無人機載空地導彈關鍵技術研究*

徐宏偉,李 鵬,王 玄

(西安現代控制技術研究所,西安 710065)

0 引言

無人機武裝化的需求和大量應用催生了無人機載空地導彈的井噴式發展。其發展歷程可分為兩個階段:第一階段是將現有直升機載導彈系統直接或改進后配裝于無人機,其實現技術途徑是改進發射系統,典型代表為美國的“海爾法”系列,國內的藍箭-7系列;第二階段是為無人機新研專用/通用空地導彈,典型代表為美國JAGM[1-2]空地導彈。

近年來,國內無人機載空地導彈工程研制也越來越多,多位專家學者對其發展進行了梳理,并對無人機載空地導彈進行了專項技術研究。如杜小強等開展了導彈發射過程中,尾氣流對機翼產生氣動干擾的研究[3];丁達理等綜合考慮空地導彈發動機推力、氣動力、燃料消耗、風場、視線角、過載和舵機延遲等多約束條件下,研究了空地導彈攻擊區快速解算方法[4];胡凱明等提出了一種適應于無人機載導彈能夠同時控制命中角和命中時間的修正比例導引律[5],使得無人機載導彈能在保證垂直命中目標的同時提供更為準確的命中時間;吳慶憲等設計了抑制抖振的三維平滑變結構制導律,提高了導彈抗未知干擾的影響[6]。這些研究成果為無人機載空地導彈工程研制提供了有益參考,但目前還沒有公開文獻專門針對無人機載空地導彈技術特點及關鍵技術進行系統研究。

文中結合無人機載空地導彈工程研制經驗,在簡單回顧國內外無人機載空地導彈發展歷程的基礎上,通過仿真及工程實踐提出了未來無人機載空地導彈應重點解決的關鍵技術問題。

1 典型無人機載空地導彈發展歷程及啟示

AGM-114P是在直升機載反坦克導彈AGM-114的基礎上,通過設計新型數字式自動駕駛儀和大框架角激光導引頭而形成,配裝于MQ-1/MQ-9察打一體無人機,具備7 600 m高度使用,是世界上第一款真正意義上的無人機載空地導彈。無人機掛載導彈見圖1。

此后針對察打一體無人機作戰使用中面臨的攻擊多種類目標的需求,在AGM-114P的基礎上通過更換殺傷爆破戰斗部形成AGM-114M用來攻擊地面普通車輛類目標;通過更換溫壓戰斗部及可變延期激光引信形成AGM-114N用來攻擊密閉、半密閉空間及有生力量類目標。2008年為了提高無人機載導彈離軸作戰能力,更加有效的對付稍縱即逝的“機會目標”,開始研制AGM-114R空地導彈,該型導彈不限制無人機發射的飛行高度,采用IMU慣性中制導加半主動激光末制導,具有彈道在線編程能力,可全方位發射使用,具有更強的作戰能力,同時采用威力可調多功能戰斗部用于攻擊多種目標。

盡管由已有成熟的空地導彈改進而形成的無人機載空地導彈可以實現快速部署,但是在作戰效能上未必最優,導致在作戰使用上受到限制,特別是如何適應小型無人機載荷限制以及中大型無人機長時高空掛飛多次起降等問題。基于此,各國競相展開了針對無人機特點新研空地導彈的工作,這也就是無人機載空地導彈發展的第二個典型階段。如“格里芬”、“阿契爾”、輕型多用途導彈(LMM)等。這些新研的無人機載空地導彈均具有重量輕、成本低、使用維護方便、等推力設計等優點。無人機掛載平臺及執行任務的特點使得無人機載空地導彈重量主要集中在兩個區域,一是50 kg級,二是15 kg級。如圖2所示。

根據國外無人機載空地導彈的發展歷程及經驗得到如下啟示:

1)體系化發展思路和規劃研究值得借鑒

無人機體系化發展與規劃要求無人機載導彈也將朝著體系化方向發展,以適應無人機武裝化的作戰需求。重量實現體系化發展:形成15 kg級、25 kg級、50 kg級、100 kg級等空地導彈滿足不同載荷平臺的掛裝以及攻擊不同目標的需求;制導方式從單一模式制導到復合制導再到與GPS/INS的復合制導,打擊目標更精確靈活;毀傷模塊從常規單一到模塊化設計再到多功能戰斗部,適用多目標打擊任務。

2)小型化無人機載導彈的研究值得重視

針對無人機載導彈使命任務,為實現較高的費效比以及低附帶損傷,15 kg級甚至更輕的無人機載導彈得到快速發展,與此相適應的低成本小型導彈制導控制技術、小型多效應戰斗部技術、緊湊型結構技術等將得以應用和發展。

3)激光半主動制導仍然大力發展

激光半主動制導由于價格相對低廉、技術成熟、命中精度高、適應無人機作戰使用,將仍然是無人機載導彈首選制導方式。

2 無人機載導彈發展關鍵技術

通過典型無人機空地導彈發展歷程分析和工程實踐研究,提出了無人機載導彈發展關鍵技術。

2.1 環境適應性

無人機載空地導彈由于載機平臺察打一體的特點和遂行特定地區的持久偵察打擊使命,其使用剖面不同于一般固定翼飛機/直升機載空地導彈或空空導彈。無人機載空地導彈在完整的壽命期內一般要經歷運輸、貯存、掛飛(長時低溫、低氣壓)、起降(多次)和自主飛行等階段。

