某型迫击炮射无人机应用研究

袁新波，江多琨，周前进，郑大成，汪 丽

(国营990厂，合肥 230601)

根据现代信息化战争的发展趋势，无人机的应用越来越频繁，其机动灵活、作战能力强、结构简单实用、技术成熟度高，已经逐步成为信息化战争的一个重要分支，好多国家正在大力拓展无人机应用平台[1-2]。巡飞弹是在无人机基础上产生的一类新型弹药，这类弹药与无人机相比，具有能快速进入作战区域、突击能力强、战术使用灵活等优点[3]。迫击炮结构简单、操作维护方便、机动灵活，适用在各种地形、地貌条件下进行作战。在迫击炮平台上研究无人机的应用具有重要的理论意义和工程价值[4]。

1 国内外炮射无人机发展情况

炮射无人机是为满足未来战争需求而出现的一种新型无人驾驶飞行器，由各类火炮、火箭炮等身管武器发射，能在目标区上方执行侦察与毁伤评估、精确打击、通信中继、目标指示等各种作战任务[5]。炮射无人机是无人机技术和弹药技术有机结合的产物，本质上是一种炮射巡飞弹。美国、俄罗斯、英国等国家相继研发了多种炮射无人机[6-7]如图1～图3所示。我国在炮射无人机方面，研究了一款新生代超级武器WS-43巡飞弹系统如图4所示，能够适应于多种战斗场面和战斗需求。

2 某型迫击炮射无人机系统方案设计

2.1 总体方案设计

某型迫击炮射无人机(以下称为：母弹)以传统迫击炮弹为基础，考虑低成本理念，通过内、外弹道的优化实现弹丸射程、散布等主要指标[8-9]；其主要由引信、头螺、弹体、巡飞子弹、开舱组件、发射装药、弹尾等组成。工作原理是：在发射前，装定弹药巡飞轨迹，由母弹携带巡飞子弹飞到一定距离，母弹通过开舱组件适时开舱抛出巡飞子弹，巡飞子弹上电工作，按照预先装定的巡飞轨迹飞行，飞控系统控制巡飞子弹对目标实施末端制导和攻击任务。

1) 母弹稳定性和散步特性设计

通常迫击炮弹在外弹道方面，需要有良好的飞行稳定性，一般迫击炮弹的弹飞行稳定性储备量设计在12%～20%左右[10]。如果对母弹末端不进行巡飞制导控制，弹丸落点会在长轴(纵向)约为200 m，短轴(横向)约为180 m的椭圆内，其落点散布特性可以满足巡飞子弹在飞行弹道末端进行制导控制[11-12]，实现对目标的精确打击。

2) 开舱方式及减速伞设计

目前迫击炮弹常用的开舱方式有前开舱、后开舱两种[13]，由于母弹在开舱时，巡飞子弹下落速度过大，控制系统无法对其进行控制，不利于巡航及制导，因而采用后开舱结构。后开舱结构可通过减速伞将巡飞子弹速度减至合适范围，然后启动动力装置，切除减速伞，完成弹机转换。根据降落伞的载荷重量、巡飞子弹开舱初速和下降落速，选择减速伞的结构尺寸和开舱抛洒高度等参数，设计采用了十字型减速伞，并按式(1)进行计算。其中，FD为拉力，ρ为空气密度，Cd为风阻系数，A为减速伞面积，v表示与空气相对速度。

(1)

3) 气动仿真分析

利用FLUENT软件对母弹进行气动仿真分析，仿真结果如图5、图6所示，通过仿真分析得到模型的阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数、静稳定系数等，母弹气动各项参数符合弹丸飞行弹道性能要求。

4) 结构强度仿真分析

利用ANSYS软件对弹丸进行结构强度仿真分析，仿真对象主要为弹舱、开舱组件、下弹体、推板等会受到较大过载的零件。仿真结果如图7～图10所示，通过仿真分析可知零部件设计满足强度要求。

2.2 巡飞子弹各分体设计

巡飞子弹的工作原理是当巡飞子弹药被抛出后，在距离目标地点大于500 m时，使用GPS实时采集自身位置，根据装定的目标位置，导引巡飞子弹朝向目标方向飞行；在距离小于500 m时，使用图像制导成像系统完成图像制导，引导巡飞子弹完成对目标的攻击。

1) 探测与制导系统设计

探测与制导系统采用图像与GPS复合制导。图像制导由图像采集、存储、处理、传输、识别、目标跟踪等模块组成；GPS制导由GPS接收和处理模块组成。

2) 飞控系统设计

巡飞子弹的控制系统由输入信息单元、检测单元、运算控制单元和执行单元组成。巡飞子弹控制系统结构图如图11所示。

飞行控制单元是巡飞子弹控制的核心，在导航系统探测到信息后，传输给飞行控制单元，飞控单元根据当前位置状态信息，规划航迹，并解算出理想姿态，然后，通过输出相应PWM控制脉冲调整舵机、电调等执行机构，在气动力等作用下，巡飞子弹药的姿态和飞行轨迹向理想状态调整，最终实现巡飞子弹药的作战任务。飞行控制单元的控制框图如图12所示。

