可變彈翼導彈彈道設計與仿真*

劉敘含，張尚卓，苗昊春，黎海青，王荔豪

(1 西安現代控制技術研究所， 西安 710065； 2 西北工業大學航海學院， 西安 710072)

0 引言

現代化作戰要求武器系統同時具備偵察、攻擊、效能評估等特點[1]，而傳統的固定翼巡飛彈只能在不同的飛行任務狀態之間進行折衷，無法達到全局最優的飛行性能。

可變彈翼導彈技術是一種先進的現代導彈設計技術[1]。其設計目標是，通過彈翼氣動外形的自適應變化，解決不同任務類型設計點氣動布局的矛盾，克服傳統固定翼巡飛彈功能單一、機動性受限的設計弊端，實現導彈在多個任務上的通用化。由于其結構與氣動參數動態變化，動力學模型與控制特性變得復雜[2]，對導彈的彈道設計提出了更高的要求。

1 可變彈翼導彈基本概況

可變彈翼導彈的主要作戰任務包括巡航、巡邏和攻擊。其作戰流程如圖1所示：由陸基或空基平臺發射，采用圖2所示后掠伸展的巡航翼型以經濟速度飛行至指定區域；接著變形為圖3所示垂直伸展的巡邏翼型對目標區域進行低速偵察；捕獲目標后變形為圖4所示垂直收縮的攻擊翼型對目標發起俯沖攻擊。

圖1 可變彈翼導彈的工作流程

圖2 巡航翼型

圖3 巡邏翼型

圖4 攻擊翼型

2 導彈質點彈道方案設計

彈道方案示意圖如圖5所示，包括初段彈道方案、巡航彈道方案、巡邏彈道方案和攻擊彈道方案。全局控制方案如表1所示，將可變彈翼導彈看作一個質點，只考慮其在縱向平面上的運動[3]。

圖5 彈道方案示意圖

表1 可變彈翼導彈全局控制方案

初段彈道，要求可變彈翼導彈在脫離載機發射平臺后按控制規律平穩下滑至指定高度H0后較快地轉入平飛[4-5]，運動方程為：

巡航階段，采用大展弦比和一定后掠角的巡航翼型。該階段采用航路規劃導引方法，以及高度控制、傾斜轉彎、滾轉穩定控制方法。飛行高度y=H0，且θ=0，運動方程為：

巡邏階段，采用大展弦比的巡邏翼型以滿足升阻比的要求。該階段采用回字形搜索導引方法在目標區域上空進行偵察飛行，以及高度控制、傾斜轉彎、滾轉穩定等控制方法。

攻擊階段，外彈翼收縮，以最大速度俯沖攻擊。該階段采用比例導引法[7]以及滾轉穩定控制。運動方程為：

上述兩方程組中，m為可變彈翼導彈質量；mc為導彈單位時間內質量消耗量；X為阻力；Y為升力；P為發動機推力；V為導彈速度；VT為目標速度；α為導彈攻角；θ為導彈傾角；r為導彈相對目標的距離；qT為目標線方位角；σ為導彈彈道角；σT為目標航向角；η為導彈速度矢量前置角；ηT為目標速度矢量前置角；K為比例系數。

3 仿真試驗及分析

利用Simulink仿真平臺建立可變彈翼導彈的數學模型[8-9]，如圖6所示，包含搜索模塊、控制器模塊、空氣動力學模塊、運動學模塊以及時序模塊。其中，搜索模塊為系統提供目標測量信息；空氣動力學模塊為系統提供氣動力參數和導彈結構參數等；運動學模塊為系統提供導彈飛行過程中的運動學參數；控制器模塊根據目標測量信息以及彈體運動信息計算出控制質量。仿真條件：導彈投放高度y=1 000 m，初始速度為70 m/s，初始彈道傾角θ=0°，初始攻角α=0°，巡邏高度H0=500 m，目標水平距離x=20 000 m。

圖6 仿真模型

可變彈翼導彈的彈道曲線、速度曲線及彈道傾角曲線如圖7～圖9所示。由圖可知：可變彈翼導彈由1 000 m高度的載機投放，初速為70 m/s,初始彈道傾角為0°；投放后導彈平穩下滑至巡邏高度500 m；該階段導彈速度由70 m/s平緩爬升，彈道傾角保持在-4°左右；進入巡邏階段后，飛行高度保持在500 m左右，緩慢下降以實現低速長航時偵查，彈道傾角保持0°；導彈沿航向飛行至17 710 m處發現目標后，按比例導引俯沖攻擊，速度在10 s內由64 m/s快速拉升至111.95 m/s，擊中目標。整個飛行過程中，可變彈翼導彈分別按巡航、巡邏和攻擊階段進行彈翼的變形調整，其質量、轉動慣量、重心、壓心、升力、阻力系數曲線分別如圖10～圖11所示。

圖7 可變彈翼導彈的彈道曲線

圖8 可變彈翼導彈的速度曲線

圖9 可變彈翼導彈的彈道傾角曲線

圖10 導彈質量、轉動慣量曲線

圖11 導彈氣動參數曲線

4 結論

由仿真結果可知，所設計的彈道方案能夠實現可變彈翼導彈巡航段的經濟航行、巡邏段的低速長航時偵查以及攻擊段的高機動俯沖攻擊，滿足各作戰任務間平滑切換的需求，增強導彈的多功能性，延長導彈的技術戰術生命周期。為今后可變彈翼導彈的工程化應用奠定了技術基礎。