基于电磁发射弹药的制导与控制关键技术分析

赵婉瑜

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

0 引言

近年来，空袭主战化、打击精确化已成为未来高强度局部战争的主要发展趋势，传统火炮射程不远、精度不高以及耗弹量大的缺点逐渐暴露出来，不能适应现代战争的要求[1]。随着军事高新科技的发展，将制导与控制技术应用于常规制式弹药设计中，可使传统火炮这类间接瞄准杀伤武器具备远距离精确打击点目标的能力。鉴于该形势，把电磁炮这种利用电磁加速技术实现动能杀伤的新概念武器系统作为制导弹药的超高速发射平台，可使制导弹药在新形势信息化作战条件下遂行远程火力打击、对岸火力支援以及近程防空反导等多种作战任务，同时摆脱对发射药的依赖，有利于降低弹药成本，从而提高系统的效费比。

1 电磁炮制导弹药的发展必要性

1.1 战略转型需要

随着战争理念的进步与发展，打击精确化是立足于未来信息化战争中的基础。特别是在未来的非对称作战中，传统火炮发射的常规弹药已无法应对防区外作战、发射后不管以及低附带损伤等新作战理念[2]，因此亟需进行技术改革以满足战略转型的需要。制导弹药具有精度高、反应速度快等特点，可以有效地解决由快速机动目标所带来的命中概率低的问题。

1.2 作战能力要求

传统火炮由于受到火药气体滞止声速的限制，炮口初速已达到化学能武器的极限[3]，电磁炮作为一种超高速发射的新概念武器，其利用电磁推进原理对射弹进行加速，其初速和射程可通过改变电流的强度及脉宽对其进行精确控制，具备发射初速高、打击射程远、毁伤能力强以及不易拦截的优势，可满足未来弹药远程化、精确化和高效能的作战能力要求。

1.3 技术发展趋势

电磁炮发射非制导弹药时，由于膛内滑动电接触情况复杂、膛口高速、高温以及高压拉弧的扰动，且随着射程的增加，会导致弹药的射向散布会越来越大。为适应远程精确打击的技术发展趋势，需要为电磁炮配备制导弹药，使其具有超高发射速度的同时，也具有较高的命中概率。只有加快精确制导弹药技术的发展，才能有效提高电磁炮的作战效能。

2 电磁炮制导弹药的发展现状

国内对于电磁炮制导弹药的研究还处于初期阶段，目前鲜有报道。而国外对于电磁炮制导弹药的研究起步较早，据报道，美国从2005年启动了对电磁轨道炮“海军创新样机（INP）”和“超高速弹药（HVP）”的研发，HPV是美国海军最初为未来电磁轨道炮研发的一种高性能舰炮弹药[4]，但后续发展成为兼由电磁轨道炮和传统火炮发射的制导弹药，具有飞行速度快、可精确制导、造价成本低以及储存安全等特点，有效地提高了美国海军舰炮和陆军火炮的防空反导能力。

HPV项目主要由BEA系统公司和通用原子公司同时承担，已完成HVP关键部件设计、炮弹飞行模拟、毁伤效能评估以及制导电子器件研发等工作。据报道，HVP采用次口径通用化弹体，仅利用低阻外形就可以实现超高速远程飞行，并通过闭环火控指令制导+紧凑型GPS制导及姿态控制系统实现精确化打击。2017年，通用原子公司已在美陆军犹他州达格威试验场利用“闪电（Blitzer）”电磁轨道炮成功发射了配装制导电子单元（GEU）的炮弹（如图1所示），发射过载高达30 000 g[5]。在该试验中，完成了对制导电子器件的技术测试，验证了超高速弹药的制导能力，提升了电磁炮发射制导弹药技术的成熟度。

图1 BAE系统公司研发的HVP模型和美陆军“Blitzer”电磁炮发射配装“GEU”炮弹

3 电磁发射弹药的制导与控制关键技术

对于电磁发射制导弹药来说，其核心是精确制导与控制系统，它的设计主要取决于对各种制导体制的对比分析、电磁炮对制导与控制系统的基本要求以及武器系统本身的限制条件等[6]。精确制导与控制是一种综合性很强的系统工程技术，其关键在于制导体制的选择、导引律的设计、惯性敏感与探测技术以及控制回路与方法。

