艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)彈目交會(huì)仿真分析?

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì) 葫蘆島 125000）

1 引言

引戰(zhàn)配合的概念是保證引信適時(shí)起爆戰(zhàn)斗部并有效摧毀目標(biāo)［1］，導(dǎo)彈實(shí)際遭遇目標(biāo)時(shí)的彈目運(yùn)動(dòng)、引信探測(cè)接收目標(biāo)信號(hào)和信號(hào)處理識(shí)別、引信延時(shí)、戰(zhàn)斗部爆炸毀傷目標(biāo)的過程稱為引戰(zhàn)配合過程［2］。在引戰(zhàn)配合中，遭遇段一般是指導(dǎo)彈和目標(biāo)接近時(shí)，引信接收到目標(biāo)反射信號(hào)的一段運(yùn)動(dòng)軌跡。在實(shí)際的艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)中，遭遇段彈道參數(shù)、引信啟動(dòng)參數(shù)、戰(zhàn)斗部毀傷參數(shù)是試驗(yàn)結(jié)果分析和導(dǎo)彈引戰(zhàn)系統(tǒng)性能評(píng)估的重要依據(jù)。艦空導(dǎo)彈利用戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的殺傷物質(zhì)及沖擊波等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行直接毀傷，但由于存在“制導(dǎo)盲區(qū)”，導(dǎo)彈直接命中目標(biāo)概率較小，所以對(duì)艦空導(dǎo)彈的引戰(zhàn)配合性能提出了更高要求，以便于在不同交會(huì)條件下，導(dǎo)彈能最大限度地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行殺傷［3］。文獻(xiàn)［4～8］從不同的角度進(jìn)行了引戰(zhàn)配合仿真建模與研究，重點(diǎn)從引戰(zhàn)配合設(shè)計(jì)以及優(yōu)化的角度進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［9～10］分別建立了彈目交會(huì)仿真系統(tǒng)，對(duì)基于引戰(zhàn)配合的彈目交會(huì)毀傷過程進(jìn)行了研究。

在實(shí)際導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)中，引信計(jì)算及程序?qū)崿F(xiàn)都非常復(fù)雜，不同型號(hào)導(dǎo)彈引信的體制和探測(cè)規(guī)律也不盡相同，而在試驗(yàn)過程中又要求對(duì)數(shù)據(jù)的判讀有一定的時(shí)效性，及時(shí)為試驗(yàn)評(píng)估提供決策依據(jù)［11］。如何根據(jù)導(dǎo)彈攔截目標(biāo)獲得的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)快速評(píng)估導(dǎo)彈對(duì)典型目標(biāo)的毀傷效果是亟需解決的難題，而對(duì)缺失的終點(diǎn)彈道參數(shù)進(jìn)行推算補(bǔ)償，將彈目交會(huì)過程中目標(biāo)毀傷進(jìn)行模擬，可以大大提高試驗(yàn)結(jié)果分析的效率，更加有效地分析導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)結(jié)果。

以上述分析為基礎(chǔ)，本文基于VB語言，重點(diǎn)對(duì)艦空導(dǎo)彈彈目交會(huì)段飛行軌跡進(jìn)行仿真，復(fù)現(xiàn)彈目交會(huì)過程和模擬毀傷效果，為評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果提供快速有效的輔助分析方法，提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速分析能力。

2 彈目交會(huì)模型

導(dǎo)彈和目標(biāo)交會(huì)段又稱遭遇段，因交會(huì)段持續(xù)時(shí)間較短，導(dǎo)彈及目標(biāo)的速度矢量變化不大，可認(rèn)為彈目作勻速直線運(yùn)動(dòng)，而且由于導(dǎo)彈和目標(biāo)來不及機(jī)動(dòng)，可認(rèn)為導(dǎo)彈與目標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)等同于剛進(jìn)入交會(huì)段時(shí)刻的姿態(tài)參數(shù)。導(dǎo)彈和目標(biāo)交會(huì)段的模型是在幾個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行的，這就要求在這一段過程中，建立慣性坐標(biāo)系、目標(biāo)坐標(biāo)系、彈體坐標(biāo)系和相對(duì)速度坐標(biāo)系。同時(shí)，進(jìn)行彈目交會(huì)過程分析時(shí)，需要進(jìn)行坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，通過各坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)變換，將導(dǎo)彈與目標(biāo)參數(shù)緊緊聯(lián)系起來。

