地空導彈攔截空中目標可視化仿真研究*

王 宏,萬夕干,陽家宏,趙英俊,劉 晨

(1 空軍工程大學,西安 710054;2 駐上海航天局804所軍事代表室,上海 201109)

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地空導彈攔截空中目標可視化仿真研究*

王 宏1,萬夕干2,陽家宏2,趙英俊1,劉 晨1

(1 空軍工程大學,西安 710054;2 駐上海航天局804所軍事代表室,上海 201109)

為有效判定地空導彈攔截空中目標的殺傷效果,提出了攔截可視化問題,結合相關研究成果,通過研究地空導彈戰斗部破片毀傷、沖擊波毀傷及戰斗部引戰配合模型及仿真方法,在完成空中目標及地空導彈相關模型建立的基礎上,設計實現了某型地空導彈攔截某型戰斗機的可視化仿真系統,仿真效果較為直觀、逼真。研究結果對地空導彈裝備型號試驗及作戰仿真均有一定的借鑒意義。

地空導彈;毀傷模擬;引戰配合;可視化仿真

0 引言

殺傷效果判定是地空導彈攔截空中目標過程中重要的環節之一,其主要依據是彈目交會的相關數據、空中目標受攻擊后航跡變化及其回波信息的突變等。若進行地空導彈攔截空中目標(如戰術彈道導彈)殺傷效果判定試驗,需要進行多批次的實彈射擊,這樣既浪費人力、物力和財力,又具有一定的風險性,且需要多兵種協調,另外攔截過程不可重復演示。針對這一問題,可以采用數值仿真的方法來模擬整個彈目交會過程,但數值仿真主要以文字和圖表輸出攔截結果,無法使指揮員直觀的觀測彈目交會過程,從而準確的判定攔截殺傷效果。隨著計算機技術、虛擬現實技術的不斷發展應用,以視景沉浸方式將仿真結果呈現給指揮員將成為當前實驗研究的一種技術手段[1]。國內外相關學者已經開展了諸多研究工作[2-3]，文中將在前人研究的基礎上,結合地空導彈戰斗部毀傷模擬、空中目標模擬及戰斗部引戰配合模擬,分析研究其攔截可視化問題。

1 地空導彈戰斗部毀傷模擬

地空導彈戰斗部類型多為殺傷戰斗部,且攔截空氣動力目標主要靠高速破片殺傷,另外戰斗部爆炸產生的沖擊波也有一定的殺傷作用,因此在進行毀傷模擬時應考慮這兩類毀傷。

1.1 破片毀傷模擬

影響破片毀傷效果的主要因素包括破片的初速度、破片的質量、破片的飛散角及有效破片的數量等[4-5],所以對破片毀傷的模擬主要考慮上述幾個因素,可以采用粒子系統思想模擬破片毀傷過程,讓粒子系統中微小的物體集合模擬破片,并具有破片的戰斗參數,可視化仿真中可不考慮破片的質量。破片毀傷模擬流程如圖1所示。

圖1 破片毀傷模擬流程圖

破片飛散區域模擬:根據起爆時導彈的速度參量、戰斗部破片的初速度參量計算出戰斗部破片飛散方向角(飛散角中心線與彈軸正向的夾角),以破片飛散方向角為中心在戰斗部360°范圍內繪制出破片的飛散角邊界,形成空心錐形空間區域,即戰斗部的動態殺傷區域如圖2所示。

毀傷空間模擬:在戰斗部破片飛散空間內,以戰斗部為中心隨機生成破片飛散射線,并使該破片體在此射線上以速度v運動,最終形成以戰斗部為中心的放射型破片飛散形式,如圖3所示。

圖2 破片飛散區域模擬示意圖

圖3 破片飛散模擬示意圖

破片體模擬:根據起爆后形成的破片數量,在戰斗部所在位置繪制出相應數量的破片體,破片形狀根據戰斗部類型確定,可以是立方體、球體或其他形狀。

1.2 沖擊波毀傷模擬

在戰斗部起爆后,沖擊波存在的時間非常短[6],且不可見,因此沖擊波毀傷模擬必須借用一定的表現方式,這里只給出沖擊波超壓毀傷的表現方式。在考慮目標易損性及沖擊波超壓作用距離的前提下,在模擬過程以特定顏色球體大小的變化模擬沖擊波的傳輸,球體的透明度表示超壓的強度,如圖4所示。

圖4 沖擊波模擬示意圖

1.3 戰斗部引戰配合模擬

戰斗部起爆瞬間,根據導彈相對于目標的坐標參數及導引頭引信敏感規律,計算出導彈的引信啟動區域大小和位置,采用雷達波束模擬的方法描繪出引信啟動區;根據戰斗部及導彈參數計算出導彈的動態殺傷區域的大小和位置,由粒子系統在此區域模擬導彈的動態殺傷區域(如圖2所示)以可視的方法判定引信啟動區(導彈與目標限定的區域)與動態殺傷區重疊程度,從視覺角度判定導彈的殺傷效果,模擬示意圖如圖5所示。

