复杂弹目交会毁伤元精准命中控制的理论与技术

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复杂弹目交会,是指弹药与目标相对运动轨迹和姿态的复合交会。在智能弹药迅猛发展的大背景下,配备能量利用率高、附带损伤小的小锥角指向性飞散战斗部的智能弹药,代表了未来弹药技术领域的发展趋势。本文以智能弹药的典型代表——配有多模EFP战斗部的巡飞弹为研究背景,将毁伤元命中精度受起爆时刻弹目相对位置和弹目交会姿态影响的问题,抽象为指向型战斗部与目标在复杂弹目交会条件下的毁伤元精准命中控制问题,并据此展开研究工作,旨在为复杂弹目交会条件下的毁伤元精准命中控制奠定理论和技术基础。主要研究内容如下:(1)针对指向型战斗部在复杂弹目交会条件下的毁伤元精准命中,需要弹目相对运动轨迹、弹体姿态和起爆时间三者有机配合的问题,本文首先分析导引、飞控与引战系统的工作时序关系,进而提出本文对导引、飞控与引战系统协调性的设计方法:以导弹飞行力学时标分离理论和引信制导一体化技术为基础,将飞控系统“分时复用”,在弹道末段飞控系统放弃对制导指令的跟踪,在不改变末弹道的情况下,将弹体姿态按照毁伤元精准命中的要求调整。该方法充分利用弹上信息,优化调度硬件资源,可在不需要额外增加部件的情况下提高毁伤元的命中精度。(2)分析弹上所能获取的弹目相对运动信息,建立弹体六自由度运动模型。根据目标易损部位尺寸,分析所允许的最大弹道横向偏差、弹体可用过载、弹体机动时间之间的相互关系,提出仅改变弹体姿态而不明显改变末弹道的弹体姿态控制时间区间,即“弹道末段弹体姿态控制时间窗口”。以最大可用过载为例,给出姿态控制时间窗口的计算方法,为前文飞控系统的“分时复用”提供理论支撑。(3)针对指向型战斗部的毁伤特点、安装角度及精准命中对弹目交会角度和最佳炸高的要求,采用虚拟目标的方法进行制导律设计。首先建立完整的三维弹目追逃模型。其次将导弹对真实目标的测量参数转化至瞄准点,设计瞄准点的初始位置及其运动规律。建立二次型性能指标,采用θ D方法对制导律进行求解,并通过滚动时域的方法提高制导律对机动目标的打击精度。最后以配有多模EFP战斗部的巡飞弹为应用背景,对制导律性能进行仿真。结果表明,该制导律制导精度高、弹目交会角度和炸高控制性能好,为毁伤元精准命中提供了较好的弹目轨迹交会条件。(4)针对指向型战斗部的毁伤特点以及复杂弹目交会特性,以毁伤轴作为主要研究对象,提出毁伤面的概念;从毁伤元对目标精准命中的角度,定义弹目交会姿态角;给出毁伤面内起爆时间计算方法;建立毁伤元精准命中的约束条件;定义弹药的起爆可行域;分析毁伤元命中点坐标对各参数的灵敏度;提出最优毁伤的目标函数;在此基础上对引信启动区的概念进行讨论;建立新的引战配合效率计算公式。解决弹目轨迹和姿态复合交会条件下,战斗部起爆时间、起爆所需弹体姿态、引战配合效率评价等问题,拓展引战配合的基本理论,为复杂弹目交会与精准起爆控制提供理论支撑。(5)针对弹体环节精确模型难以建立的特点,并结合基于毁伤元命中的弹体姿态控制所具有的已知常值输入、需要响应迅速的特性,将特征建模与最优控制理论相结合进行姿态控制系统设计。采用带有遗忘因子的递推最小二乘方法在线辨识弹体环节,建立弹体姿态运动的特征模型。在此基础上引入滚动时域方法,提出基于特征模型的弹体姿态滚动时域最优控制律,解决多变量、强耦合、多干扰条件下的弹道末段弹体姿态控制问题。(6)以某型巡飞弹为例,分析战斗部及制导/安全与解除保险/起爆控制一体化系统特性和目标特性。结合气动参数,分析舵偏角在各通道间的耦合作用。通过计算机仿真,验证特征模型的建模精度和弹体姿态控制性能。仿真结果表明,与现有的针对同型巡飞弹的控制方法相比,本文提出的控制方法具有响应速度快、抗干扰能力强等优点,能够满足弹体姿态控制要求。在此基础上,通过硬件在回路仿真实验,对弹体姿态控制算法进行进一步验证。最后,采用蒙特卡洛方法,对战斗部起爆时间与最佳起爆姿态算法以及弹体姿态控制律进行仿真。结果表明,本文提出的毁伤面内起爆时间计算方法和基于弹道末段弹体姿态控制的毁伤元飞散方向控制方法,能够大幅度提高战斗部毁伤元的命中精度。
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