二維彈道修正彈研究

趙 磊，杜忠華

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

二維彈道修正即是對縱向和橫向兩個方向均進(jìn)行修正，以修正橫向?yàn)橹?，通過改變俯仰力矩和偏航力矩來控制彈丸的飛向目標(biāo)；為了提高控制的準(zhǔn)確度和降低控制的復(fù)雜度，對旋轉(zhuǎn)彈丸進(jìn)行減旋，它適合與空射型和一切對方向散步有要求的炮彈。二維彈道修正彈的修正原理是：當(dāng)彈丸發(fā)射后，由彈載GPS或者雷達(dá)等探測手段獲取彈丸的飛行姿態(tài)、速度及位置信息，將此信息傳送入彈載處理器或者地面火控系統(tǒng)獲取真實(shí)彈道，并與事先裝定的理想彈道進(jìn)行比較，再根據(jù)彈道偏差，解算出修正量，控制系統(tǒng)再控制彈上修正機(jī)構(gòu)根據(jù)修正量的大小和方向進(jìn)行有限次的、不連續(xù)的動作，從而實(shí)現(xiàn)對彈丸在縱向和橫向上的修正，從而修正了由于各種原因而造成的飛行彈道的誤差，使彈丸的密集度得到了較大的提高［1-3］。

1 修正彈系統(tǒng)組成

二維彈道修正彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要分為地面發(fā)射部分和彈載部分。地面發(fā)射部分可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)激活和目標(biāo)信息裝定的功能；彈載部分可分為測量系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)彈丸彈道諸元的實(shí)時測量、測量數(shù)據(jù)接收及存儲、彈道解算、控制指令發(fā)送和執(zhí)行機(jī)構(gòu)作動的功能，根據(jù)系統(tǒng)功能又分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分和控制系統(tǒng)部分。

2 幾種常見的二維彈道修正方式

二維彈道修正包括橫向修正（即方向修正）和縱向修正（即射程修正）。相對于一維彈道修正，二維彈道修正要復(fù)雜得多，比如彈道的穩(wěn)定性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化等都是二維彈道修正技術(shù)中的關(guān)鍵問題。目前，實(shí)現(xiàn)二維彈道修正主要有以下幾種方式：

（1）增阻型阻力環(huán)和增阻尼型阻尼片組合：在飛行過程中，增阻型阻力環(huán)在適當(dāng)位置打開，增大了炮彈的阻尼系數(shù)，從而減小了彈箭的射程，實(shí)現(xiàn)了射程方向的修正。從外彈道理論［4，5］可知，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定炮彈在飛行過程中會產(chǎn)生一種彈道側(cè)向的系統(tǒng)偏差，又稱偏流，而炮彈的旋轉(zhuǎn)速度的變化又會直接影響偏流的大小，增阻尼型阻尼片和阻尼環(huán)一樣，可以在適當(dāng)位置打開，通過調(diào)節(jié)炮彈的極阻尼力矩來改變炮彈的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)炮彈的偏流，實(shí)現(xiàn)方向修正。組合式二維彈道修正結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 二維彈道修正彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（2）使用脈沖發(fā)動機(jī)進(jìn)行彈道修正：在指定的飛行位置點(diǎn)燃安裝在炮彈中的脈沖發(fā)動機(jī)，通過脈沖發(fā)動機(jī)噴射出的高速氣流來改變炮彈的飛行速度和方向，實(shí)現(xiàn)射程和方向的修正。

（3）采用空氣動力鴨舵機(jī)構(gòu)：通過控制系統(tǒng)控制舵片在適當(dāng)位置展開適當(dāng)?shù)慕嵌?，改變炮彈的升力，達(dá)到射程修正和方向修正的功能。這種修正方式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且微型化問題是關(guān)鍵。最具有代表性的是美國的制導(dǎo)一體化引信（Guidance Integrated Fuzing，GIF）技術(shù)。

圖2 組合式二維彈道修正結(jié)構(gòu)示意圖

（4）阻尼環(huán)和橫向脈沖組合：阻尼環(huán)在飛行過程中適時地展開，增大了炮彈飛行受到的阻力，達(dá)到了射程修正的目的；飛行過程中通過脈沖發(fā)動機(jī)給炮彈一個橫向的脈沖力，產(chǎn)生一個橫向速度，實(shí)現(xiàn)了方向修正的功能。

后3種只適用于低速旋轉(zhuǎn)或者不旋轉(zhuǎn)的炮彈，因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)的炮彈上控制過程十分復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。在彈道修正技術(shù)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的一部分。

3 脈沖修正的基本原理及其影響因素

3.1 脈沖修正的基本原理

脈沖彈道修正方式，主要是通過在原普通炮彈彈體的質(zhì)心位置或者質(zhì)心附近位置周向均勻安裝若干個小型的脈沖發(fā)動機(jī)，在指定時間由脈沖發(fā)動機(jī)噴射出燃?xì)饬?，噴流的反作用力對炮彈產(chǎn)生控制力或控制力矩，從而改變炮彈的彈道傾角、飛行速度以及偏角，達(dá)到快速彈道修正的目的。而根據(jù)安裝的位置不同，脈沖發(fā)動機(jī)又分為力操作方式和力矩操作方式。脈沖發(fā)動機(jī)安裝在質(zhì)心位置的屬于力操作方式；而安裝在質(zhì)心附近位置的，除了會有一個控制力外，還會產(chǎn)生一個控制力矩。該修正方式具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是常規(guī)彈藥智能化改造的常用體制。但是由于該控制方式是在很短的時間內(nèi)就改變了炮彈的飛行狀態(tài)，因此對精度的要求很高，在目前的技術(shù)水平下，還很難在高速旋轉(zhuǎn)的炮彈上實(shí)現(xiàn)該方式的修正。因此目前脈沖發(fā)動機(jī)主要應(yīng)用于尾翼穩(wěn)定或旋轉(zhuǎn)速度較低的末端修正彈［6］。

