防空导弹快速概念设计开发平台应用需求分析

申智 万佳庆

摘要：典型的防空导弹设计过程按照系统工程的观点，通常分为三个阶段：概念设计、初步设计和详细设计。文章主要针对防空导弹快速概念设计的开发平台进行应用需求分析，围绕防空导弹快速概念设计内涵、概念设计的目标、概念设计的必要性、导弹概念设计涉及的学科专业、设计手段等方面进行详细阐述。

关键词：防空导弹；快速概念设计；需求分析

中图分类号：TJ760 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0054-02

典型的防空导弹设计过程按照系统工程的观点，通常分为三个阶段：概念设计、初步设计和详细设计。根据波音公司统计，概念设计所花费的费用只占整个系统全寿命费用的约1%，但它却决定了整个系统全寿命周期费用的70%。正是基于概念设计阶段在全寿命周期费用中的重要作用，因而，必须采用各种优化技术和手段，大力提高概念设计阶段的质量。

一、防空导弹快速概念设计的内涵

在防空导弹概念设计阶段，主要进行防空导弹方案论证及发展战略制定，确定防空导弹的外形、载荷、尺寸、质量及总体性能等。

防空导弹概念设计涉及气动、弹道、动力、总体布局、结构及控制等多学科专业，而且各学科之间相互影响、相互耦合。因而，导弹快速概念设计是要充分利用各个学科之间的相互耦合可能产生的协同效应，以获得最优的导弹总体方案。导弹快速概念设计是典型的多学科问题，在新型导弹中表现更为突出。由于新型导弹的基本特性和学科相互影响关系复杂，较难形成闭合的、高质量的总体方案。为了解决此问题，总体人员必须要深入了解导弹各学科的特征和相互影响关系，并从顶层建立新型的一体化设计流程，即建立防空导弹快速概念设计平台。通过各学科的模块化并行设计来缩短设计周期，通过考虑学科之间的相互耦合来挖掘设计潜力，通过系统的综合分析来进行方案的选择和评估，通过系统的高度集成来实现导弹的自动化设计，通过各学科的综合考虑来提高可靠性，通过门类齐全的多学科综合设计来降低研制

费用。

二、目标和内容

防空导弹概念设计应处于防空导弹研制的最早阶段，是在战术技术任务提出后，其开展目的包括以下三个方面：

1．根据总体指标要求，确定防空导弹的主要特征，以满足质量、尺寸、精度以及毁伤效果的设计

要求。

2．确定防空导弹设计可能达到的总体指标要求，作为研制考核依据。

3．形成各分系统指标，为其开展详细的设计和研制工作提供依据。

其中，第1项工作是核心，第2项是通过反复调整第1项的输入实现；第3项是第1项任务的结果。

根据防空导弹的组成特点，这些特征包括：外形、部位安排、弹道设计、弹体结构、动力装置、制导控制系统、引战系统、电气系统。其中，按照防空导弹组成特征和使用原理特征，可将其分解为图1所示的各种设计工作：

图1防空导弹设计内容

其中，发动机、导引系统、控制器件、舵系统、引信、战斗部、能源等弹上设备在概念设计阶段不进行详细设计，仅考虑影响全弹质量、尺寸、精度、毁伤效果的特征设计。

（二）快速概念设计的必要性

防空导弹概念设计的困难性表现在：

1．在各种设计活动中涉及到大量计算过程，即使是这些设计活动完整执行一轮，其计算工作量也非常可观。因此，难以开展大规模设计选型工作，限制了防空导弹的设计自由度。

2．涉及到多个专业学科，大规模的子设计活动，而这些设计活动之间的输入输出又是相互关联的，如何使设计活动的输入输出达到最佳的、匹配的状态需要开展大量的指标协调工作，具有很大的

难度。

3．指标协调过程中面临设计活动输入条件的不断改变，而这些设计活动需要反复进行。因此，进一步加剧了设计工作的负担。

我国现有的防空导弹设计大都是在已有防空导弹型号上进行小规模的调整，其中非常重要的原因是由于缺少快速设计手段，尽可能避免设计工作的反复性，但这种思路从很大程度上限制了防空导弹的发展跨度。为此，我们必须寻求更为快捷的防空导弹概念设计方法。

（三）快速概念设计手段

根据以上概念设计的困难性，提高其快速性的手段包括：

1．提炼形成流程化、程序化的概念设计过程，并开发支持流程快速构造和数据自动交互的软件工具，提高设计工作衔接快速性。

2．发展快速的专业计算模型（包括设计和分析），缩减整体计算规模。

3．融入多学科耦合设计思想，减少概念设计整体迭代次数。

4．在确定设计特征过程中，充分应用自动数值优化和敏感性分析手段，支持参数的快速确定。

（四）概念设计的过程

概念设计涉及到多个专业内容，包括串联、并联、迭代的混合过程，主要涵盖总体、气动、动力、弹道、结构、控制、引战等专业。导弹总体根据战术技术指标提出多种方案设想，并进行战术技术指标协调分配，初步预估导弹的发射质量、外形尺寸、发动机总冲等技术指标；气动、动力专业根据总体分配的战术技术指标进行分系统方案优化设计；弹道专业根据气动参数、发动机内弹道数据、导弹的质量质心和转动惯量数据，进行导引规律设计和弹道计算。弹道计算的结果作为结构载荷计算和控制专业控制弹道仿真的依据；结构进行结构设计、模态计算及热防护设计，将模态计算结果输出给控制专业；控制专业根据气动数据、弹体模型及动力系数等参数，进行控制规律设计并进行协同仿真。导弹总体根据分系统初步设计结果并综合考虑各学科相互作用的协同效应，经过层次化、系统级的综合优化，最终形成最佳的导弹总体方案。

三、概念设计涉及专业

概念设计过程涉及的专业包括：

1．总体专业：负责总体方案构思、导弹总体技术途径选择、总体布局、部位安排、质量质心及转动惯量计算等。

2．气动专业：负责外形设计、气动计算、气动弹性分析。

3．发动机专业：负责发动机方案设计、内弹道计算。

4．弹道专业：负责导引规律设计、理论弹道计算、动力系数计算。

5．结构专业：负责载荷设计、模态计算、强度校核、热防护设计。

6．制导控制专业：负责制导系统初步设计、控制回路设计、控制器件初步设计及控制弹道仿真。

7．引战专业：负责引信、战斗部、引战配合设计。

参考文献

[1] AIAA. Multidisciplinary Design Optimization Technical Committee.Current State of the Art on Multidisciplinary Design Optimization（MDO）[M].An AIAA White Paper.ISBN 1-56347-021-7，September，1991．

[2] 王振国，陈小前，罗文彩，张为华．飞行器多学科设计优化理论与应用研究[M]．北京：国防工业出版社，2006.

[3] 于本水．防空导弹总体设计[M]．北京：中国宇航出版社，2005.

[4] 韩品尧．战术导弹总体设计原理[M]．哈尔滨工业大学出版社，2000．

作者简介：申智（1981-），男，○六一基地三○二设计研究所工程师，硕士研究生，研究方向：飞行器设计；万佳庆（1985-），男，○六一基地三○二设计研究所工程师，硕士研究生，研究方向：飞行器控制。

（责任编辑：赵秀娟）