3) 巡飞子弹结构和气动外形设计

根据巡飞子弹结构尺寸和气动性能指标要求，初步设计巡飞子弹结构如图13所示。巡飞子弹药从迫击炮弹开舱抛出后，在伞绳向上的牵引力及巡飞弹中段机翼折叠机构弹簧力的共同作用下，巡飞弹折叠主机翼及外段机翼首先展开，机尾也在伞绳牵引下实现翻转，机尾展开。然后位于机尾的折叠尾翼展开，从而完成巡飞子弹从折叠状态到展开状态的转变。

3 关键技术的分析与试验

1) 总体布局设计

母弹在总体布局设计上，优化内部结构，提供合适的空间装填巡飞子弹，在重量大小、质心位置要求方面提出巡飞子弹的设计边界条件；在气动外形上，结合巡飞子弹药开舱时的环境结合气动特性要求优化提高飞行稳定性，以满足开舱时对巡飞子弹的存速、姿态影响最小。巡飞子弹在设计时考虑空间大小的约束，结合弹道末端的航迹路线和攻击特性对导航、飞控、动力、载荷匹配方面进行统筹规划分析和设计，提出设计参数，进行接口和空间的匹配；同时考虑到子弹和飞机转换过程的气动特性，设计阻尼伞对无人机稳定起到辅助作用。

2) 抗过载技术

巡飞子弹的机身等材料为非金属，内部还有各种光学、电子器件，在整个弹道主要承受两个大的过载，一个是发射过载、一个是开舱抛撒过载。针对发射过载，采用能够承受力和传递过载的安装结构。在课题方案中，采用强度支撑筒及推板结构，在保证发射强度的同时，保证开舱效果。

3) 转折机构设计

巡飞子弹药从母弹弹舱抛出后，在伞绳向上的牵引力及巡飞弹中段机翼折叠机构弹簧力的共同作用下，逐步展开。在弹机转换的过程中涉及到可靠的转折机构，并且对转折机构的可靠性要求较高，在方案设计时应充分考虑，这需重点设计。

4) 轨迹预测技术

航迹规划是根据任务目标，规划满足约束条件的飞行轨迹。其目标是在适当的时间内计算出最优或次最优的飞行轨迹，一般包括无人机的初始位置选取、任务目标选择、飞行航迹确定，开始执行任务时间。轨迹预测技术则是融合了母弹在弹道末端的散布特性以及无人机的航迹规划任务等关键技术，制定飞行轨迹和巡航路线，这是一项关键技术。

5) 定向攻击技术

对于目标的攻击和毁伤是作战的最终目的，子弹药在结束航迹巡飞阶段后，转入基于图像信息的俯冲攻击控制阶段，控制飞行器完成对目标的碰撞。该阶段的飞行控制修正能力主要依靠图像跟踪系统给出的弹目相对角度关系以及子弹药自身气动外形的机动性保证。在子弹药进行俯冲攻击过程中，控制系统能够通过收敛制导率达到攻击精度的要求。当子弹药击中目标后，引信以触发方式作用并引爆战斗部，实现对目标的毁伤。

6) 试验验证

在制式火炮上，我们加工了一些样机来验证抗过载开舱的可靠性。用某型火炮发射并在预定高度开舱抛出子弹，以巡飞子弹的相同抛撒环境，对设计原理方案进行验证，考核伞、弹、引信的匹配性能，同时考核巡飞子弹的制导攻击及航迹规划性能。

在靶场先后进行了静态抛射试验及动态飞行试验。试验过程见图14、图15。

试验结果表明：静开舱可靠，分离完全，零部件强度满足设计要求；动态飞行试验时母弹开舱可靠，阻尼伞打开正常，巡飞子弹在导引和航迹飞行时，飞行稳定，并在模拟攻击时落速、落角均满足设计要求。

4 结论

综上所述，将无人机应用到迫击炮平台是一种创新和尝试，也是一种技术应用的研究和拓展，可提高武器综合作战能力。本文提出无人机母弹的总体设计方案，并对母弹的总体结构布局、气动外形、开舱方式、减速伞及方案的可行性进行了初步设计与分析。根据母弹的基本结构参数，提出巡飞子弹的初步设计思路，对方案中的关键技术进行剖析和研究，为迫击炮射无人机工程技术研究提供了借鉴方法。炮射无人机的工程应用，将为应用单位带来可观效益，也可提高我国无人机平台的综合作战效能。

[1] 强岁红.无人机发展的启示[J].飞机工程,2007(3):5-8.

[2] 王文雅.各国无人机状况简介[J].信息广角,2006(2):53-56.

[3] 周军,徐文.无人机的发展趋势和前景[J].飞航导弹,2003(7):32-40.

[4] 刘重阳.国外无人机技术的发展[J].舰船电子工程2010(1):19-23.

[5] 王靖基.低空无人机的航迹规划技术研究与实现[M].成都：电子科技大学出版社，2011.

[6] 宋怡然.国外典型巡飞弹发展动态与性能分析[J].飞航导弹,2013(2):19-23.

[7] 程锋,王华.巡飞弹最新发展概述及展望[J].硅谷，2011(1):1-2.

[8] 韩子鹏.弹箭外弹道学[M].北京：北京理工大学出版社，2008:321-336.

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[10] 何勇.弹丸设计基础[M].南京:南京理工大学出版社1992:146-189.

[11] 王儒策,赵国志.弹丸终点效应[M].南京:南京理工大学出版社,1992:200-257.

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