3.2 影響脈沖修正結(jié)果的因素

由于該彈道修正方式對精度要求很高，那么研究哪些因素會對彈道修正結(jié)果造成影響就顯得尤為重要。

首先，脈沖發(fā)動機(jī)本身的性能特性就是一個很重要的影響因素。脈沖發(fā)動機(jī)所提供的推力的誤差很明顯地會對彈道修正的結(jié)果造成直接的影響。在同等的作用時間下，推力不同，脈沖發(fā)動機(jī)對炮彈產(chǎn)生的沖量也就會有不同，而炮彈的質(zhì)量是一定的，這樣就會使得炮彈所獲得的橫向或者縱向的速度發(fā)生變化，隨著時間的積累，最后形成彈道修正方向和炮彈落點(diǎn)上的誤差。脈沖發(fā)動機(jī)所能提供的沖量越大，對彈道的修正能力就越強(qiáng)。再有就是脈沖發(fā)動機(jī)所提供的脈沖力的作用時間也會對修正能力造成影響，作用時間增長，脈沖力會有一部分相互抵消，使得脈沖力在修正方向上的合力變小，降低了彈道修正的能力。而且，由于作用時間的增加，脈沖修正的時間間隔也會隨之變大，從而導(dǎo)致接下來的脈沖作用時間發(fā)生延遲，而修正會在修正方向上產(chǎn)生積累效果，因此就會減弱脈沖彈道的修正能力。

脈沖修正時機(jī)的選取同樣也是十分關(guān)鍵的，修正時機(jī)不同，對彈道的修正效果也會不同。以一次脈沖修正為例，通過研究得出：在相同大小脈沖的作用下，修正時間越早，產(chǎn)生的修正距離也越大，即修正能力越強(qiáng)，最終的修正效果越差。這主要是因?yàn)榕趶椩陲w行過程中會受到很多不確定因素的干擾，而如果修正時間過早，在接下來的飛行中，這些不確定的擾動又會造成炮彈飛行軌跡的偏離，越晚進(jìn)行修正反而會得到越好的修正效果。因此，脈沖修正時機(jī)就需要根據(jù)工程實(shí)際來合理地進(jìn)行選擇。

脈沖發(fā)動機(jī)的布置包括脈沖發(fā)動機(jī)的數(shù)量及其布置位置和方式，都會對最終的修正結(jié)果造成不小的影響。從數(shù)量上來說，對于相同參數(shù)的脈沖發(fā)動機(jī)，數(shù)量越多，其修正效果必然越好。不過已有彈體的內(nèi)部空間是一定的，因此不可能無限制地通過增加脈沖發(fā)動機(jī)的數(shù)量來改善修正效果，這是不現(xiàn)實(shí)的。目前是通過將脈沖發(fā)動機(jī)的數(shù)量和每一個脈沖發(fā)動機(jī)參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，來達(dá)到改善修正效果的目的。而脈沖發(fā)動機(jī)的安裝位置不同，它對彈體的作用方式也是不同的。安裝在質(zhì)心位置時，為力控制方式；安裝在質(zhì)心前后一段距離的位置時，為力控制方式和力矩控制方式的綜合。前者相比于后者的優(yōu)勢在于炮彈的飛行穩(wěn)定性更好，但是修正能力卻不如后者強(qiáng)。

此外，炮彈的旋轉(zhuǎn)角速度、探測器的角度測量以及彈道風(fēng)等等均會對脈沖修正的最終結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。

4 結(jié)束語

一維彈道修正技術(shù)作為彈道修正技術(shù)發(fā)展的初始階段，是當(dāng)前彈道修正技術(shù)的主流，其技術(shù)相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且國外的技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟。而二維彈道修正彈目前正處于研制發(fā)展階段，有的國家在二維彈道修正技術(shù)上已經(jīng)取得了一些研究成果。由于國內(nèi)對彈道修正技術(shù)的研究比較晚，開始于20世紀(jì)90年代，因此很多方面和國際領(lǐng)先水平還有著很大的差距。21世紀(jì)以來，我國國內(nèi)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)、空氣動力特性、彈道測量、一維彈道信息解算等方面都取得了顯著的成果，但是二維彈道修正技術(shù)的研究尚處于起步階段，還有很多工作需要做?？傊?，二維彈道修正技術(shù)是常規(guī)彈藥發(fā)展的主要方向，目前其正朝著射程更遠(yuǎn)、精度更高的方向發(fā)展。

［1］高敏，張強(qiáng).彈道修正彈實(shí)際彈道探測技術(shù)綜述［J］.彈道學(xué)報(bào)，2003（1）：91-96.

［2］趙金強(qiáng)，龍飛，孫航.彈道修正彈綜述［J］.制導(dǎo)與引信，2005，26（4）：16-19.

［3］趙捍東.脈沖發(fā)動機(jī)提供控制力的火箭彈彈道修正理論及技術(shù)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2008：1-2.

［4］徐明友.火箭外彈道學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［5］韓子鵬.彈箭外彈道學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

［6］楊慧娟，霍鵬飛，黃錚.彈道修正彈修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)綜述［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011，32（1）：7-9.