俄罗斯弹道导弹软件研制与应用

范奎武

（海军驻航天一院代表室，北京，100076）

俄罗斯弹道导弹软件研制与应用

范奎武

（海军驻航天一院代表室，北京，100076）

简要介绍俄罗斯弹道导弹的研制发展历程和导弹软件的发展阶段，分析了弹道导弹发射数据的准备方法以及主要飞行技术指标的估计方法，叙述了检验软件品质的作法。

0 引 言

第二次世界大战结束之后，苏联加快弹道式导弹与运载火箭的研制速度，经过70多年的发展，实现了从单级到多级捆绑式液体火箭、从液体火箭到固体火箭、从单弹头到多弹头、从固定发射到公路、铁路、潜艇水下机动发射、从摄动制导到闭路制导、从纯惯性到惯性星光复合制导等多方面的技术突破[1～4]。在导弹的测试与发射控制、飞行控制方面，软件起着重要的作用，文献[5]介绍了俄罗斯弹道导弹软件的研制与应用情况。

1 俄罗斯弹道导弹研制历程

20世纪30年代初，在列宁格勒气体动力实验室和莫斯科喷气运动研究组的基础上组建了喷气科学研究所，1944年改组为1号科研所。该所根据缴获的德国V-2导弹的部分零部件、组件，恢复了该型导弹的外形，计算了其气动布局，提出以 V-2导弹为基础研制射程达600 km导弹的建议。用V-2的零部件组装的导弹于1947年进行了第1次飞行试验。

1948年，苏联自行研制的Р-1导弹首飞，1951年装备部队，射程270 km。随后进行了射程达600 km的 Р-2导弹的飞行试验。配备核弹头的 Р-5М 导弹于1956年装备部队，射程达1 200 km。第1种洲际弹道导弹 Р-7于 1957年进行飞行试验，其改型 Р-7А于1960年装备部队，射程达9500 km。

南方设计局从 1960年开始研制能够在发射阵地长期贮存时保证隐蔽性的新型导弹，研制出射程达4000 km的Р-14导弹和洲际弹道导弹Р-16。在Р-16的基础上研制出威力更强大的Р-36导弹。井式导弹系统将军采用Р-36М2洲际弹道导弹，最多可以携带10个弹头，射程达11 000 km。

莫斯科热技术研究所从事固体导弹研制工作，三级固体导弹白杨于1985年装备部队，雅尔斯公路机动式导弹系统中的РС-24三级固体导弹能够携带6个弹头，射程达10 500 km。雅尔斯-М导弹系统中的РС-26固体导弹配备了机动式分导弹头。1998年开始研制潜射三级固体弹道导弹РСМ-56布拉瓦，2005年首飞，可携带6～10个核弹头。该研究所牵头研制铁路机动导弹系统东北风将于2018年进行飞行试验。

马盖耶夫设计局从20世纪50年代开始到90年代，共研制了3代7型潜射弹道导弹[6]，其中第3代系统中的三级液体导弹РСМ-54（SS-N-23）可以携带4个核弹头。被称为班机的РСМ-54导弹改进型能够携带10个小威力核弹头，于2014年服役。目前该中心正在牵头研制萨尔马特人新型井式导弹系统，计划2018～2020年装备部队。

2 弹道保障的内容与功能[7]

导弹弹道学主要解决4个基本问题：а）根据已知的数据计算导弹的运动轨迹；b）根据给定的战术-技术需求确定弹道设计特征，寻找最优的运动状态和飞行轨迹；с）研究飞行器的稳定问题，确定可控性条件，并研制在飞行速度下的运动控制算法；d）研制减小散布并提高落点精度的方法。弹道学主要讨论飞行弹道保障和设计弹道学问题。

飞行弹道保障解决如下问题：а）根据导航测量结果确定和预测导弹的运动参数；b）分析所实现的参数是否符合最终目的；с）计算修正量以及必要的控制作用，根据所实现的飞行程序引导导弹的运动。飞行弹道保障与获取导航信息的过程组合成弹道导航保障。

