滑翔式空中靶标总体设计与弹道仿真

丁力军，张 俊，辛庆伟

（1.92493部队，辽宁葫芦岛125000；2.中国航天科技集团第九研究院，北京100094；3.海军航空工程学院接改装训练大队，山东烟台264001）

滑翔式空中靶标总体设计与弹道仿真

丁力军1，张 俊2，辛庆伟3

（1.92493部队，辽宁葫芦岛125000；2.中国航天科技集团第九研究院，北京100094；3.海军航空工程学院接改装训练大队，山东烟台264001）

空中靶标作为一种消耗性的无人飞行器，在防空反导武器系统试验训练中具有不可或缺的重要作用，须统筹考虑其逼真性和经济性。为此，提出了滑翔式空中靶标系统发展思路与工作原理，设计了滑翔式空靶总体方案，并利用Datcom和Matlab对其滑翔供靶弹道进行了仿真分析。仿真计算表明，弹道性能满足亚音速俯冲类目标模拟供靶要求，系统具有高性能、低成本、使用安全等显著特点。

滑翔式空靶；总体设计；弹道分析

在防空反导武器系统试验和训练中，靶标模拟空中威胁目标的逼真程度直接关系到试验训练结果的可信度，关系到试验质量和训练效果[1-2]。随着防空反导武器命中精度与毁伤能力不断提高，靶标的消耗性日益突出，供靶费用急剧增长[3-4]。因此，空靶创新发展面临着性能的先进性和成本的经济性之间的突出矛盾，只有二者之间统筹考虑、科学权衡，才能更好地满足靶标作为一种消耗性无人飞行器的要求，适合于规模生产、广泛使用，更好地满足防空反导武器系统试训供靶需求[5-6]。

基于喷气动力的各类高端空靶（靶机、靶弹）速度和机动性等综合性能突出，但由于发动机价格不菲，使其相对高昂的成本在很大程度上限制了其研制生产规模以及使用的数量和场合[7]。

现代航空拖靶系统以拖曳飞行取代发动机推进，显著提高了供靶的经济性，但其供靶速度受限且难以机动飞行，且为兼顾母机安全，也使其在构建逼真复杂的供靶方案和多样化的试验想定方面具有较大的局限性[8]。

为此，提出了滑翔式空中靶标发展思路、设计了总体方案，并对其滑翔供靶弹道进行了仿真分析。仿真计算表明，其供靶弹道性能满足亚音速俯冲类目标模拟要求，方案可行，具有高性能、低成本、使用安全方便等显著特点。

1 系统发展思路与工作原理

1.1 系统发展思路与组成

滑翔式空中靶标系统由拖曳母机、航空绞车、拖缆、滑翔式靶标及任务载荷等组成，任务载荷主要包括雷达/红外增强设备、曳光和拉烟设备以及射击记录设备等。

为最大限度减少研发成本、避免重复建设，除滑翔式空中靶标本身外，其余装备均与现用航空拖靶系统兼容。

因此，主要创新性研究工作是拟制滑翔式供靶模式，重点是依据滑翔式供靶特点和要求对滑翔式空靶进行总体设计，并对其滑翔供靶弹道进行仿真分析，以验证技术可行性和方案的合理性。

1.2 工作原理与供靶模式

滑翔式空靶由拖曳母机利用航空绞车挂载拖带，飞向靶场试训航区；由绞车释放拖缆和靶标至若干长度，使靶标避开母机扰流区，并拖曳飞行供靶，供防空反导武器系统合练、探测和校飞；在武器系统备便后，由载机挂载飞行至预定投放空域，在满足规定的飞行位置、高度、速度和航向条件下，通过指令，启动靶标上的松缆器，与拖缆脱离，靶标在导航控制系统控制下按照预定弹道滑翔飞行供靶，拖曳母机则反向飞离供靶区，武器系统进行实弹拦截射击。期间，拖曳母机或舰面供靶人员能够对其进行监控，接收记录其飞行状态和中靶数据供事后分析；如需要，可进行必要的控制。如靶标未被击毁，可以通过人工指令或预编程方式，启动降落伞，终止靶标飞行并回收。图1为滑翔式空靶典型供靶模式示意图。

