機載武器發射系統仿真試驗研究

余 馳，李建仁，張鋼峰，巫佩軍，2

(1.中航工業慶安集團有限公司 航空設備研究所，西安 710077；2.清華大學 信息科學技術學院自動化系， 北京 100084)

【基礎理論與應用研究】

機載武器發射系統仿真試驗研究

余 馳1，李建仁1，張鋼峰1，巫佩軍1，2

(1.中航工業慶安集團有限公司 航空設備研究所，西安 710077；2.清華大學 信息科學技術學院自動化系， 北京 100084)

機載武器發射系統是機載武器系統的核心組成部分，是戰機和武器之間的紐帶和橋梁；分析機載武器發射系統仿真試驗現狀，對機載武器發射系統仿真試驗的架構、原理、模型組成、試驗和驗證進行了研究；提出了機載武器發射系統仿真試驗的基本構型、應用意義和發展趨勢，將促進機載武器發射系統的仿真試驗的研究和裝備應用。

機載武器系統；機載武器；機載武器發射系統；數字仿真；仿真試驗

機載武器系統又稱航空武器系統，是軍用航空器上的武器以及相關裝置等組成的軟、硬件綜合系統。具體組成包括航空火力控制系統、航空武器和機載武器發射系統。機載武器發射系統是戰機和武器之間的紐帶和橋梁[1]，按照機載武器發射的特點可以分為機載武器懸掛發射系統和機載武器隨動發射系統。現在戰機上常用的機載懸掛武器發射系統有掛架、掛梁、導彈發射裝置、火箭發射裝置等；機載武器隨動發射系統有槍炮吊艙、槍炮轉塔、新概念武器轉塔系統等。

機載武器發射系統主要是通過對武器系統的懸掛、運載、投放、發射、隨動、跟蹤、瞄準和攻擊來完成戰機對被攻擊目標的有效防御和主動精確攻擊，實現既定的作戰任務。而在機載武器發射系統的研發過程中需要通過不同的措施對機載武器系統進行功能和性能的仿真、分析、測試和驗證，以保障機載武器發射系統能夠安全、高效、可靠的完成武器發射和命中目標。

仿真試驗應用數學模型的建立、仿真算法優化分析、全系統動態實時仿真與測試，在全數字仿真環境下對機載武器發射系統在作戰全過程的系統規劃與頂層設計、操作使用、邏輯流程、管理控制等進行仿真試驗和研究驗證。通過仿真試驗和分析能夠快速便捷的獲得大量的仿真試驗和分析數據，輔助機載武器發射系統的設計與研發。歐美等發達國家在軍用武器裝備體系和研發中，充分的將仿真試驗應用在武器裝備的研制、模擬試驗和測試、試驗鑒定和模擬作戰訓練中[2]。國內的仿真試驗研究在上世紀六七十年代主要用于航空航天控制、導航，并開始半實物仿真(硬件在環仿真)、各種訓練模擬器；上世紀八九十年代主要是可視化、虛擬化、交互分布式仿真試驗研究；到本世紀主要是應用于復雜系統的仿真試驗研究、綜合仿真試驗環境和平臺的建設與應用[3]。逐漸的形成了由任務需求分析、總體設計分析、仿真試驗、部件/子系統實物驗證與試驗、系統綜合試驗與驗證、模擬作戰應用試驗的研發和武器裝備應用流程體系。

1 機載武器發射系統仿真試驗現狀

仿真試驗在國內較早的應用在飛行控制系統、導航控制系統、舵機加載半實物仿真試驗、電/液負載模擬器等。1975年我國開始研制第一臺殲擊機任務飛行模擬器，于1983年完成研制和通過鑒定、交付和使用[3]。隨著計算機技術、仿真技術、機載武器發射技術的發展和進步，機載武器發射系統需要綜合的考慮復雜的作戰自然環境、電磁與通訊環境、控制和指揮環境、武器發射與作戰應用機械環境等因素。需要建立與機載武器發射系統仿真相適應的仿真試驗平臺和系統研究平臺。1999年我國研發了計算機生成兵力系統AST-CGF，2001年后我國成功研制了一些武器平臺仿真系統，用于武器系統的性能和作戰效能的評估與研究[3]。這些仿真試驗平臺和系統關鍵技術驗證平臺由武器系統綜合建模、綜合自然環境建模、作戰指揮建模、決策行為建模、模擬應用狀態的機械加載、振動和沖擊等建模組成，能夠應用于系統仿真試驗與研究和軍事模擬訓練。