工程實踐表明無人機載空地導彈與直升機載空地導彈使用剖面相比,最大的特點是長時低溫低氣壓掛飛和重復起降。如中型察打一體無人機具備高空10 000 m海拔高度下巡航24 h的能力,使用剖面內低溫達到-55 ℃(標準大氣環境下對流層最低溫度-55 ℃),重復起降次數至少10次,而目前通過直升機載空地導彈改進而來的無人機載空地導彈低溫僅能適應-40 ℃的地面低溫極限值,空空導彈一般也只能達到-45 ℃。重復起降設計也僅針對GJB150A規定的基本沖擊。溫度高度極值對應關系見表1。

起降沖擊一般按照無人機實際測試的沖擊量值,或者按照國軍標的規定適應后峰鋸齒波,幅值20g,時間11 ms的要求。

解決無人機載空地導彈的長時低溫低氣壓掛飛和重復起降適應能力顯得尤為重要,這將直接決定察打一體無人機載導彈武器系統的使用性能。

表1 溫度-高度對應關系

2.2 動態攻擊區解算

工程實踐表明:無人機載空地導彈由于大空域、寬速域發射及在俯仰平面大機動飛行特點使其具有獨特的攻擊包絡。快速、準確的動態攻擊區解算不僅能提高導彈攻擊精度,而且能為無人機自主攻擊航跡決策提供有力的決策依據,以提高無人機載空地導彈對時敏目標的打擊能力。針對導彈任意發射條件,其攻擊包絡可用式(1)描述[7]。

(1)

式中:Rmax、Rmin分別為攻擊包絡的遠界和近界；X為導彈發射條件模型(包括速度、姿態、海拔高度、相對目標關系、環境參數等);Mm為導彈總體性能模型(包括各個子系統、如發動機、氣動特性、制導與控制律、過載能力等)；Xt為目標狀態信息(包括相對發射點位置信息、速度信息等);ε為隨機干擾源(如風場等)。

通過對影響無人機載導彈攻擊區使用參數的靈敏度分析計算,發現主要影響因素是相對目標高度和初始姿態角兩個因素,即可通過事先大量仿真計算形成基于上述兩因素的攻擊射表,進行插值計算形成攻擊包絡,這種方法簡單易于實現,計算精度與實時性均能滿足要求,但隨著無人機載空地導彈大離軸發射的需求,該方法表現出攻擊精度不足的問題,因此未來在提高無人機載空地導彈攻擊能力的同時亦要研究適用的動態攻擊區解算方法,以滿足攻擊時敏目標的需求。

2.3 大離軸發射控制

察打一體無人機要求其掛裝的空地導彈具備大離軸發射能力,以達到發現目標即摧毀的要求。大離軸發射控制與導彈的機動性和制導控制策略息息相關。導彈的機動性又與導彈的氣動外形及速度方案相關,目前的無人機載空地導彈多采用常規固體火箭發動機和無尾式小展弦比氣動布局,其中氣動布局又受到無人機密集掛載的約束,因此,要提高導彈的機動性可通過增加燃氣舵或推力矢量發動機的方法提高法向控制力。無人機載空地導彈的制導控制常采用基于瞄準線的姿態控制方案,在中制導段通過姿態位置控制使其進入導引頭捕獲域,后采用比例導引的方式進行末制導飛行。通過優化制導控制策略,研究新型控制方法,以提高導彈離軸發射能力,滿足無人機武器系統“發現即摧毀”的使命需求。

2.4 大框架導引頭

導引頭的框架范圍決定了導彈的捕獲域大小。無人機載空地導彈工程實踐表明:高空發射攻擊近距離目標時導引頭俯仰方向框架限制是限制導彈捕獲目標的主要因素,大離軸發射條件下攻擊活動目標時導引頭偏航框架是主要影響因素。因此通過提高導引頭框架角的促使可以拓寬導彈捕獲域,提高導彈攻擊近距的能力。以察打一體無人機載導彈典型發射條件為例,通過設置不同的導引頭俯仰框架角,仿真計算導彈最小射程與導引頭框架角關系結果見圖3。

由圖3可以看出導彈機動性、控制方案相同的情況下,框架角范圍增加2°可使導彈的攻擊包絡增大約400 m的范圍。

2.5 小型多功能戰斗部

無人機載空地導彈由于其獨特的作戰使命與任務,每次任務之前目標類型未知并且種類豐富,包括裝甲類目標、民用車輛、技術兵器、簡易工事、小型艦船及有生力量等多種目標,因此采用模塊化戰斗部或多用途戰斗部成為主要發展方向。其中模塊化戰斗部技術已成熟,而適合無人機載導彈的小型多功能戰斗部將成為要突破的關鍵技術問題。多功能戰斗部要求同時兼顧破甲、殺傷、爆破、侵徹等多種毀傷功能,因此對戰斗部的總體方案、裝藥選型、藥型結構、殼體結構設計等方面提出了更高的要求。

3 結論

無人機載空地導彈自2001年問世以來,經過兩個階段的研制歷程,得到了長足的發展,在多次局部戰爭中成功使用,已經成為新時期戰爭中對地攻擊的主要武器之一。隨著不同種類無人機的不斷發展,對無人機載空地導彈提出了更多新的要求,這將促使無人機載導彈向著適應多種發射平臺、大攻擊包絡、多用途、高效毀傷的方向快速發展,環境適應性問題、動態攻擊區計算問題、大離軸發射控制問題、大框架角導引頭技術問題及小型多功能戰斗部技術問題等將是無人機載空地導彈未來需要重點解決的關鍵技術。