圖5 引戰配合模擬示意圖

2 導彈及目標幾何模型

對地空導彈及空中目標進行三維建模是以其真實尺寸和結構為原型,根據其本身的幾何結構關系及運動規律建立不同的三維實體模型。為降低系統運行成本,提高系統的運行效率,并保證仿真逼真度,可以采用紋理映射及分層次表現細節的方式根據實際仿真要求降低模型運行的復雜程度。

以某型戰斗機為例建立其三維幾何模型,模型結構如圖6所示;以某型地空導彈發射車為例建立其三維幾何模型,模型結構如圖7所示。

圖6 某型戰斗機三維幾何模型

圖7 某型地空導彈三維幾何模型

3 可視化仿真設計及實現

在VC++6.0開發環境中,應用VEGA驅動模塊及Creator實體建模工具完成該系統的開發,完成導彈飛行控制可視化、彈目交會可視化及戰斗部毀傷可視化仿真三個功能,主要由地空導彈發射模擬、導彈彈道模擬、空中目標模擬及殺傷效果判定等模塊組成,組成如圖8所示。

圖8 可視化仿真系統組成結構

導彈飛行控制可視化:根據某型地空導彈武器系統戰技術參數要求,設定其導彈速度模型及某型戰斗機運動模型,按照一定的導引規律,解算出導彈攔截目標的運動學彈道,并在視景仿真環境中使導彈實體模型依據解算出的彈道以設定的速度模型運動,效果如圖9所示。

圖9 導彈飛行過程

圖10 彈目交會過程

彈目交會可視化:在地空導彈武器系統作戰過程中,彈目交會是判定脫靶量的一個重要過程,而脫靶量的大小直接影響殺傷效果的判定,所以彈目交會是一個必須展示的過程,效果如圖10所示。

戰斗部毀傷可視化:按照前面介紹的戰斗部毀傷模擬方法,結合視景仿真工具可較逼真地完成戰斗部毀傷可視化過程,效果如圖11所示。

圖11 戰斗部毀傷過程

4 結束語

本研究用視景仿真的方法研究分析了地空導彈攔截空中目標的可視化問題,解決了武器系統作戰過程中判定殺傷效果不夠直觀逼真的問題。設計開發的某型地空導彈攔截某型戰斗機仿真系統驗證說明了仿真方法的有效性及可行性,研究成果對地空導彈武器系統作戰仿真及相關研究具體一定指導意義。

[1] 熊風光, 韓燮, 張會兵. 基于Vega的導彈攻擊F16視景仿真 [J]. 計算機系統應用, 2013, 22(7): 207-212.

[2] 張會兵, 韓燮, 王志軍, 等. 基于Vega的破片式戰斗部導彈威力場視景仿真 [J]. 計算機工程與設計, 2010, 31(4): 812-815.

[3] 周家勝, 錢建平, 張健. 軸向增強型戰斗部對導彈目標毀傷評估的可視化仿真研究 [J]. 沈陽理工大學學報, 2007, 26(4): 10-14.

[4] 王家浚, 李世才. 整體殺爆彈爆炸效應研究綜述 [C]∥中國土木工程學會防護工程學會. 中國土木工程學會防護工程學會第六次學術年會論文集. 北京: 中國土木工程學會, 1998: 107-115.

[5] 王宏, 李樹芳, 張琳. 空地導彈毀傷數值仿真研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2011, 31(1): 113-115.

[6] 王楊, 郭則慶, 姜孝海. 沖擊波超壓峰值的數值計算 [J]. 南京理工大學學報, 2009, 33(6): 770-773.

Research on Visual Simulation about GAM Intercepting Aerial Targets

WANG Hong1,WAN Xi gan2,YANG Jia hong2,ZHAO Yin jun1,LIU Chen1

(1 Air Force Engineering University, Xi’an 710054, China;2 Military Representative Office in No.804 Institute of Shanghai Aerospace Bureau, Shanghai 201109, China)

For effectively judging damaging effect of ground to air missile on aerial targets, visualization of, inteception was put forward. According to some related investigation results, by studying models and simulation methods of SAM warhead fragments damaging, shock wave damaging and fuse-warhead coordination, based on models of aerial targets and SAM, some certain visualized simulation system of some type of SAM intercepting some type of fighter was designed, the effect was visual and vivid. The result plays an important role in SAM experiment and battle simulation.

ground-to-air missile; damage simulation; fuze-warhead coordination; visual simulation

2015-06-08

王宏(1976-),男,內蒙古烏盟人,講師,博士,研究方向:裝備作戰使用與保障。

TJ761

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