在機載武器系統的仿真試驗研究中，文獻[4,5]根據航電火控系統的組成、功能，開發動態仿真試驗與分析，進行航電火控系統研究。文獻[6-8]針對武器外掛管理系統、武器模擬器及其運用等進行系統構型、系統接口交聯、全數字仿真建模和仿真試驗分析。文獻[9-14]以武器系統作戰攻擊目標、作戰對抗和數據采集處理為研究對象，進行了武器系統的建模與仿真試驗研究。文獻[15、16]對武器裝備的外場靶試、動態精度試驗和環境干擾試驗等進行了仿真試驗研究和發展應用分析，以減少武器裝備實物試驗帶來的飛行、外場航行等的次數、人力與物力的費用。文獻[17-19]對機載武器發射系統的發射動力學、系統內部供排彈彈鏈動力學、后坐力與射擊精度進行了建模與試驗分析。文獻[20-22]對機載武器發射系統的彈射動力學、彈射作動、啟動彈射等進行了建模和仿真試驗分析。

大量的研究文獻和資料對機載武器系統的火控系統、武器系統、機載武器發射系統的發射和動力學等特性進行仿真試驗。而對機載武器發射系統的動態全過程仿真試驗，與機載火控和武器組成的大系統仿真試驗研究較少。機載武器發射系統的發射和控制全過程仿真，及其與機載火控和武器組成的大系統仿真試驗，是可靠保障機載武器與戰機之間信息交聯、發射控制、精確發射攻擊目標的重要環節，其功能與性能的安全、高效、可靠將直接影響到戰機與武器分離的安全、發射控制、命中目標的精度和作戰效能。本文以機載武器發射系統仿真試驗為研究對象，構建了由模擬火控系統、模擬武器系統、作戰效能評估系統和機載武器發射系統組成的全系統作戰應用仿真試驗環境，以更好地研究和解決機載武器發射系統在發射與控制作戰應用全過程中遇到的技術問題。

2 機載武器發射系統仿真試驗

2.1 仿真試驗系統原理和建模組成

機載武器發射系統仿真試驗可以分為機載武器發射系統全數字仿真試驗和半物理仿真試驗。機載武器發射系統全數字仿真試驗是利用高性能計算機、功能模塊、應用軟件、專業仿真軟件、通訊網絡搭建的實時動態仿真試驗平臺。高性能計算機、功能模塊、通訊網絡是仿真試驗系統平臺運行的基礎硬件，通過標準通用化的接口連接，用于仿真器之間快速的連接與模塊組合，搭建和構成仿真試驗環境。用于機載武器發射系統與外部(如戰機、武器)之間的交聯設計、接口定義與系統規劃；用于機載武器發射系統內部總體設計、頂層規劃、內部各子系統和部件之間的接口定義、交聯設計、技術指標的分解、綜合與集成。

機載武器發射系統半實物仿真試驗是將全數字仿真試驗環境下的一部分仿真器或仿真器的一部分通過實物或物理效應器(如控制器、執行部件實物、模擬加載、六自由度轉臺等)來代替。形成全系統中部分硬件在環的動態實時仿真試驗系統，其仿真逼真度較高，更加接近實際應用環境。同時能夠對加入動態仿真試驗系統的實物功能、性能、故障等進行分析、仿真、測試和驗證，為子系統/部件性能測試與評估提供系統層面的試驗和驗證。

