻击坚固的掩体目标。要保证有效的钻地打击能力，就要保证命中时的速度倾角要在-90°～ -60°之间，因此制导炸弹的攻击纵深距离还会减小。总的结果显示，虽然制导炸弹的命中速度很高，但由于受到弹道倾角的限制，有效攻击纵深较小。升力体在进行大纵深飞行后，依然能够保持较大的弹道倾角，但是命中速度相对较小，尤其是在攻击深层目标时的效果不如制导炸弹。

2.2 攻击纵深范围

在本文设定的初始末制导点飞行参数的条件下，分析了两种攻击方式对纵深的有效打击范围，计算结果如图2所示。

从图2中不难发现，在落点偏差允许范围内，制导炸弹能够实施有效攻击的最短纵深距离为8km，此时命中速度超过1100m/s，并且弹道倾角接近-90°，非常适合打击地下深层目标。而最远纵深距离为70km，但此刻命中速度已经减小为600m/s，弹道倾角也接近0°，虽说落点在偏差允许范围以内，但此刻的速度与弹道倾角都不适合攻击深层目标。根据计算发现，在既能保证命中速度，又能保证较大弹道倾角的情况下，制导炸弹的有效攻击纵深距离为20km。

升力体虽然具有较大的机动能力，但是攻击范围也受到一定限制，最短可以打击的纵深距离为7km，而远距离攻击能到达纵深数百千米的范围。目标地面纵深距离为7km时，升力体撞击目标时的速度降到了100m/s，且弹道倾角达到-180°，虽然撞击时与目标偏差仅为 4.9885m，在误差允许范围内，但是分析其末速度及弹道倾角，对深层地下目标完全不具备打击能力，只能攻击地面普通建筑物。当地面目标纵深距离达到 300km时，升力体撞击目标时依然能够保证200m/s以上的撞击速度，同时弹道倾角也能达到-60°，能够打击浅层地下目标以及地面办公大楼等设施。

图2 末制导弹药攻击与升力体直接撞击攻击纵深范围比较

综合分析上述计算结果可知，在本文提供的初始条件下，制导炸弹的有效攻击纵深范围为8km～20km，打击范围较小。而升力体凭借其良好的机动能力，能够实施大纵深范围内的攻击，但不适合攻击小纵深距离下的地面固定目标。根据两种不同攻击方式的优点，可以考虑采用升力体装载制导炸弹的攻击模式，完成大纵深多目标的攻击。

2.3 组合攻击方式

飞行器实施攻击时采用机动飞行来完成大范围分布目标的攻击任务。因此，本文考虑充分利用精确制导升力体飞行器的机动能力来完成大范围机动飞行，采用投放制导炸弹对目标实施攻击，并对两种不同攻击方案进行比较。

方案1考虑飞行器在攻击多目标的机动飞行过程中，逐渐减低预定投放点的高度，计算出针对三个分散目标的攻击弹道，如图3所示。图中实线表示升力体机动弹道，虚线表示制导炸弹攻击弹道（以下图形均如此表示）。

图3 方案1攻击弹道

采用此攻击方式时，由于A点是初始投放点，飞行器没有过大的速度损失，此时飞行速度大，投放高度高，制导炸弹投放后借助飞行器初始的动能攻击目标，因此具有较高的命中速度。而随着飞行器的机动飞行，大范围的跳跃式机动飞行使得飞行器能量逐渐损失，到达B、C两点时的飞行速度已经减小，并且投放点高度也逐渐降低，导致制导炸弹命中目标时的速度也逐渐减小。虽然落点与目标的偏差在制导炸弹允许范围以内，但是降低了打击效果。不同投放点位置及命中目标参数如表2所示。

表2 方案1投放点位置及命中目标参数

方案2考虑在该攻击过程中，飞行器仍然进行机动飞行，而与攻击方案1比较增加了预定投放点的高度，计算出针对三个分散目标的攻击弹道，如图4所示。

图4 方案2攻击弹道

采用该方案攻击时，由于初始投放点飞行器参数没有变化，A点投放制导炸弹后，命中目标参数也没有变化。而B、C两点与方案1相比较，投放高度有所增加，并且在两次机动过程中高度没有改变，只是进行了侧向机动。与跳跃机动比较，侧向机动造成的能量损失相对较小，飞行器达到预定投放点的速度较大，此时制导炸弹初始速度相对方案1也较大，并且投放高度高，使得炸弹命中目标时的速度也相应提高，同时落点偏离目标的距离也在允许范围以内，打击效果优于方案1。不同投放点位置及命中目标参数如表3所示。

表3 方案2投放点位置及命中目标参数

通过上述分析，升力体携带制导炸弹，采用方案2实施攻击效果更加理想，在落点偏差允许范围内，依然能够保持较大的弹道倾角和命中速度。因此，采用方案2的组合攻击方式，既解决了制导炸弹攻击范围小的缺点，又解决了升力体飞行器直接撞击时，打击目标单一以及由于能量损失造成命中速度低的问题，是比较可行的攻击方式。

3 结论

总的来说，本文工作主要包括两点：第一，分别对变结构控制下的升力式飞行器直接撞击目标和制导炸弹攻击目标两种方式进行了计算。结果显示，飞行器直接撞击目标时可以进行大范围机动，但是打击目标单一，命中速度较低；而制导炸弹攻击时，打击范围较小，但是命中速度较高，单独采用任何一种攻击方式都不适合对大范围分布的多目标进行有效打击。第二，采用一种组合攻击方式对飞行器攻击过程进行仿真。通过计算发现，采用组合方式攻击时，能够充分利用两种攻击方式的优点，既能实现对大范围分布的多目标实施打击，又能保证较大的弹道倾角和命中速度。验证了组合攻击方式的可行性，说明升力式飞行器采用组合攻击方式更能高效地打击地面目标。

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