建立弹道保障的目的是：а）研究坐标换算算法，建立在弹道设计阶段使用的验前模型；b）研制控制导弹发射准备和发射的算法，形成计划内的飞行任务；с）根据重新输入的目标指示补充计算计划外的飞行任务，研究主动段控制导弹运动、构成战斗队型时控制分导级、下降段弹头向目标末制导的算法等。

3 俄罗斯弹道导弹软件研制与应用

3.1 为单弹头导弹研制软件

20世纪40年代中后期，炮弹内外弹道学已经取得了显著的成就。与炮弹不同的是，弹道导弹飞行距离更远，并且有受控飞行的主动段。在弹道导弹研制初期，需解决如下的弹道学问题：а）选择控制程序、确定有效载荷质量和定向飞行距离；b）准备导弹发射数据，预测弹头命中目标的精度和密集度；с）确定试验条件和设计测量系统，高精度计算达数百以及上千千米的导弹飞行弹道等。俄罗斯国防部第4研究所承担了这些任务[8]，研究求解导弹弹道的主要问题：建立导弹运动方程并研究方程的数值积分方法，解决为达到最远射程的有关发动机最优工作状态的变分问题，确定空气动力系数等，远程导弹弹道学这门新学科逐步形成。

求解弹道学的方法为使用试验理论方，该方法以飞行理论和导弹系统的地面试验结果为基础，建立数学模型，进行弹道计算，把计算结果与有限次的飞行试验数据相结合，在飞行试验中进行轨迹测量和遥测。

1946～1959年期间，研究了导弹飞行弹道计算方法，组建了临时射表并在Р-1和Р-2导弹射击时实现，也为第1代中程弹道导弹Р-5М和Р-12研制射表和作战发射文件并得到飞行试验结果的确认。

第1代弹道导弹的控制系统并不能保证高的落点精度，弹头落点相对目标的偏差可能达到几千米。用制表方法准备瞄准数据时，导弹的飞行任务主要包含由射击地理条件决定的瞄准方位角和射程控制自动装置的装订值这两类参数，因此可通过简化数学模型建立容易实现的射表。

1955～1960年期间，使用研制出的超椭圆飞行理论得到在考虑地球扁率时导弹弹头运动的解析表达式，对运动微分方程进行数值积分得到的是战略导弹飞行轨迹最精确的结果。在这一时期，建立了发射区和弹头落区、弹道被动段测量系统以及浮动式测量系统。研究并推行了用计算机处理测量信息、飞行试验时导弹运动模型辨识方法，制定了主要飞行-技术指标评估细则。

使用俄罗斯国防部的第1代箭计算机，研制根据轨迹测量结果确定人造地球卫星轨道和导弹弹头飞行轨迹的新方法，这种方法能克服自动化测量系统中经常出现的异常现象。

在研制 Р-7洲际弹道导弹和发射人造地球卫星期间，建立了指挥测量系统，其主要任务是保证测量人造地球卫星轨道参数和导弹飞行弹道、接受来自卫星的科学信息并往卫星上传送控制指令。

第2代洲际导弹Р-36等从1960年开始研制，为此研究用于准备导弹发射数据的射表编制改进方法。把射表表示成乘幂多项式的形式，研制出在专用计算机杉松上实现的导弹发射数据自动化准备算法，为此研究的理想方案和平均视运动方案弹道计算方法能够把主动段弹道以及整个飞行任务参数的计算时间缩短到原来的几分之一。

第1代战略导弹研制及作战执勤的经验表明，需要根据靶场发射数据，对计算射表时使用的导弹飞行模型以及主要飞行技术指标数值进行修订并检测其稳定性。使用导弹受扰运动的完整数学模型能够全面研究发射地理条件、扰动因素以及弹上系统与机构的工作特点对导弹飞行的影响。从而揭示了研究弹头落点系统偏差物理原因，论证了射表修正的必要性。