機載武器發射系統仿真試驗系統由機載火控與任務管理仿真器、機載武器發射系統仿真器、武器系統與目標毀傷仿真器、作戰效能綜合測試評估系統組成。

仿真試驗時，操作人員通過機載火控與任務管理仿真器對試驗的參數、初始條件、接口設定等進行試驗準備，根據機載武器發射系統的作戰操作流程進行仿真試驗。機載武器發射系統仿真器接收到機載火控與任務管理仿真器指令信息后，執行相關的動作、控制執行任務，并將接收指令的狀態情況、執行狀態情況反饋給模擬機載火控與任務管理仿真器和作戰效能綜合測試評估系統。在機載武器發射系統仿真試驗研究時，可以通過機載武器發射系統的部件實物和控制器等代替機載武器發射系統的全數字模型和交聯關系，對硬件在環的半實物仿真試驗進行測試和試驗。在武器仿真試驗模擬發射后，通過武器系統與目標毀傷仿真器對攻擊目標的損傷進行仿真、動態演示。作戰效能綜合測試評估系統通過對機載火控與任務管理仿真器控制操作指令狀態、邏輯時序、目標攻擊精度等狀態進行監控；對機載武器發射系統仿真器的發控精度、響應時間、發射時間、收發控制等狀態進行監控；對武器系統與目標毀傷仿真器目標特性、作用時間、命中概率、損傷能力進行監控，來完成作戰飛機作戰效能的評估和綜合測試。圖1為機載武器發射系統仿真試驗原理圖。

圖1 機載武器發射系統仿真試驗原理圖

機載火控與任務管理仿真器主要包括火控建模、操作與監控軟件、接口與總線建模、指令信息的收發和生成軟件、武器系統管理建模與綜合處理軟件、故障與容錯建模、健康管理測試軟件。模擬機載火控系統、任務管理機載武器發射系統的應用流程、外掛物管理與狀態監控等的人機交互界面環境。

機載武器發射系統仿真器根據不同的機載武器發射類型，主要包括隨動控制系統建模、任務處理控制建模、武器發射控制建模、光電探測建模、溫度控制建模和故障模擬建模。根據總體的交聯與管理控制關系，完成機載武器發射系統的模型，進行仿真參數設定、接口定義，在全數字或半實物仿真試驗中進行系統的仿真和分析，對存在的問題進行改進，對系統的構型、總體功能與性能的實現方案進行優化。其中隨動控制系統建模包括傳動模型、電機模型、傳感器模型、擾動模型、緩沖/制動/限位模型、振動模型、通訊接口模型等。任務處理控制建模包括任務收發模型、任務管理模型、任務控制模型、任務調度模型、任務解算模型、故障監控模型、狀態監控模型等。武器發射控制建模包括武器射擊參數設定建模、武器射擊精度模型、武器發射管理控制模型等。光電探測建模包括光學變焦系統模型、CCD模型、跟蹤算法模型、圖像處理模型、脫靶量計算與數據外推模型、像旋消除處理模型等。溫度控制建模包括壓縮機模型、變頻控制模型、加熱器模型、溫控傳感器模型、系統蒸發循環模型等。故障模擬建模包括故障信息數據庫模型、模擬故障信息拉偏與延時模型、故障模擬接口與收發生成軟件、復雜故障設定處理模型等。

武器系統與目標毀傷仿真器主要包括武器導引模型、武器爆炸模型、目標特征模型、能量計算模型、命中分布模型、毀傷效果模型等。主要是在全數字仿真環境中模擬不同類型武器對不同目標的探測、跟蹤、命中和毀傷效果進行數字仿真試驗和分析。

作戰效能綜合測試評估系統主要包括通過攻擊精度、彈藥或能量(彈藥的動能、光束能量密度等)、發射速度、發射數量(常規武器的彈藥數量)、跟蹤定向位置、照射時間(定向能武器的持續作用時間等)、目標特征、損傷能力、探測能力、作戰距離等多元建模與軟件評估。在機載火控系統、武器毀傷、機載武器發射系統發射的目標探測與選擇、戰機人員操作與控制、火力控制、武器發射與控制、武器毀傷的大系統綜合仿真環境下，評估機載武器發射系統的作戰效能，為機載武器發射系統的作戰使用提供應用包線范圍，優化機載武器發射系統典型作戰參數設定。

2.2 仿真試驗系統試驗與驗證

機載武器發射系統仿真試驗流程如圖2，啟動仿真試驗系統后，在不同的仿真器中，通過可視化的參數設定操作人機交互界面設定參數，按照機載武器發射系統的發射控制流程進行仿真試驗和監控測試。仿真試驗能夠對機載武器發射系統進行以下的試驗與驗證。

