水雷出水攻击空中弹道设计与分析

李雨田, 张宇文, 张纪华, 刘立栋



水雷出水攻击空中弹道设计与分析

李雨田, 张宇文, 张纪华, 刘立栋

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

针对水雷出水攻击的作战模式, 设计了该模式下的空中攻击弹道, 建立了水雷出水攻击弹道数学模型, 分析了垂直上升弹道的姿态稳定控制、快速转弯弹道的限制转弯角速率和设置俯冲角、俯冲攻击弹道导引等关键技术, 最后对各段弹道的动态特性进行了仿真。仿真结果表明, 预设弹道稳定可控, 能按预设弹道实施对目标的打击。

水雷; 空中攻击; 弹道设计; 弹道仿真

0 引言

出水攻击型水雷是出水经由空中弹道实施对目标攻击的一类水雷的总称。随着水雷目标探测距离的增大和网络战的应用, 水雷的有效封锁半径可以扩展到数千米, 此时如果仍采用水下攻击的办法, 则攻击时间将增大数倍, 目标散布区域增大数倍, 假定水雷战斗部的有效杀伤半径不变, 则对目标的杀伤概率要降低一个量级。因此可以考虑出水攻击弹道方案以缩短攻击时间, 提高目标探测精度, 同时引入精确制导技术以提高作战效能。

目前有关水雷出水攻击的研究较少, 文献[1]提出了水雷出水攻击直升机的方案, 分析了出水过程中介质发生突变时水雷的受力变化。文献[2]设计了水雷姿态跟踪控制器, 将反馈线性化方法与基于变结构理论相结合设计了姿态闭合控制系统。文献[3]和[4]研究了出水过程中汽水耦合及流体动力变化带来的影响。针对水雷出水攻击弹道及其弹道特性的研究目前公开文献较少, 本文通过对水雷出水攻击弹道的研究, 设计一种水雷出水空中攻击模式, 同时对各段弹道的关键技术进行了分析和研究。

1 水雷弹道数学模型

1.1 坐标系的选择

1.2 动力学方程

运用动量和动量矩定理, 在水雷体坐标系下建立水雷动力学方程

1.3 运动学方程

式(1)~(4)中有14个方程, 包含14个未知数0,0,0,v,v,v,,,,,,,,, 封闭可解。

2 空中攻击弹道设计

出水攻击弹道方案的基本思想是, 水雷探测或接受到一定距离外目标信息后, 垂直出水并上升至一定高度, 快速转向目标散布海域, 开启红外制导头, 搜索并导向目标。图2为设计的出水攻击空中弹道轨迹。

图2 水雷出水弹道轨迹

该弹道分为以下3段弹道: 1) 垂直上升弹道。战斗部点火后垂直出水并上升至一定高度, 以便于搜索目标并实施俯冲攻击; 2) 快速转弯弹道。战斗部垂直出水并上升至指定高度后, 需要快速转向目标方位, 以便搜索、跟踪并攻击目标;3) 俯冲攻击弹道。战斗部在转弯弹道发现目标后, 对水面目标战斗部实施有动力直接攻击或无动力滑翔攻击。

3 弹道分析与仿真

3.1 垂直上升弹道

1) 控制任务

该段弹道的主要任务是实现垂直上升并将弹体纵对称面转向目标方位。战斗部垂直上升过程中, 根据目标方位角, 调整自身横滚角, 使得轴指向目标方位的过程定义为转向目标。如图3所示为转向目标示意图。即弹体轴轴正向转过一定角度至¢位置, 对准目标。

图3 转向目标示意图

水雷在水下和空中运动的控制规律采用比例-微分控制方式, 具体控制方程为

2) 弹道仿真

垂直上升控制为姿态稳定控制, 目的是要把俯仰角和偏航角稳定在0°, 主要干扰源有初始扰动和海流干扰, 在初始扰动中, 俯仰通道和偏航通道等价。假定初始扰动: 初始俯仰角10°, 初始俯仰角速率30°/s, 初始横滚角10°, 初始横滚角速率30°/s以及5 kn海流速度复合扰动下进行弹道仿真。图4为初始扰动和海流扰动的复合扰动仿真结果。

