美國精確制導組件技術發展現狀分析

【裝備理論與裝備技術】

美國精確制導組件技術發展現狀分析

曹紅錦

(中國兵器工業第五九研究所，重慶400039)

摘要：介紹了美國精確制導組件(PGK)的研發背景、內涵及工作原理，主要分析了其作戰優勢、性能結構特點和應用前景。精確制導組件所涵蓋的技術內容不僅僅是飛行控制、彈道修正等方面，同時也包括高動態彈道環境適應性、智能引信技術、先進終點彈道技術、氣動彈道綜合優化等方面，為不同口徑、不同原理、不同作戰任務的各類彈藥發展精確飛行技術提供了技術平臺。采用精確制導組件技術，可提高作戰效率，減小附帶損傷，降低物流負擔，在低成本和短研發時間下可以達到更高的精度。

關鍵詞：PGK；彈道修正；CEP；鴨翼

收稿日期：2015-05-03

作者簡介：曹紅錦(1977—)，女，高級工程師，主要從事科技情報研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.006

中圖分類號：TJ765.3

文章編號：1006-0707(2015)09-0022-04

本文引用格式：曹紅錦.美國精確制導組件技術發展現狀分析[J].四川兵工學報，2015(9):22-25.

Citation format:CAO Hong-jin.Analysis of the Development Status of American Precision Guidance Kit Technology[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):22-25.

Analysis of the Development Status of American

Precision Guidance Kit Technology

CAO Hong-jin

(No.59 Institute, China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China)

Abstract:The research and development, connotation and working principle of precision guidance kit were introduced. Its combat superiority, performance structure features and application prospect were analyzed. Precision guidance kit contains flight control, trajectory correction, high-dynamic trajectory environmental suitability, intelligent fuse technology, advanced terminal trajectory technology and pneumatic trajectory comprehensive optimization technology, and provides the technology platform for all kinds of ammunition precision flight technology with different caliber, different principle, different combat mission. Application of precision guidance kit can improve the combat efficiency, reduce collateral damage and logistics burden, and achieve higher accuracy in the condition of low cost and short research and development time.

Key words: PGK; trajectory correction; CEP; canard

海灣戰爭后，美國陸軍致力于開發低成本、高精度的炮彈修正引信。由于當時陸軍未明確提出對彈道修正引信的需求，國防部準備開展一項制導一體化引信(GIF)技術演示項目[1]。但是，GIF項目顯然比預期的要困難，經過3年的努力還不能進行全系統的演示。于是，美國陸軍提出了一項被稱作XM1156式精確制導組件(PGK)的低成本彈道修正引信獨立采購項目[2]。PGK項目分3個階段實施：對于技術演示(到2007年結束)與第1階段的PGK，美陸軍要求CEP達到小于50 m[3]。對于第2階段PGK，要求CEP降至30 m以下。第3階段要求CEP達到10 m，過載限制則進一步提高。

1 PGK工作原理

PGK(Precision Guidance Kit)精確制導組件是美國陸軍一項極具競爭力的項目，旨在演示通過加裝低成本GPS制導引信組件的方法顯著改善現有155 mm和105 mm炮彈的精度[4]。通過為現有炮彈加裝GPS制導與導航系統的方法，從而達到以相對較低的費用并顯著提高現有炮彈威力的目的，快速提高野戰炮兵的精確打擊能力。在最大射程下常規炮彈會達到大于200 m的CEP，而采用PGK則使得CEP遠小于50 m的范圍[5,6]。

PGK實際上是一種低成本的彈道修正引信，它的尺寸與火炮引信相當，它是一種為炮彈配置的導引模塊，提供GPS和INS(慣性制導)[5]。PGK具備多選擇方案引信裝置(MOFA)所有功能，再加上精確制導能力，在炮彈有效射程使其CEP達到30 m內。PGK把常規炮彈改造成為精確彈藥，一枚PGK通?？梢越鉀Q以前若干枚常規炮彈的打擊任務，從而大大減少了炮兵部隊對彈藥的需求量。此外，PGK不采用電池；并且具有一定的可靠性，因為只有一個活動部件，沒有布置鴨式翼。PGK全程二維引導至落點，采用近爆引信和接觸點爆破方式。根據現行計劃，PGK于2009年正式服役。PGK作為“神劍”的補充，但不是取代后者。PGK使傳統的火力壓制使命更加有效，而“神劍”具有更高精確度適合“點穴式”使命。

非精確常規彈藥任務與精確PGK彈藥任務對比如圖1所示。

圖1　非精確常規彈藥任務與精確PGK彈藥任務

PGK與常規155mmHE彈有相同的作戰任務，但是它有更好的作戰性能可以達到50 m的CEP精度。

2PGK的作戰優勢

1) 將現存的炮彈變為可負擔的起的精度的武器。能與當前美國庫存火炮相兼容。

2) 提高了戰斗性能。

3) 減小附帶損傷。

4) 減小了后勤負擔。

只要通過用PGK代替彈丸頭部引信就可以將非制導的常規155 mm彈丸變為精確彈藥。從圖2可以看出上述效益。所有射擊實驗均采用設計前半小時的氣象數據，圖中2圓表示在不同射程下CEP精度。

從圖2中可以看出，沒有采用PGK的常規彈藥的射擊精度較低，附帶損傷大，而采用PGK后明顯地提高了彈藥的精度，極大地減小了附帶損傷，增加了每枚基本彈藥的殺敵數。性能要求如表1所示。