2.1 引信探測(cè)模型

在多個(gè)坐標(biāo)系中均存在彈目空間交會(huì)模型，彈目交會(huì)參數(shù)較多，其主要參數(shù)包括目標(biāo)速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐標(biāo)及導(dǎo)彈速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐標(biāo)等［10］。

將靶彈作為攔截目標(biāo)，交會(huì)段地面坐標(biāo)系oxyz下的彈目交會(huì)姿態(tài)和導(dǎo)彈引信的探測(cè)模型見圖1。由于將光測(cè)點(diǎn)設(shè)在導(dǎo)彈和靶彈尾部發(fā)動(dòng)機(jī)火焰噴口，圖中導(dǎo)彈彈體坐標(biāo)系odxdydzd原點(diǎn)設(shè)在導(dǎo)彈尾部，F(xiàn)點(diǎn)表示引信。引信探測(cè)參數(shù)主要有兩個(gè)：引信探測(cè)傾角Ω和探測(cè)距離R。防空導(dǎo)彈引信為了全方位探測(cè)目標(biāo)，一般在繞彈軸360°的范圍內(nèi)形成一圓錐體探測(cè)場(chǎng)。通常在彈體坐標(biāo)系中表示引信探測(cè)場(chǎng)，無線電天線主瓣或者激光引信光軸與彈軸的夾角Ω為引信探測(cè)傾角，錐體母線為引信啟動(dòng)距離R，它決定了引信探測(cè)的敏感區(qū)，是引信啟動(dòng)特性高低的重要參數(shù)。

圖1 艦空導(dǎo)彈引信探測(cè)模型

2.2 戰(zhàn)斗部破片動(dòng)態(tài)飛散模型［12］

導(dǎo)彈在靜止時(shí)刻，戰(zhàn)斗部發(fā)生爆炸所形成的戰(zhàn)斗部破片（或桿條）飛散區(qū)，稱為靜態(tài)飛散區(qū)。導(dǎo)彈在飛行時(shí)，戰(zhàn)斗部發(fā)生爆炸后，在破片靜態(tài)飛散速度上疊加導(dǎo)彈速度后所形成的破片飛散區(qū)稱為戰(zhàn)斗部破片動(dòng)態(tài)飛散區(qū)。非定向戰(zhàn)斗部破片的靜態(tài)飛散區(qū)相對(duì)于導(dǎo)彈縱軸對(duì)稱，且繞彈軸360°方向均勻飛散，因此同引信探測(cè)場(chǎng)一樣，在彈體坐標(biāo)系中表示破片飛散區(qū)最為方便。

靜態(tài)飛散區(qū)和動(dòng)態(tài)飛散區(qū)在彈體坐標(biāo)系內(nèi)的關(guān)系圖如圖2所示。圖中，Z點(diǎn)表示戰(zhàn)斗部中心；φ0為破片靜態(tài)飛散角；φ1為動(dòng)態(tài)飛散角；v0為破片靜態(tài)初速；v1為動(dòng)態(tài)初速。