3.1 制导体制的选择

制导体制的分析与选择是制导控制系统设计的关键和首要任务，在很大程度上决定着制导精度和武器性能[6]。选择何种制导体制，需要结合电磁炮的应用场景与作战任务，全面考虑和分析众多制约因素，包括拦截距离、制导精度、抗干扰能力、目标机动性、武器成本、可实现性及可靠性等，权衡利弊，才能做出最优选择。目前制导体制主要包括自主制导、遥控制导、寻的制导以及复合制导。

前三种单一制导方式各有优缺点（见表1），而应对环境复杂的现代战场，需要多种制导方式复合取长补短，以提高制导与控制系统的性能。复合制导已成为当代弹药制导技术的一个显著特点，按照组合方式的不同，可分为串联、并联及串并联3种复合制导。通常把制导弹药的整个飞行过程分为初制导、中制导和末制导3个阶段。采用串联复合制导时，其阶段性是很明显的，为了做到不丢失目标、信息连续、控制平稳、弹道平滑过渡以及丢失目标后的再截获，必须从设计上解决各制导段交班的特殊问题，使末制导导引头在进入末制导段时能有效截获目标。采用并联或串并联复合制导时，信息处理与融合技术占据突出的地位，必须利用最佳数据融合方法对多源信息进行协调优化处理，以获取准确、可靠的弹目信息。

表1 3种单一制导体制的简要对比

3.2 导引方法与导引律设计

为了提高弹药的制导精度，需要根据目标运动特性和弹药制导方式选取合理的导引规律，导引规律能确定制导弹药飞行的理想弹道。目前，导引规律主要可归纳为古典导引方法及其导引律、现代导引方法及其导引律。古典导引又分为以三点法和前置点法为代表的速度导引和以追踪法、平行接近法及比例导引法为代表的位置导引；而现代导引有变结构导引法、最优导引法、微分对策导引法以及自适应导引法等，它们都是以最优控制理论为基础推导出来的[7]。其中，比例导引法无论从对目标的响应能力来看，还是从制导精度来看，都具有明显的优点，且在工程上易于实现，在制导弹药中已得到广泛应用。为了适应现代高速机动目标，可利用最优控制理论对纯比例导引进行修正，提高该导引律的质量，以产生有效的修正比例导引。

滑模变结构导引律作为一种重要的非线性控制方法，具有结构简单、响应速度快、超调量小以及鲁棒性较强等优点。基于电磁发射弹药，在外弹道会经历从高空到低空、从高超声速到超声速的变化过程，弹药的飞行速度、高度等参数变化剧烈，制导弹药的运动方程也会呈现出强烈的多变量耦合和非线性，大气密度偏差大造成气动参数偏差大等特点，这些不确定性因素会给导引律的设计带来影响，因此需要对滑模变结构控制在不同控制逻辑的切换过程中容易引起系统的剧烈抖振开展进一步优化设计。

3.3 惯性敏感与探测技术

为了保证精确制导与控制，必须通过惯性感知和各种物理探测手段为整个制导与控制系统提供足够准确、可靠的载体和目标的位置、速度、姿态及它们之间的相对距离等重要信息。这些信息的获取取决于采用的制导方式，并由相应的惯性敏感和探测装置来确定。寻的制导一般用于弹药的飞行末端制导，以提高命中精度。寻的制导弹药为了具有较高的制导精度、较强的目标识别和抗干扰能力，其先决条件是获取更多更有用的信息。这些信息是由弹上导引头提供的，导引头是现代制导系统中最重要的探测部件，通常有雷达、红外、激光、电视和复合导引头，目前应用较多的是激光半主动导引头，其工作原理如图2所示。探测技术正朝着成像、凝视以及多波段复合探测的方向发展[7]。

