一種導(dǎo)彈發(fā)射飛行試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

韓穎超，孟維曉，趙 琦，毛友澤，杜廣宇，李雪飛

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854）

0 引言

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是科學(xué)研究與工程應(yīng)用緊密結(jié)合的產(chǎn)物。在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制過(guò)程中，從論證、方案設(shè)計(jì)、初樣研制、試樣研制、定型鑒定、作戰(zhàn)試驗(yàn)等各環(huán)節(jié)，必須進(jìn)行一系列的系統(tǒng)試驗(yàn)。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)及其組成部分在真實(shí)飛行條件下所進(jìn)行的試驗(yàn)稱(chēng)為飛行試驗(yàn)，通過(guò)一系列的飛行試驗(yàn)，逐步考核各種階段下參試導(dǎo)彈及其對(duì)應(yīng)彈上組成設(shè)備、地面系統(tǒng)的功能、性能所達(dá)到的水平，不斷檢驗(yàn)和暴露存在的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)問(wèn)題。本文給出了研制性飛行試驗(yàn)中一種地面發(fā)射制導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)系統(tǒng)可以在地面支持導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)從加電、準(zhǔn)備、架上截獲目標(biāo)、導(dǎo)彈發(fā)射的閉合工作過(guò)程，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)主要組成及原理進(jìn)行了分析，討論了試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮的主要問(wèn)題，為地面發(fā)射制導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)提供了一種技術(shù)選擇。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

地面發(fā)射制導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)可充分利用多類(lèi)觀測(cè)手段（如試驗(yàn)靶場(chǎng)光測(cè)、雷測(cè)等），獲得受試導(dǎo)彈的外彈道數(shù)據(jù)、遭遇段數(shù)據(jù)以及炸點(diǎn)數(shù)據(jù)或脫靶數(shù)據(jù)；給出導(dǎo)彈離軌速度、加速度、分離后姿態(tài)、飛行速度等飛行參數(shù)；考核導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能、導(dǎo)彈系統(tǒng)穩(wěn)定控制回路性能、過(guò)載輸出能力和彈體承受過(guò)載能力等；驗(yàn)證導(dǎo)彈飛行工作時(shí)序、末制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)真實(shí)目標(biāo)的截獲、跟蹤能力。若需可搭載對(duì)引戰(zhàn)配合性能和戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)毀傷效果進(jìn)行摸底。通過(guò)該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行地面發(fā)射飛行試驗(yàn)，可考核的導(dǎo)彈性能參數(shù)全面，效費(fèi)比高，但所需的試驗(yàn)系統(tǒng)亦十分復(fù)雜，涉及到多技術(shù)專(zhuān)業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要組成及功能如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要組成

系統(tǒng)組成原理框圖如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成原理框圖

目標(biāo)信息通過(guò)空饋，由靶機(jī)在天上發(fā)送至地面的靶機(jī)遙控裝置，靶機(jī)遙控裝置接收數(shù)據(jù)后完成基本效驗(yàn)，發(fā)送給顯控設(shè)備，顯控設(shè)備對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組包、濾波、異常值剔除后，對(duì)必要的關(guān)鍵信息量進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程指揮控制，將導(dǎo)彈發(fā)射所需數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)射控制系統(tǒng)。由發(fā)射控制系統(tǒng)完成向?qū)梾?shù)裝訂、發(fā)送控制指令，執(zhí)行導(dǎo)彈供電管理等。遙測(cè)設(shè)備接收導(dǎo)彈輻射的遙測(cè)信號(hào)。

2 試驗(yàn)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)控系統(tǒng)通過(guò)1553B 數(shù)據(jù)總線與導(dǎo)彈進(jìn)行信息交互，主要組成包括發(fā)控綜合電源、發(fā)控執(zhí)行組合、顯示組合和顯示計(jì)算機(jī)等。原理圖如圖2 所示。

圖2 發(fā)控原理圖

1）功能

向?qū)棸l(fā)送目標(biāo)指示信息、射前裝訂參數(shù)；接收導(dǎo)彈回傳的設(shè)備狀態(tài)和目標(biāo)跟蹤信息；向地面發(fā)射裝置發(fā)送控制命令；接收地面裝置發(fā)送的設(shè)備狀態(tài)信息；接收顯控設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)信息；顯示導(dǎo)彈在位、發(fā)控設(shè)備狀態(tài)燈關(guān)鍵信息；具有設(shè)備自檢功能。

2）參數(shù)設(shè)置

通過(guò)界面設(shè)置參數(shù)并上傳至彈上，包括：

①發(fā)射裝置方位角（相對(duì)正北）；

②發(fā)射點(diǎn)經(jīng)度；

③發(fā)射點(diǎn)緯度；

④發(fā)射點(diǎn)高度信息。

3）控制設(shè)計(jì)

