空空導彈近炸引信探測場傾角設計分析

金桂玉，掌亞軍，張一凡，王順虹

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

空空導彈近炸引信探測場一般為繞導彈彈軸形成對稱的空心圓錐體，且一般要求彈截面探測場繞彈軸均勻分布[1]，引信探測場傾角定義為探測場主方向與彈軸的夾角。探測場傾角的設計應滿足引戰配合要求[1-5]，其設計合理性直接影響引戰配合效率，乃至引戰系統的整體性能。其中，文獻[2]以破片動態飛散方向角的期望值作為探測場傾角；文獻[4]以破片動態飛散方向角最小值加上半個探測場寬度的提前量作為探測場傾角，這兩種設計方法均未考慮實體目標帶來的引信信號積累過程、引信啟動部位和戰斗部理想命中部位不完全重合的問題;文獻[6]提到了此類問題但未展開詳細分析。文中在綜合考慮戰斗部破片動態飛散特性、系統慣性延時、引信和戰斗部間距、引信信號積累、目標形體尺寸等因素后，給出適用于實體目標的探測場傾角設計方法。

1 影響因素分析

首先細化空空導彈彈目交會末端引戰系統探測毀傷目標過程，認為引信探測到目標邊緣后經一定時間的信號積累確定目標存在，之后執行引戰配合延時，延遲結束后引爆戰斗部、毀傷目標。相對速度系內從引信波束探測到目標邊緣至戰斗部破片命中目標這一過程所經過的距離，即破片命中目標位置可表示為：

L=L1+L2+L3+L4+L5

(1)

式中：L為破片命中目標位置；L1為系統慣性延時對應距離；L2為引信與戰斗部間距，沿彈軸方向引信在前為負；L3為引信信號積累時間對應距離；L4為引信探測區與戰斗部破片動態飛散區之間距離差，探測波束在前為負；L5為延遲距離，與延遲時間對應。

相對速度與導彈彈軸夾角為零時，破片命中目標部位示意圖如圖1所示[6-9]。

圖1 破片命中目標部位示意圖

引戰系統硬件確定后L1,L2為確定值；目標識別算法確定后L3分布規律可通過數學仿真和試驗統計獲得；引戰配合算法確定后L5在單次試驗中為確定值；L4為分析重點，可用式(2)表示。

L4=ρ·cotψd-ρ·cotΩf

(2)

式中：ρ為脫靶量；ψd為破片動態飛散方向角；Ωf為引信探測場傾角。

戰斗部破片動態飛散方向角與相對速度、破片靜態初速、破片靜態飛散方向角等相關，相對于靜態飛散方向角有一定的前傾量，在相對速度系下可表示為[3]：

(3)

式中：ψs為破片靜態飛散方向角；v0為破片靜態初速；vr為相對速度。

綜合式(1)～式(3)可得：

(4)

式中：τ0為系統慣性延時；τ為引戰配合延遲時間。

1.1 相對速度影響

取脫靶量10 m、戰斗部破片靜態初速3 000 m/s、破片靜態飛散方向角90°、系統慣性延時0.3 ms、引信與戰斗部間距0.5 m、引信信號積累對應距離1.5 m、延遲時間0 ms、破片命中部位距邊緣6 m，根據式(4)算得探測場傾角隨相對速度變化趨勢如圖2所示。為保證破片命中理想部位，相對速度較低時探測場需后傾；相對速度較高時探測場需前傾，且相對速度越高，前傾量越大,探測場傾角越小。

圖2 探測場傾角隨相對速度變化曲線

工程應用一般不采用引信后傾方案，而使用延時調整實現低相對速度段最佳引戰配合，下面重點分析高相對速度段、引信普遍需前傾的交會條件。

1.2 破片靜態初速影響

破片靜態初速分別取1 500 m/s，2 000 m/s，2 500 m/s，3 000 m/s，其他參數與1.1節相同，探測場傾角隨破片靜態初速變化趨勢如圖3所示。破片初速越小、動態飛散過程受相對速度影響越大、前傾量越大，所需探測場傾角越小。

圖3 探測場傾角隨破片靜態初速變化曲線

1.3 破片靜態飛散方向角影響

破片靜態飛散方向角分別取80°，85°，90°，95°，100°，其他參數與1.1節相同，探測場傾角隨破片靜態飛散方向角變化趨勢如圖4所示，探測場傾角隨破片靜態飛散方向角的減小而減小。

圖4 探測場傾角隨破片靜態飛散方向角變化曲線

1.4 脫靶量影響

脫靶量分別取6 m，8 m，10 m，12 m，其他參數與1.1節相同，探測場傾角隨脫靶量變化趨勢如圖5所示。隨脫靶量增大，引信探測場與戰斗部動態飛散區之間距離差增大，所需探測場傾角減小。