1) 機載武器發射系統對外與戰機和武器、對內與子系統和控制部件的信息通訊、管理控制邏輯進行試驗與驗證；

2) 機載武器發射系統在不同平臺應用的總體作戰、應用流程、任務規劃進行試驗研究與驗證；

3) 機載武器發射系統總體的性能、功能、構型優化與配置研究、試驗與驗證；

4) 機載武器發射系統總體及子系統性能指標的分析與仿真、分配與綜合、集成與應用研究與驗證；

5) 機載武器發射系統在不同的外部因素影響下的功能、性能實現分析與仿真、構型優化與重建研究、試驗與驗證；

6) 對機載武器發射系統主要電氣、機電、傳感器等成件的選型、接口定義與確定、應用與集成進行研究和驗證，為部件、成件的技術要求提供科學依據。

圖2 仿真試驗流程

3 機載武器發射系統仿真試驗發展趨勢

機載武器發射系統仿真試驗涉及復雜系統的多學科建模與仿真、測試與試驗、使用環境的綜合建模與仿真、虛擬戰場的建模與仿真和演示等內容。為了適應縮短研制周期、降低設計風險、控制研制成本，高效的進行交聯試驗和驗證的武器裝備研究需求。現在機載武器發射系統仿真試驗隨著仿真技術、計算機技術、軟件技術和通訊技術等的發展和提升，逐漸向“數字化、虛擬化、集成化、智能化、一體化”的方向發展。展現出參數設定與交聯便捷、視景音頻與動態演示效果逼真、綜合集成發射控制全過程可控與可觀測、具備系統的智能化監控與管理、仿真試驗能夠有效的對設計分析、關鍵技術仿真與試驗、全數字/半實物/實物試驗等進行一體化的有機協調和考慮，以更好的應用于機載武器發射系統的研究、開發和試驗與驗證。

4 結束語

仿真試驗與研究已經廣泛的應用在航空航天、信息、材料、生物、能源等不同的技術領域。機載武器發射系統的仿真試驗研究相對于仿真試驗在控制、導航控制、飛行控制訓練模擬器等航空領域的應用已經落后了一步。隨著戰機高超音速、大機動、大過載、全天候、多譜段隱身作戰的使用和發展應用需求；同時，機載武器發射系統的研究涉及的學科和解決的問題越來越高度綜合和復雜。因此，積極對機載武器發射系統開展仿真試驗研究，構建仿真試驗的研究與試驗平臺，能夠極大的提升設計研發能力，支持技術創新應用，縮短研制周期和降低研制成本，為戰機提供適應實際作戰的先進機載武器發射系統裝備。

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(責任編輯 唐定國)

Simulation and Experimentation Study of Airborne Weapon Launch System

YU Chi1, LI Jian-ren1, ZHANG Gang-feng1, WU Pei-jun1,2

(1.Aviation Equipment Institute, AVIC Qing’an Group Co., Ltd., Xi’an 710077, China; 2.Department of Automation, School of Information Science and Technology， Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Airborne weapon launch system is the core department of airborne weapon system; it’s the tache and bridge between combat aircraft and weapon. Simulation experimentation in airborne weapon launch system was analyzed, and the architecture，principle，model compose，experimentation and validate of airborne weapon launch system were studied. Basic construct, applied meaning and developmental direction of airborne weapon launch system were put forward. It will promote the simulation experimentation studying and equips applying in airborne weapon launch system.

airborne weapon system; airborne weapon; airborne weapon launch system; digital simulation; simulation experimentation

2015-01-15

余馳(1982—)，男，高級工程師，主要從事裝備理論與裝備技術研究。

10.11809/scbgxb2015.08.037

余馳，李建仁，張鋼峰，等.機載武器發射系統仿真試驗研究[J].四川兵工學報，2015(8):149-152.

format:YU Chi, LI Jian-ren, ZHANG Gang-feng, et al.Simulation and Experimentation Study of Airborne Weapon Launch System[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):149-152.

TJ413

A

1006-0707(2015)08-0149-04