地空导弹拦截空中目标可视化仿真研究*

王 宏,万夕干,阳家宏,赵英俊,刘 晨

(1 空军工程大学,西安 710054;2 驻上海航天局804所军事代表室,上海 201109)



地空导弹拦截空中目标可视化仿真研究*

王 宏1,万夕干2,阳家宏2,赵英俊1,刘 晨1

(1 空军工程大学,西安 710054;2 驻上海航天局804所军事代表室,上海 201109)

为有效判定地空导弹拦截空中目标的杀伤效果,提出了拦截可视化问题,结合相关研究成果,通过研究地空导弹战斗部破片毁伤、冲击波毁伤及战斗部引战配合模型及仿真方法,在完成空中目标及地空导弹相关模型建立的基础上,设计实现了某型地空导弹拦截某型战斗机的可视化仿真系统,仿真效果较为直观、逼真。研究结果对地空导弹装备型号试验及作战仿真均有一定的借鉴意义。

地空导弹;毁伤模拟;引战配合;可视化仿真

0 引言

杀伤效果判定是地空导弹拦截空中目标过程中重要的环节之一,其主要依据是弹目交会的相关数据、空中目标受攻击后航迹变化及其回波信息的突变等。若进行地空导弹拦截空中目标(如战术弹道导弹)杀伤效果判定试验,需要进行多批次的实弹射击,这样既浪费人力、物力和财力,又具有一定的风险性,且需要多兵种协调,另外拦截过程不可重复演示。针对这一问题,可以采用数值仿真的方法来模拟整个弹目交会过程,但数值仿真主要以文字和图表输出拦截结果,无法使指挥员直观的观测弹目交会过程,从而准确的判定拦截杀伤效果。随着计算机技术、虚拟现实技术的不断发展应用,以视景沉浸方式将仿真结果呈现给指挥员将成为当前实验研究的一种技术手段[1]。国内外相关学者已经开展了诸多研究工作[2-3]，文中将在前人研究的基础上,结合地空导弹战斗部毁伤模拟、空中目标模拟及战斗部引战配合模拟,分析研究其拦截可视化问题。

1 地空导弹战斗部毁伤模拟

地空导弹战斗部类型多为杀伤战斗部,且拦截空气动力目标主要靠高速破片杀伤,另外战斗部爆炸产生的冲击波也有一定的杀伤作用,因此在进行毁伤模拟时应考虑这两类毁伤。

1.1 破片毁伤模拟

影响破片毁伤效果的主要因素包括破片的初速度、破片的质量、破片的飞散角及有效破片的数量等[4-5],所以对破片毁伤的模拟主要考虑上述几个因素,可以采用粒子系统思想模拟破片毁伤过程,让粒子系统中微小的物体集合模拟破片,并具有破片的战斗参数,可视化仿真中可不考虑破片的质量。破片毁伤模拟流程如图1所示。

图1 破片毁伤模拟流程图

破片飞散区域模拟:根据起爆时导弹的速度参量、战斗部破片的初速度参量计算出战斗部破片飞散方向角(飞散角中心线与弹轴正向的夹角),以破片飞散方向角为中心在战斗部360°范围内绘制出破片的飞散角边界,形成空心锥形空间区域,即战斗部的动态杀伤区域如图2所示。

毁伤空间模拟:在战斗部破片飞散空间内,以战斗部为中心随机生成破片飞散射线,并使该破片体在此射线上以速度v运动,最终形成以战斗部为中心的放射型破片飞散形式,如图3所示。

图2 破片飞散区域模拟示意图

图3 破片飞散模拟示意图

破片体模拟:根据起爆后形成的破片数量,在战斗部所在位置绘制出相应数量的破片体,破片形状根据战斗部类型确定,可以是立方体、球体或其他形状。

1.2 冲击波毁伤模拟

在战斗部起爆后,冲击波存在的时间非常短[6],且不可见,因此冲击波毁伤模拟必须借用一定的表现方式,这里只给出冲击波超压毁伤的表现方式。在考虑目标易损性及冲击波超压作用距离的前提下,在模拟过程以特定颜色球体大小的变化模拟冲击波的传输,球体的透明度表示超压的强度,如图4所示。

图4 冲击波模拟示意图

1.3 战斗部引战配合模拟

战斗部起爆瞬间,根据导弹相对于目标的坐标参数及导引头引信敏感规律,计算出导弹的引信启动区域大小和位置,采用雷达波束模拟的方法描绘出引信启动区;根据战斗部及导弹参数计算出导弹的动态杀伤区域的大小和位置,由粒子系统在此区域模拟导弹的动态杀伤区域(如图2所示)以可视的方法判定引信启动区(导弹与目标限定的区域)与动态杀伤区重叠程度,从视觉角度判定导弹的杀伤效果,模拟示意图如图5所示。