圖5 探測場傾角隨脫靶量變化曲線

1.5 目標尺寸因子影響

戰斗部破片命中部位距邊緣分別取2 m，4 m，6 m，8 m，其他參數與1.1節相同，探測場傾角隨目標尺寸因子變化趨勢如圖6所示。破片命中部位與目標邊緣距離越小，所需傾角越小。其原因為目標尺寸越小或要害部位距離邊緣越近，引戰系統探測毀傷時間和距離余量越小，需減小探測場傾角以避免高速交會因破片動態飛散區在前、引信探測區在后而漏過目標體或目標要害部位的情況。

圖6 探測場傾角隨目標尺寸因子變化曲線

2 實體目標探測傾角確定

通過以上分析，引信探測場傾角最小值出現于最高相對速度、最小破片靜態初速、最小破片靜態飛散方向角、最大脫靶量、最小目標尺寸條件，戰斗部方案已定時，可重點分析高速、大脫靶量、小目標典型交會條件，以算得的探測場傾角最小值作為設計值。

以某型巡航導彈為例，用上述方法進行探測場傾角設計，目標外形圖如圖7所示。相關參數取破片靜態初速3 000 m/s、破片靜態飛散方向角90°、引信探測過程信號積累時間對應距離1 m、系統慣性延時0.3 ms、引信戰斗部間距0.5 m、延遲時間0 ms。彈目交會過程脫靶量范圍為2～10 m；導彈速度范圍為1 200～2 100 m/s；目標速度為300 m/s，目標保持平飛、導彈以迎頭、側向、尾追等全周向角度對目標進行打擊且無上射、下射角。探測場傾角設計過程取脫靶量10 m、導彈速度2 100 m/s，以目標中心作為理想命中部位。首先結合目標外形圖、根據幾何關系算得不同交會角條件相對速度和理想命中部位距目標邊緣的距離L，再根據式(4)對探測場傾角進行計算，計算結果如表1所示。

圖7 某型巡航導彈外形圖(長5.6 m，翼展2.6 m)

表1 不同條件探測場傾角計算結果

進一步考慮引信探測場寬度時，需增加半個探測場寬度的滯后量，如探測場寬度為10°時，攻擊某型巡航導彈可設定探測場傾角為60.67°(探測場范圍為55.67°～65.67°)。

3 設計結果驗證

取典型交會條件對中探測場傾角設計結果進行驗證。其中目標速度取300 m/s、導彈速度取1 200～2 100 m/s、間隔300 m/s，脫靶量2～10 m、間隔2 m,交會角0°～180°、間隔30°，脫靶方位0°～360°、間隔90°，共得到560條彈道。戰斗部破片靜態飛散角寬度取10°，采用觸發線模型進行引戰配合仿真，該模型已成功運動于多型產品，經大量試驗數據驗證和校對，模型真實可信。仿真過程彈目起始距離可保證引信波束無法探測到目標、引信與戰斗部間距與實際保持一致，隨著彈目距離的接近，按步長對目標表面面元進行逐一掃描，依次進行引信探測目標邊緣、引信信號積累、引信確認目標、引戰配合延時、系統固有延時、戰斗部破片動態飛散、破片命中目標判斷等仿真，仿真結束后統計破片命中率和命中部位，以此評估引戰配合效果。

仿真結果表明，上述條件取60.67°探測場傾角，未出現探測場傾角前傾不足造成的零延時、戰斗部破片仍因動態飛散區前傾量較大無法命中目標的現象，結合引戰配合延時設計，破片命中率可達100%，破片命中部位也集中于目標中心附近，引戰配合效果良好。以正上方脫靶方位為例，仿真結果如圖8所示，圖中巡航導彈表面藍色標注區為引信探測部位，紅色標注區為戰斗部破片命中部位。其中90°交會仿真結果0 ms延時、破片帶命中目標中心，與表1計算結果一致。

圖8 探測場傾角設計結果驗證

4 結論

通過計算和分析，可得結論：

1)引信探測場傾角與相對速度、破片靜態初速、破片靜態飛散方向角、脫靶量、目標尺寸因子等相關；戰斗部方案已定時，探測場傾角最小值出現于最高相對速度、最大脫靶量、最小目標尺寸條件。

2)實體目標引信探測場傾角設計過程，需將引信信號積累時間、引信啟動部位和戰斗部理想命中部位不完全重合問題、引信與戰斗部間距、系統慣性延時等考慮在內，以給定條件下探測場傾角最小值作為最終的設計結果。

3)工程實現過程，因質量、體積、硬件現狀等限制無法實現設計的探測場傾角時，需調整戰斗部方案，如提高破片靜態初速、使靜態飛散方向角后傾等，以確保高相對速度、大脫靶量等極限條件下的引戰配合效果。