图2 激光半主动导引头工作原理图

寻的制导技术由于探测器受各种条件的限制，其探测距离是有限的，需要在初、中制导段采用惯性导航、GPS修正和图像匹配等自主制导方式，而惯性导航的核心是惯性敏感器件，惯性敏感器件要求在承受极端特殊的弹载环境下，能够具备高精度测量、器件轻小型化等特点。目前，先进的捷联惯导已基本替代传统机械平台惯导，捷联惯导是将惯性敏感元件与弹体固连，采用“数学平台”实现陀螺稳定平台的功能，可直接测量弹体运动信息（如图3所示），具有体积小、质量轻、成本低以及可靠性高的特点，为了获得惯性系下的弹目相对运动信息与弹体视线角及其速率的关系，就需要选择合适的解耦算法对测量量进行坐标变换，从而给出准确的制导指令。

图3 捷联惯导组合工作原理图

3.4 控制回路与方法

制导与控制系统主要有2个回路（如图4所示），制导回路的主要任务是控制弹体的质心运动，保证弹药的命中精度；控制回路的主要任务是控制弹体的绕质心转动，保证弹药的飞行姿态稳定。从控制系统的组成元部件及回路分析可以看出，制导弹药控制系统存在多回路、三通道铰链、变参数、非线性和变结构等问题，对于这样复杂的控制系统，分析和设计工作显然相当麻烦。通常在初步分析设计时，先进行合理地简化，再对简化后的系统进行分析计算，当需要进一步分析设计时，还必须借助数字仿真和半实物仿真来完成相关工作。

图4 典型制导与控制回路

制导弹药飞行姿态的操纵是通过控制执行机构来实现的，要改变制导弹药的飞行姿态，就需要改变垂直于速度矢量的控制力，而控制力的改变是通过空气动力、推力矢量或直接力的大小和方向的改变来实现的。未来电磁炮在应对高速机动目标时，弹药仅依靠空气动力控制，其偏转角度和速度都是有限的，很难实现快速响应能力，系统控制精度下降，从而无法实现对目标的精确打击。利用空气动力/直接力的复合控制方法有望实现对高空、快速以及大机动目标的精确拦截，以提高弹药的敏捷控制。

4 电磁发射弹药的制导与控制瓶颈问题

4.1 抗高过载/强磁场技术

电磁发射武器与传统化学能武器相比，由于发射机理的改变，弹丸膛内发射环境更为复杂，表现为长时高过载和脉冲强磁场的耦合作用，其中发射过载高达30 000 g以上，峰值磁场达5 T以上（如图5所示），并且在弹药出膛瞬间，枢轨电流的快速转移，会导致弹药在膛口处磁场变化率极高。抗高过载/强磁场能力已成为制约制导器件应用于电磁发射弹药的一项重要考核指标[3，8]。这一方面使弹上磁场特性分析面临高速滑动电接触及高速电弧转移的发射组件磁场建模的难题；而弹上力学特性分析面临瞬时高动态发射组件内弹道动力学建模的难题；另一方面使得对弹丸的膛内发射的安全性设计尤其是弹载制导器件结构强度的设计面临巨大的挑战。

图5 弹药在膛内承受的过载以及磁场变化曲线

4.2 微系统技术

与传统精确制导武器相比，电磁炮口径较小且一般采用次口径弹药，对制导器件、导航器件、控制电路、执行机构、弹上电源及总体结构的设计有许多限制。为了在弹药尺寸缩小且加速过载提高的情况下确保各部件技术指标性能不下降，实现制导与控制微系统化是发展电磁炮制导弹药必须解决的一项关键技术[9]。随着MEMS器件工艺、微电子处理技术、制导控制一体化设计以及芯片级微系统技术的发展，使弹上制导电子设备的微型化成为可能，给电磁发射精确制导技术的发展提高了创新的动力。

5 结语

尽管现阶段电磁发射制导弹药仍存在不少问题，但随着复合制导技术、光电技术、微机电技术以及抗高过载等相关技术的不断成熟，制导弹药将凭借其命中精度高、反应时间短、附带损伤小以及作战效能高等优势成为未来战争中炮兵实现“防空反导、精确打击、高效毁伤”的首选弹药。利用电磁炮超高速发射制导弹药将对未来作战方式产生长远的影响，具有重要的军事、技术与经济意义。