圖2 破片靜態(tài)飛散區(qū)和動(dòng)態(tài)飛散區(qū)關(guān)系圖

3 仿真界面設(shè)計(jì)與流程介紹

根據(jù)試驗(yàn)中彈目外彈道特征參數(shù)和戰(zhàn)斗部技術(shù)參數(shù)，建立彈目交會(huì)段模型，并對(duì)缺失的終點(diǎn)彈道參數(shù)進(jìn)行推算補(bǔ)償，通過炸點(diǎn)時(shí)刻和戰(zhàn)斗部爆炸威力的有效殺傷區(qū)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)毀傷模擬，在考慮試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)位置校正后，光測(cè)、遙測(cè)數(shù)據(jù)可互相對(duì)應(yīng)分析，從而可達(dá)到試驗(yàn)分析效果。導(dǎo)彈與目標(biāo)的空間位置坐標(biāo)主要來源于實(shí)際的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這里飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括光測(cè)與遙測(cè)數(shù)據(jù)。遙測(cè)數(shù)據(jù)能提供導(dǎo)彈位置、速度和姿態(tài)等參數(shù)及目標(biāo)位置和速度等參數(shù)，而光測(cè)數(shù)據(jù)可以提供比遙測(cè)數(shù)據(jù)精度更高的彈目參數(shù)信息。

3.1 操作系統(tǒng)及界面

導(dǎo)彈與目標(biāo)交會(huì)段快速分析系統(tǒng)基于VB語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該操作系統(tǒng)主要包含兩大模塊：一是后臺(tái)仿真計(jì)算模塊，二是主界面操作顯示模塊。后臺(tái)仿真計(jì)算模塊在后臺(tái)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，主界面操作顯示模塊在前臺(tái)模擬彈目交會(huì)過程，對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。后臺(tái)仿真計(jì)算模塊采取利用遙測(cè)和光測(cè)數(shù)據(jù)擬合重建遭遇段彈目運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法，通過建立引信探測(cè)模型，研究飛行試驗(yàn)引信啟動(dòng)點(diǎn)及通過建立戰(zhàn)斗部破片飛散模型，研究飛行試驗(yàn)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)殺傷區(qū)域。主界面主要包括導(dǎo)彈型號(hào)、彈目位置、交會(huì)參數(shù)、戰(zhàn)斗部參數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、擬合與仿真等的輸入，窗體界面的設(shè)置，圖像圖形的調(diào)整以及毀傷效果的模擬，如圖3所示。

圖3 彈目交會(huì)段仿真界面

3.2 彈目交會(huì)段分析流程

在實(shí)際飛行試驗(yàn)彈目遭遇過程中，引信探測(cè)到目標(biāo)，然后啟動(dòng)，再經(jīng)過引戰(zhàn)配合延時(shí)，戰(zhàn)斗部爆炸。由于遙測(cè)參數(shù)記錄引信啟動(dòng)時(shí)間，引戰(zhàn)配合延時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，只要得知引信在目標(biāo)的啟動(dòng)點(diǎn)，即可根據(jù)彈目遭遇模型和戰(zhàn)斗部破片飛散模型模擬出彈目交會(huì)過程及導(dǎo)彈起爆的毀傷效果。通過讀取彈目位置文件，并對(duì)試驗(yàn)中導(dǎo)彈及目標(biāo)各種主要參數(shù)的輸入，模擬出飛行試驗(yàn)中彈目交會(huì)過程，具體流程如圖4所示。

圖4 艦空導(dǎo)彈交會(huì)段仿真流程

4 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

某型艦空導(dǎo)彈經(jīng)過多次試驗(yàn)，根據(jù)某次試驗(yàn)影像顯示，導(dǎo)彈與目標(biāo)均正常起飛至彈目遭遇后，戰(zhàn)斗部起爆，目標(biāo)墜落。導(dǎo)彈遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，導(dǎo)彈飛行過程中，引信工作正常且在彈目遭遇時(shí)進(jìn)行報(bào)警輸出，適時(shí)引爆了戰(zhàn)斗部。在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行完全處理后，對(duì)彈目交會(huì)系統(tǒng)進(jìn)行以仿真驗(yàn)證。

4.1 初始條件輸入

仿真系統(tǒng)彈目交會(huì)段初始參數(shù)見表1。

表1 初始參數(shù)