1965～1973年期间，完成了第2代导弹发射数据准备方法、飞行任务计算程序和相应文件的研制工作，研究了飞行任务自动化计算系统并制定了《导弹发射数据准备文件》。

为确保飞行任务计算精度，进行了有关地球大气层和引力场这些飞行外界条件的基础性研究：а）研制并推广了目标区域大气层平均参数模型；b）地球内部点的点质量总和引力势形式的地球扰动势表示法。

3.2 为多弹头导弹研制软件

俄罗斯从20世纪70年代开始研制有分导弹头的导弹，这需要研究弹道学边值性问题求解方法，确定下降段轨迹参数并计算编入飞行任务中的设定值。

对于装备分导弹头的导弹，非常复杂的问题是检验弹头达到作战使用规划过程中确立的给定瞄准点。在给定俯仰角程序时，单弹头导弹射程与射击方位角及发射点纬度的关系用幂球多项式以很高的精度描述，所以弹头可达性检验问题比较简单。但对于多弹头的导弹，只有装载弹头的载体适用这样的表达式。为了监测分导级上燃料余量充分性，必须知道绕飞瞄准点的航路并解决用当前弹道导数值和质量系数等参数使分导级实现机动的问题。因此，在飞行任务计算公式和软件的基础上附加研制并推行了被称为弹道式滤波器的初始数据准备与检测软件，被称为第 3级精度弹道滤波器。

为了解决目标分配和弹头向瞄准点瞄准问题，研究了第1级精度和第2级精度的弹道滤波器。在这些滤波器中，为了提高计算效率进行了容许的简化。对于采用终端制导方法和用控制系统的数字计算设备在发射装置上计算飞行任务的导弹，研究准备目标指示与监测目标指示可实现性的数学公式和相应软件以代替弹道滤波器，主要用途是确定发射装置所接受的目标指示，用控制系统的数字计算设备计算飞行任务。除此之外，还靠选择针对瞄准点的弹头最优释放路线以最完全地使用导弹的动力。

在多头分导导弹研制过程中，采用新技术的导弹进行飞行试验期间，不可避免地要改变（修订）导弹的指标，为此，必须多次改写软件。不仅如此，在联合飞行试验的结束阶段还必须考虑战斗执勤时的作战飞行任务。这些情况就可能会形成在导弹发射数据准备软件中出现错误的危险。

1981年，YР-100Н导弹作战训练发射时，飞行任务计算程序的错误导致3个弹头没与分导级分离。这次故障促使俄罗斯国防部批准展开飞行任务预先检验软件的研制工作。

为采用摄动制导方式的导弹研制了飞行任务检验软件并在战略导弹部队司令部内使用，以后又在苏军总参谋部内与飞行任务计算软件联合使用。为每一个型号的导弹研制了一整套用于初始数据准备与检验、飞行任务计算与检验的软件并形成正式文件。这样的软件被称为自主式软件，在战略导弹部队的计算中心为单独型号的导弹实现飞行任务的自动化准备。在飞行任务技术准备过程中推行检验软件，能够消除在飞行任务计算程序和飞行任务检验程序中可能存在的错误，从而能保证遂行作战执勤任务的导弹很高的飞行任务品质。

3.3 为采用终端制导导弹研制软件

20世纪70年代末80年代初，俄罗斯开始为固体弹道导弹研究闭路制导方法，这类导弹是在发射装置上计算飞行任务，技术过程中增添了检验每一次飞行任务的工序，导弹发射弹道保障方法产生了新的飞跃。用弹上控制系统的计算机实现飞行任务计算专用软件质量的详细检验。为了监测在发射装置上飞行任务计算软件运行的正确性，研制了多用途程序模拟系统，实现对控制系统弹上计算机完成的飞行任务计算及与之对应的导弹飞行的仿真。

目前，俄罗斯完成了大量的提高战略导弹部队导弹作战使用数据准备过程自动化水平的工作，所有的导弹发射数据准备软件与导弹部队信息计算系统（《层》系统）的第1功能子系统联结在一起。为采用闭路制导的新型导弹研制了目标指示准备与目标指示可实现性检验软件，这些软件能够确保在发射装置上解决飞行任务计算问题。