圖2　非精確常規彈藥任務與精確PGK彈藥任務

Increment1IOCFY11Increment2IOCFY15Increment3IOCFY18主要性能參數1.網絡準備AFATDS,EPIAFS,GPS2.可靠性92%(t);97%(O)3.精確度≤50mCEP(T)≤30mCEP(O)≤30mCEP(T=O)≤30mCEP(T)≤20mCEP(O)屬性特征彈藥類型155mmHE?M107?M795?M549A1Add:?105mmHE(T)?105/155mmHE&Cargo(O)155mmHE(T)105/155mmHE&Cargo(O)平臺類型?M777A2?PaladinAddM119A3(105mm)(T)AddFutureCannon(T)引信功能?PD?ProximityAdd?Delay&Time(O)

PGK研發中主要存在3個巨大挑戰：微型化封裝技術、物理學分析、更低經費研發周期以獲得更高精度。使得能包裝的體積最大化，同時要保證一定的承受強度；微型電子電能設備的設計，DFA/DFM的設計，減小尺寸同時并保證其能夠生產。

3PGK主要結構特點

PGK主要結構特點如圖3所示。

圖3　PGK結構

1) 固定鴨翼——沒有機械執行機構[7]。

2) GPS——無慣性器件，帶有滾轉角測定，L3/IEC發射接收器跟蹤演變而來的GPS接收機。小型快速采集特點。小貼片式GPS接收天線。

3) 電子設備隨著彈丸一起旋轉——小型軸承，沒有滑環。

4) 沒有電源——飛行前利用超大電容，飛行過程中利用彈載交流發電機。

5) 采用高功率電阻器技術——小負載元素 。

6) 電子設備封裝技術。

7) 內置遙測技術——開發測試，存儲監測，驗收測試。

8) 創新而簡單的制導控制算法。

這部分研究分2個階段進行，第一個階段采用單獨的M549火箭增程炮彈，在單一環境下分析單一射程和彈道，同時沒有引信裝定器連接，沒有導引功能，沒有戰術策略。第二階段采用2種彈丸，在所有環境下分析所有射程，同時連接有引信裝定器，具備所有的導引功能以及一定的戰術策略。2011年8月進行設計認證測試，48個PGK單元100%安全發射并滿足所有的射程和精度。

4PGK物理模型分析

1) 鴨式翼與彈體嚴格安裝并隨著彈丸旋轉，包括有：近距離傳感器，電子設備，現代傳感器與執行器和擴爆器。如圖4所示，上下一對鴨式翼起減旋作用，左右一對鴨式翼起控制作用。固定鴨式翼裝置產生頭部升力和相反的滾轉扭矩[8]。

2) PGK控制飛行

從圖4受力情況可以看出，PGK主要有鴨翼升力，彈體升力和馬格努斯。注意：對于尾翼穩定彈，鴨舵升力和彈體升力在同一方向上。炮彈氣動力是相當復雜的，PGK控制飛行解決方案如下：在射擊目標之前采用以下3個條件來預測彈道：① 理想的發射條件(gun QE，gun AZ，炮口初速)；②環境預測(MET，重力，克里奧斯力等)；③氣動力模型。得到參考彈道后，進行模擬飛行，對彈道進行細微修正。然后，對所有間瞄發射彈道進行魯棒優化。需要考慮如下4個方面：采用火炮或迫擊炮發射彈丸，不同的初速區域，不同型號的彈丸，不同的QEs(彈道形狀)[9]。155mmXM1128運用該解決方案首次成功的飛行證實了可以獲得初步穩定性和機動能力。

圖4　PGK物理模型

PGK的研發是在瞬息萬變的國防預算環境下進行的，由PM CAS負責費用。美國負責采辦，技術和后勤(AT&L)的國防部長提出——“Doing More Without More”——減少了費用和研發周期，并達到能夠負擔得起的精度。PGK研發費用和研發時間比較如圖5所示。

圖5　PGK研發費用和研發時間比較

5PGK的應用前景

PGK達到的精度超過了預期的效果。通過Engineering,Manufacturing,Development (EMD)階段后，M549A1和M795彈都達到了期望的CEP。PGK為昔日和當前儲備的彈藥提供了新一代的較小的散布，提供的<50 mCEP精度，提高了作戰效率(擊毀目標更快)，增加每個平臺的裝填殺敵數，減小附帶損傷，降低了物流負擔，在低成本和短研發時間下可以達到更高的精度，且具有很好的兼容性，有效地利用了庫存的常規炮彈。該新型制導與控制方法具有廣泛的適用性。當前PGK應用在M795，M549，迫擊炮，將來可能應用在M107，155 mm高性能炸藥火炮，155 mm運載炮，105 mm火炮[10,11]。

6結束語

美國精確制導組件技術的發展已進入了較為成熟的時期，集諸多高新彈藥技術為一體，為不同口徑、不同原理、不同作戰任務的各類彈藥發展精確飛行技術提供了技術平臺，也是精確制導技術軟、硬件的繼承與發展的數據庫。通過對美國精確制導組件項目的詳細介紹，可以較為清晰地了解其研究背景、關鍵技術、研制進展等，從而為我國開展相關研究提供參考依據，可為我國研究制導類、控制類彈藥武器裝備提供一定的借鑒作用。

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(責任編輯周江川)