由仿真结果可知, 在所给复合扰动初始条件下, 控制系统能在1 s内将俯仰角控制到0°附近, 偏航角也能稳定在0°附近。

图4 初始扰动和海流扰动的复合扰动仿真

3.2 快速转弯弹道特性分析与仿真

快速转弯段弹道是水雷出水攻击弹道中关键的一环。战斗部在转弯过程中具有较大的攻角, 流体动力呈非线性, 弹体承受较大法向过载[7-8]。

1) 限制转弯角速率

在转弯弹道控制中, 如果直接将目标俯仰角设定为最终要求的俯仰角, 战斗部将以最大可用法向过载转向目标, 会出现很大的攻角, 如图5所示。

图5 不限制转速的快速转弯仿真

为了避免这一问题, 采用限制转弯角速率的办法实现, 以固定的角速率增大目标俯仰角直至达到最终要求的俯仰角, 如图6所示。

设定转弯角速率分别为10°/s, 15°/s, 20°/s, 将仿真结果绘制在一起, 如图6所示。

可见, 转弯角速率越大, 转弯过程引起的攻角越大, 弹道转弯半径越小。为了将转弯过程攻角控制在合理范围内, 本文采用15°/s的转弯角速率限制, 将转弯过程中攻角限制在30°以内。

2) 设计转弯俯冲角

在转弯弹道设计中, 确定转弯角速率后, 转弯半径就确定了, 在弹道设计中不再作为设计参数, 而把俯冲角作为主要弹道设计参数。此时, 对于同一距离的目标可以有多种方案弹道, 即不同上升高度和俯冲角的组合。

表1设计了3种弹道组合方案, 图7为针对这3种方案进行转弯弹道的仿真结果。

通过3种方案的仿真结果对比分析可见, 垂直上升高度越小, 全弹道时间越短, 转弯终止角绝对值越小。弹道方案的选择根据红外探测系统所需的最小海面俯视角度确定, 在可能的条件下上升高度越小越有利于降低成本。

图6 限制转速的快速转弯仿真

表1 3种弹道组合方案

图7 3种组合方案的快速转弯仿真

3.3 俯冲攻击弹道特性分析与仿真

1) 弹道分析

战斗部搜索并发现目标后, 进入俯冲攻击弹道。由于探测距离近, 采用技术成熟的点红外式固定导引头[9-10], 输出目标相对弹体对称面的高低角和方位角, 控制系统根据目标信号, 在纵、横2个平面内采用追踪法将战斗部导向目标。

假定导引头主要性能指标: 探测距离5 km, 探测张角60°, 盲区距离200 m, 距离误差1%, 角度误差±2°。

2) 俯冲攻击弹道控制仿真

假定目标位于水雷出水点水平距离1 000 m处, 以20 kn的速度远离战斗部出水点, 图8为俯冲攻击弹道的仿真结果。仿真结果表明, 在导引作用下能够准确实施对目标的打击。

图8 俯冲攻击弹道仿真

4 结束语

为了扩宽水雷的应用范围, 本文研究了水雷出水空中攻击弹道, 同时分析了各段弹道的难点。建立了弹道模型并对攻击弹道特性进行仿真验证。仿真结果表明了实施弹道打击的可行性。该方法为研究水雷出水攻击水面舰船的工程实践应用提供了参考。

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Air Trajectory Design and Analysis for Mine Water-exit Attack

LI Yu-tian, ZHANG Yu-wen, ZHANG Ji-hua, LIU Li-dong

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi¢an 710072, China)

The air trajectory was designed for a mine water-exit attack, and a mathematic model of attack trajectory was established. The attitude stabilization control for vertically upward trajectory, the restriction of turn angular rate, the setting of dive angle for fast turn trajectory, and the guidance of dive attack trajectory were analyzed. In addition, the dynamic characteristic of each trajectory was simulated, and the results show that the preset trajectory is stable and controllable, and can be used to accurately strike target.

mine; air attack; trajectory design; trajectory simulation

TJ013

A

1673-1948(2012)03-0166-05

2011-10-17;

2011-11-24.

李雨田(1981), 男, 在读博士, 主要从事水中兵器弹道和控制方面的研究.

(责任编辑: 陈 曦)