在导弹试验弹道学方面，研究制定了评估战略导弹主要飞行技术指标的统一细则并施行。为了提高确定主要飞行技术指标的精度，研究了向导弹指标评估试验理论方法参数型方案转化的提案。在根据弹头落点偏差、燃料剩余量这些输出数据估计指标的同时，还根据轨迹测量和遥测数据结果估计导弹飞行模型的综合性参数，研究出的评估落点精度和密集度的新细则能够考虑机动导弹发射系统地理保障的特点。为所有的固体导弹研制了使用控制系统指令参数测量值的最大和最小瞄准射程评估细则，明显提高了瞄准射程的精度。研制并在战略导弹部队的靶场推行了国外战略导弹测量信息综合处理以及飞行技术指标评估方法，在监督对方履行有关反导条约、限制进攻性战略武器条约内的相应责任时，使用这些方法。

1995～2016年期间，实现了导弹发射数据准备专用数学模型和软件试验方法的系统化解决方法，目的是满足对数学模型和软件提出的要求，获取结果的可靠性要求。

文献[9]介绍了不同时期使用的计算机性能指标，如20世纪50代末使用的Э-40电子计算机每秒能完成4万次运算。

4 结束语

中国的弹道导弹事业是从研仿苏联的 Р-2导弹开始起步的，经过60多年的努力，目前已接近世界先进水平。在弹道导弹软件方面，已经逐步建立并推行了有效的管理模式，并且在型号研制过程中发挥了有效作用，如任务书编制、评审、软件代码走查、软件第三方确认测试、软件配制管理等。通过上述介绍可以看出，俄罗斯在软件研制与管理方面，有自己的一套做法，如弹道保障、导弹发射数据准备与中国的建立弹道方程、弹道计算和射击诸元准备大致相对应于，飞行任务检验软件对应软件测试功能。尽管在文献中没有介绍他们所使用的计算机的性能指标、采用的编程语言，但是，通过这些公开资料，可以大致了解俄罗斯弹道导弹软件的功能、保证软件质量的措施。另外，文献中介绍的制定飞行性能评估细则以及处理分析国外弹道导弹试验数据的方法，也有参考借鉴意义。

[1] В.И.瓦弗洛缅也夫.《弹道式导弹设计和试验》[М].北京：国防工业出版社, 1976.

[2] Липанова А М，Милехина Ю М, Под редакцией. Внутренняя баллистика РДТТ[М]. Москва: Машиностроение, 2007.

[3] Сихарулидзе Я Г. Баллитика и наведение летательных аппаратов[М] Москва: БИНОМ Лаборатория знаний, 2014.

[4] Разоренов Г Н, Бахрамов Э А, Тимов Ю Ф. Систем управления летательными аппаратами (баллистическими ракетами и их головными частями )[М]. Москва: Машиностроение, 2003.

[5] Соловьев Ю С, Казаков Г В. Баллистическое обеспечение ракет ракетных войск стратегического назначения[J]. Военная Мысль, 2016(6): 30-36.

[6] Ильин В, Колесников А. Отечественные атомные подводные лодки[J]. Техника и Вооружение, 2000(5-6).

[7] Лысенко Л Н. Наведение и навигация баллистических ракет[М]. Издательство МГТУимНЭБаумана, 2007.

[8] Таразевич С Е. 4Центральный научно-исследовательский институт Минобороны России-ровесник ракетно-космической отрасли страны[J]. Военная мысль, 2016(6): 30-36.

[9] Пирожник В И, Морозов Ю В, Шаменков Н А. Обоснование требований к вычислительной технике средств и систем воздушно-космической обороны[J]. Военная мысль, 2015(1): 51-67.

Development & Application of Russia Ballistic Missile Software

Fаn Kui-wu
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弹道导弹；软件；俄罗斯

Е927

А

1004-7182(2016)06-0051-04 DОI：10.7654/j.issn.1004-7182.20160612

2016-10-09；

2016-11-03

范奎武（1964-），男，博士，高级工程师，主要研究方向为飞行器总体设计导航制导与控制