本次仿真驗(yàn)證中，取vm=900m/s，φm=50.5°，θm=25.8°，φ1=118°，φ0=85°，v0=2100m/s，rm=20m，lt=9m，wt=7m，vt=215m/s，φt=6.7°，θt=8.6°，T爆炸=19.170±0.005s，T0=10：30：10.000s，導(dǎo)彈及目標(biāo)空間位置由光測(cè)給出，以表格形式導(dǎo)入系統(tǒng)。

4.2 結(jié)果模擬分析

輸入初始參數(shù)后，模擬得到的彈目交會(huì)段和戰(zhàn)斗部毀傷效果，如圖5所示。導(dǎo)彈與目標(biāo)正常交會(huì)，從圖中能夠直觀的看出導(dǎo)彈和目標(biāo)的空間分布位置、運(yùn)動(dòng)軌跡及戰(zhàn)斗部殺傷區(qū)所覆蓋的面積。需要說明的是，對(duì)于導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部起爆的模擬，圖中起爆位置為最后光測(cè)時(shí)間的位置，假設(shè)該位置為戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)，可以直接的看出導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部殺傷區(qū)未能對(duì)目標(biāo)造成有效的殺傷。此時(shí)，遭遇段該時(shí)刻為19.15s，彈目距為23.95m。而通過與引信報(bào)警的時(shí)間比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，在該時(shí)刻戰(zhàn)斗部確實(shí)并未起爆，沒有對(duì)目標(biāo)進(jìn)行殺傷。

圖5 彈目交會(huì)模擬

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是在實(shí)際的飛行試驗(yàn)中，導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)起爆瞬時(shí)的數(shù)據(jù)在光測(cè)數(shù)據(jù)中無法進(jìn)行體現(xiàn)，也就不能繼續(xù)展示后續(xù)彈目遭遇及戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)毀傷的過程。

為更好的掌握彈目交會(huì)及毀傷過程，對(duì)彈目運(yùn)動(dòng)進(jìn)行延時(shí)模擬。調(diào)整擬合與仿真設(shè)置，將彈目交會(huì)續(xù)延時(shí)間設(shè)置為40ms，逐點(diǎn)運(yùn)行速度設(shè)置為500ms/點(diǎn)，進(jìn)一步模擬彈目運(yùn)動(dòng)及導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)毀傷效果，如圖6所示。從圖中可以看出，導(dǎo)彈與目標(biāo)正常交會(huì)，導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部起爆后，其殺傷區(qū)與目標(biāo)區(qū)域有重疊，在一定程度上表明，導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了殺傷。根據(jù)軟件系統(tǒng)界面顯示，此時(shí)遭遇段的時(shí)間為19.168s，彈目距為10.85m，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，戰(zhàn)斗部爆炸時(shí)間為T爆炸=19.170±0.005s，通過與爆炸時(shí)間參數(shù)比較及結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，可以得出該過程導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了有效殺傷。

圖6 彈目交會(huì)延時(shí)模擬

5 結(jié)語

本文采用VB語言，根據(jù)艦空導(dǎo)彈彈目遭遇段相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及引信工作原理，建立了艦空導(dǎo)彈彈目交會(huì)段模型，通過彈目交會(huì)段外彈道測(cè)量的彈目位置參數(shù)，采用彈道插值和彈道推延方法模擬彈目交會(huì)過程；同時(shí)通過戰(zhàn)斗部毀傷威力與殺傷區(qū)分析，直觀模擬了導(dǎo)彈起爆的毀傷效果。通過對(duì)交會(huì)過程模擬，得到導(dǎo)彈在特定時(shí)間是否對(duì)目標(biāo)造成有效殺傷的判定依據(jù)，在彈目交會(huì)末端，更加方便直觀對(duì)艦空導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合性能進(jìn)行分析，為艦空導(dǎo)彈試驗(yàn)結(jié)果的快速判讀與試驗(yàn)效果的評(píng)估提供有力的數(shù)據(jù)支持。另外，本文為艦空導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)遭遇段彈目交會(huì)分析、戰(zhàn)斗部毀傷效果分析等試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定與導(dǎo)彈性能評(píng)估工作中提供理論指導(dǎo)及應(yīng)用價(jià)值。