2 滑翔式空靶总体设计

2.1 结构组成

滑翔式空靶主要由圆柱形弹体及头锥和尾锥、平直弹翼、控制舵面及各舱室组成。各舱室内部安装有惯性测量单元、飞控计算机、拖缆锁紧与释放机构、配供电设备、遥控遥测设备、GPS接受单元、舵机构等，其结构组成如图2所示。弹体的前部预留一定空间，用于安装配重，根据全弹稳定性指标要求调整全弹质心位置。弹体尾部外形按照气动减阻要求设计成锥形收缩段，收缩段内安装回收降落伞系统。采用高精度、低成本的GPS/INS组合导航方法，实现滑翔式空靶按预置弹道供靶飞行。

2.2 气动布局

作为无动力滑翔式飞行器，为了获得尽量远的滑翔飞行距离和较长的飞行时间，以在飞行过程中保持最大升阻比（Kmax）状态为最佳；同时综合考虑到与航空绞车的挂载连接等因素，该滑翔式空靶采用了大展弦比平直下单翼加“×”型控制舵面的气动布局。4片“×”形布局的全动舵面作为控制执行机构，每个舵面由一个电动舵机驱动，由飞控计算机产生的舵偏指令，经舵控驱动器放大后驱动电动舵机，电动舵机带动舵面偏转，实现靶弹的飞行控制。滑翔式靶标气动布局示意图如图3所示。

3 滑翔供靶弹道仿真分析

3.1 滑翔供靶主要指标要求

滑翔式空靶模拟的亚音速俯冲攻击类目标是一类特殊目标。根据典型作战对象性能分析和国外同类靶标发展经验[9]，为给武器系统提供有效捕获、跟踪和射击拦截试训用靶，其主要战术技术指标要求为：最大飞行高度12km，最大飞行速度0.8 Ma，滑翔飞行距离≥60km，滑翔飞行时间≥300 s，有效供靶时间大于≥60 s，供靶速度145～235 m/s，供靶弹道采用定速（空速）俯冲滑翔。

3.2 弹道仿真分析

弹道计算所需气动数据利用Missile Datcom计算获得。美国空军开发的Missile Datcom软件可在大范围内快速估算一系列导弹的气动数据。Missile Datcom软件适用于以下外形的导弹类飞行器[10-11]：

1）轴对称的或椭圆形截面的弹身；

2）沿弹身从头锥到尾部有1～4组气动力面装置，每组气动力面装置可以由1～8个相同的面板组成，这些面板具有相同的纵向位置，每个气动力面可以独立的偏转，或以全动偏转或以平面后缘襟翼偏转。

依据图3所示，该空靶结构形状和气动布局，满足Datcom使用的结构要求。输入包括靶标机身、机翼和控制面几何参数以及需要估算气动数据的飞行条件即可。虽然Datcom程序计算结果与风洞试验数据相比有一定误差，但仍然具有较高可信度，且计算速度较快。在总体设计阶段，操稳分析和航迹预测等并不需要非常精确的气动数据，因而选用Datcom程序计算气动数据是合适的[12-13]。

作为一种滑翔式飞行器，影响其滑翔飞行供靶效果的主要指标是其升阻特性。为在总体设计阶段简捷地获取滑翔式空靶的主要飞行特性，通过合理假设，采用质点弹道分析方法，建立其在铅垂平面内的质心运动的三自由度模型[14-15]：

式（1）中：m为靶标质量；V为飞行速度；θ为弹道倾角；ε=0为控制方程；X和Y分别为靶标受到的阻力和升力。

式（2）中：α为飞行攻角；为来流的动压；S为参考面积。

靶标弹道的设计，即是对某一控制参数的设计，进而使靶标按照设计的参数飞行。在此，采用定速（空速）下滑控制进行弹道设计，则在控制系统理想工作和瞬时平衡假设下，考虑式（2），方程组（1）可变为：

式（3）中，V0为设定的投放速度。

在设定仿真初始条件时需要注意，要保证靶标实现定速飞行，弹道倾角应满足：

设定靶标投放高度为12km，按0.5 Ma、0.6 Ma、0.7 Ma、0.8 Ma4种投放速度条件，对最大升阻比Kmax分别为8、10、12下，基于Datcom获取的气动数据，利用Matlab及其集成仿真工具Simulink进行了质点弹道仿真分析[16]。仿真结果见表1。

从表1中可以看到，在相同投放速度条件下，升阻比越大，靶弹的飞行留空时间就越大，飞行距离也越远，这一结果符合气动规律。在相同的升阻比条件下，飞行速度越大，靶弹的飞行时间就越小，飞行距离也小，这是因为靶弹为无动力飞行方式，为了维持所需的飞行速度，靶弹必须降低高度，将所具有的势能转化成飞行动能，因此飞行速度要求越高，靶弹掉高就越快，飞行时间和飞行距离也就越短。