對(duì)導(dǎo)彈的控制包括：導(dǎo)彈加電（加電/斷電）；導(dǎo)彈準(zhǔn)備（啟動(dòng)準(zhǔn)備/撤銷(xiāo)準(zhǔn)備）；啟動(dòng)截獲；導(dǎo)彈發(fā)射。

對(duì)發(fā)射裝置的控制包括：脫落插頭分離；發(fā)控設(shè)備自檢等。

2.2 顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)顯控界面如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 顯控界面設(shè)計(jì)

2）工作時(shí)序

顯控主要完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。顯控設(shè)備周期性單向接收靶機(jī)遙測(cè)設(shè)備、遙測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，與發(fā)控設(shè)備之間以應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并主動(dòng)向發(fā)控設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。顯控系統(tǒng)通訊時(shí)序如圖4 所示。

圖4 顯控通訊時(shí)序

其中，a）靶機(jī)遙控裝置向顯控設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送周期約100 ms；b）遙測(cè)設(shè)備向顯控設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送周期約500 ms；c）發(fā)控設(shè)備與顯控設(shè)備的數(shù)據(jù)交互由顯控設(shè)備控制；d）顯控設(shè)備向數(shù)據(jù)記錄裝置發(fā)送靶機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)記錄報(bào)文。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)閉合分析

3.1 截獲距離

1）通視性分析

導(dǎo)彈發(fā)射前架上截獲目標(biāo)，需考慮地球曲率對(duì)導(dǎo)彈通視性所帶來(lái)的影響。導(dǎo)引頭直視距離R：

其中，a為考慮典型大氣折射時(shí)的等效地球半徑；h為導(dǎo)彈架設(shè)高度；h為目標(biāo)飛行高度。若選擇發(fā)射架固定導(dǎo)彈高度3 m，目標(biāo)登高平飛高度3 km，則導(dǎo)引頭直視距離可達(dá)200 km 以上，導(dǎo)彈與目標(biāo)之間無(wú)遮擋，則滿(mǎn)足試驗(yàn)需求。

2）截獲距離分析

導(dǎo)彈架上截獲過(guò)程中，需對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲和持續(xù)跟蹤，為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)引頭在規(guī)定距離段對(duì)目標(biāo)的架上截獲，需要對(duì)靶試目標(biāo)RCS 進(jìn)行改造，靶標(biāo)裝載特種設(shè)備，尤伯透鏡是一種常見(jiàn)的增大靶標(biāo)雷達(dá)反射面積的回波增強(qiáng)器。

圖5 截獲角度與供靶斜距關(guān)系

若彈上采用凝視截獲方式，則應(yīng)考慮導(dǎo)引頭波束寬度與彈目視線夾角的匹配關(guān)系，同時(shí)需考慮導(dǎo)引頭持續(xù)輻射工作時(shí)間與彈上能源工作時(shí)間的限制，以及發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)段工作時(shí)導(dǎo)彈進(jìn)入末制導(dǎo)階段所帶來(lái)的影響等，合理設(shè)定截獲距離。

3.2 精度分析

目標(biāo)引導(dǎo)信息與導(dǎo)彈信息交互精度鏈如圖6所示。

圖6 精度鏈傳遞示意

其中，①處目標(biāo)放靶誤差折合時(shí)間延遲取t；②處數(shù)據(jù)更新周期t；③處數(shù)據(jù)更新周期t；④、⑤采用網(wǎng)絡(luò)傳輸，中斷方式讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)本身傳輸和處理延時(shí)可忽略；⑥、⑦采用發(fā)控與導(dǎo)彈的總線傳輸，數(shù)據(jù)傳輸周期t；總的延時(shí)t=t+t+t+t。則單方向角度引導(dǎo)指示誤差θ：

其中，發(fā)射系統(tǒng)與導(dǎo)彈初始對(duì)準(zhǔn)誤差取θ；導(dǎo)彈裝配經(jīng)度傳遞誤差取θ；天線罩折射誤差取θ；導(dǎo)引頭角度預(yù)定誤差等其他彈上精度鏈傳遞誤差取θ，則角度交班總誤差θ：

該角度誤差有可能對(duì)系統(tǒng)閉合產(chǎn)生較大影響，因此，在建立試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)需重點(diǎn)考慮。

4 結(jié)論

本文從武器系統(tǒng)角度設(shè)計(jì)了一種地面發(fā)射制導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)利用地面雷達(dá)引導(dǎo)相比，具有組織相對(duì)簡(jiǎn)單、試驗(yàn)周期短、經(jīng)費(fèi)消耗少、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)。文中給出了系統(tǒng)的組成及原理，分析了系統(tǒng)閉合所需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，為地面發(fā)射制導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)提供一種技術(shù)選擇。