图5 引战配合模拟示意图

2 导弹及目标几何模型

对地空导弹及空中目标进行三维建模是以其真实尺寸和结构为原型,根据其本身的几何结构关系及运动规律建立不同的三维实体模型。为降低系统运行成本,提高系统的运行效率,并保证仿真逼真度,可以采用纹理映射及分层次表现细节的方式根据实际仿真要求降低模型运行的复杂程度。

以某型战斗机为例建立其三维几何模型,模型结构如图6所示;以某型地空导弹发射车为例建立其三维几何模型,模型结构如图7所示。

图6 某型战斗机三维几何模型

图7 某型地空导弹三维几何模型

3 可视化仿真设计及实现

在VC++6.0开发环境中,应用VEGA驱动模块及Creator实体建模工具完成该系统的开发,完成导弹飞行控制可视化、弹目交会可视化及战斗部毁伤可视化仿真三个功能,主要由地空导弹发射模拟、导弹弹道模拟、空中目标模拟及杀伤效果判定等模块组成,组成如图8所示。

图8 可视化仿真系统组成结构

导弹飞行控制可视化:根据某型地空导弹武器系统战技术参数要求,设定其导弹速度模型及某型战斗机运动模型,按照一定的导引规律,解算出导弹拦截目标的运动学弹道,并在视景仿真环境中使导弹实体模型依据解算出的弹道以设定的速度模型运动,效果如图9所示。

图9 导弹飞行过程

图10 弹目交会过程

弹目交会可视化:在地空导弹武器系统作战过程中,弹目交会是判定脱靶量的一个重要过程,而脱靶量的大小直接影响杀伤效果的判定,所以弹目交会是一个必须展示的过程,效果如图10所示。

战斗部毁伤可视化:按照前面介绍的战斗部毁伤模拟方法,结合视景仿真工具可较逼真地完成战斗部毁伤可视化过程,效果如图11所示。

图11 战斗部毁伤过程

4 结束语

本研究用视景仿真的方法研究分析了地空导弹拦截空中目标的可视化问题,解决了武器系统作战过程中判定杀伤效果不够直观逼真的问题。设计开发的某型地空导弹拦截某型战斗机仿真系统验证说明了仿真方法的有效性及可行性,研究成果对地空导弹武器系统作战仿真及相关研究具体一定指导意义。

[1] 熊风光, 韩燮, 张会兵. 基于Vega的导弹攻击F16视景仿真 [J]. 计算机系统应用, 2013, 22(7): 207-212.

[2] 张会兵, 韩燮, 王志军, 等. 基于Vega的破片式战斗部导弹威力场视景仿真 [J]. 计算机工程与设计, 2010, 31(4): 812-815.

[3] 周家胜, 钱建平, 张健. 轴向增强型战斗部对导弹目标毁伤评估的可视化仿真研究 [J]. 沈阳理工大学学报, 2007, 26(4): 10-14.

[4] 王家浚, 李世才. 整体杀爆弹爆炸效应研究综述 [C]∥中国土木工程学会防护工程学会. 中国土木工程学会防护工程学会第六次学术年会论文集. 北京: 中国土木工程学会, 1998: 107-115.

[5] 王宏, 李树芳, 张琳. 空地导弹毁伤数值仿真研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2011, 31(1): 113-115.

[6] 王杨, 郭则庆, 姜孝海. 冲击波超压峰值的数值计算 [J]. 南京理工大学学报, 2009, 33(6): 770-773.

Research on Visual Simulation about GAM Intercepting Aerial Targets

WANG Hong1,WAN Xi gan2,YANG Jia hong2,ZHAO Yin jun1,LIU Chen1

(1 Air Force Engineering University, Xi’an 710054, China;2 Military Representative Office in No.804 Institute of Shanghai Aerospace Bureau, Shanghai 201109, China)

For effectively judging damaging effect of ground to air missile on aerial targets, visualization of, inteception was put forward. According to some related investigation results, by studying models and simulation methods of SAM warhead fragments damaging, shock wave damaging and fuse-warhead coordination, based on models of aerial targets and SAM, some certain visualized simulation system of some type of SAM intercepting some type of fighter was designed, the effect was visual and vivid. The result plays an important role in SAM experiment and battle simulation.

ground-to-air missile; damage simulation; fuze-warhead coordination; visual simulation

2015-06-08

王宏(1976-),男,内蒙古乌盟人,讲师,博士,研究方向:装备作战使用与保障。

TJ761

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