表1 不同空速和升阻比的仿真结果Tab.1 Results of simulation in different air velocity andKmax

采用定空速下滑弹道，在最大升阻比Kmax分别为8、10和12时，在不同飞行速度要求下，靶标的滑翔弹道轨迹分别如图4～6所示。

从上述空靶的弹道轨迹图还可以看到，飞行速度越高，其弹道就越陡峭。通过数据图表综合分析，明显可以看到，在该滑翔式空靶战术技术要求的145～235 m/s的速度区间内，只有在升阻比为8且飞行速度为206 m/s时，滑翔距离和时间略低于指标要求，其他情况均能很好满足供靶指标要求。考虑到工程计算存在一定误差且为今后进一步提升综合供靶能力留有空间，选择最大升阻比为10作为该滑翔式空靶的气动设计的基本要求。升阻比进一步提高，如为12，固然可以显著提高其滑翔飞行能力，但是综合考虑到过大升阻比布局带来的机靶分离安全性问题、翼身气流干扰问题、全靶气动弹性问题、靶体减阻设计问题以及其具有的较大斜吹滚转力矩带来的滚转稳定控制难度大的问题等，该空靶的最大升阻比也不宜过高。否则，会导致设计难度和空靶的综合成本产生不必的提升[17-18]。至于235 m/s的滑翔速度，既使最大升阻比提升到12，其滑翔时间才勉强接近指标要求；而在其他2种升阻比情况下，滑翔时间和距离都明显不满足指标要求。因此，不考虑进一步提高该空靶滑翔供靶速度；如需更高速度俯冲类靶标，宜选用其他有动力空靶完成。

4 结论

空中靶标是防空反导武器系统试验训练不可或缺的一种具有明显消耗性的航空装备。如何在靶标的逼真性和成本的经济性之间合理权衡，是空中靶标设计论证和发展应用中不可回避的重要问题。

本文针对航空拖靶系统性能的局限性和基于喷气动力空靶的高成本性，借鉴国外经验，提出了滑翔式空靶发展思路，进行了初步的总体设计，并对其滑翔供靶弹道进行了仿真计算。初步的仿真分析表明，设计思路正确，总体方案可行，靶标滑翔性能能够满足俯冲类靶标供靶要求；同时，仿真数据和结论也为滑翔式空靶后续的详细设计和建设使用提供了有价值的技术支撑。

本文对可在铅垂面内俯冲滑翔的基本型滑翔式靶标进行了初步的总体方案设计和滑翔弹道仿真计算。对可在三维空间内机动俯冲滑翔以及可实现准平飞的滑翔式空靶，将在后续工作中研究论证，以提高其综合供靶性能，拓展其应用范围。

滑翔式空靶可填补基于活塞式动力的小型低速靶机、有人机拖曳的航空拖靶和基于喷气动力的高亚音速空靶之间的亚音速供靶飞行包线空白，创新了空靶种类，对于进一步丰富空中靶标体系，控制供靶费用、提高综合供靶能力，更好地满足试验训练供靶需求，具有十分重要而现实的意义。

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System Design of a Glide Aerial Target and Trajectory Simulation

DING Lijun1,ZHANG Jun2,XIN Qingwei3
（1.The 92493rdUnit of PLA,Huludao Liaoning 125000,China; 2.The ninth academy of China Aerospace and Technology Corporation,Beijjing 100094,China; 3.Training Brigade of Equipment Acceptance and Modification,NAAU,Yantai Shandong 264001,China）

As a kind of expendable UAV,aerial target plays a very important role in the test and training of the air defense weapon systems，and its fidelity and affordability should be taken into account as a whole.Therefore,the development ap⁃proach and operation principle of a glide aerial target system were put forward,the system concept of the target was de⁃signed,and its glide flight trajectory was simulated and analyzed using Datcom and Matlab tools.The results of trajectory simulation indicated that the glide trajectory could meet the requirements of the subsonic diving target.The glide target possessed characteristics of high performance,low cost and operational safety.

glide aerial target;system design;trajectory analysis

V211

：A

1673-1522（2017）01-0161-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.01.011

2016-10-28；

：2017-01-09

丁力军（1970-），男，高工，硕士。