基于電磁發射彈藥的制導與控制關鍵技術分析

趙婉瑜

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引言

近年來，空襲主戰化、打擊精確化已成為未來高強度局部戰爭的主要發展趨勢，傳統火炮射程不遠、精度不高以及耗彈量大的缺點逐漸暴露出來，不能適應現代戰爭的要求[1]。隨著軍事高新科技的發展，將制導與控制技術應用于常規制式彈藥設計中，可使傳統火炮這類間接瞄準殺傷武器具備遠距離精確打擊點目標的能力。鑒于該形勢，把電磁炮這種利用電磁加速技術實現動能殺傷的新概念武器系統作為制導彈藥的超高速發射平臺，可使制導彈藥在新形勢信息化作戰條件下遂行遠程火力打擊、對岸火力支援以及近程防空反導等多種作戰任務，同時擺脫對發射藥的依賴，有利于降低彈藥成本，從而提高系統的效費比。

1 電磁炮制導彈藥的發展必要性

1.1 戰略轉型需要

隨著戰爭理念的進步與發展，打擊精確化是立足于未來信息化戰爭中的基礎。特別是在未來的非對稱作戰中，傳統火炮發射的常規彈藥已無法應對防區外作戰、發射后不管以及低附帶損傷等新作戰理念[2]，因此亟需進行技術改革以滿足戰略轉型的需要。制導彈藥具有精度高、反應速度快等特點，可以有效地解決由快速機動目標所帶來的命中概率低的問題。

1.2 作戰能力要求

傳統火炮由于受到火藥氣體滯止聲速的限制，炮口初速已達到化學能武器的極限[3]，電磁炮作為一種超高速發射的新概念武器，其利用電磁推進原理對射彈進行加速，其初速和射程可通過改變電流的強度及脈寬對其進行精確控制，具備發射初速高、打擊射程遠、毀傷能力強以及不易攔截的優勢，可滿足未來彈藥遠程化、精確化和高效能的作戰能力要求。

1.3 技術發展趨勢

電磁炮發射非制導彈藥時，由于膛內滑動電接觸情況復雜、膛口高速、高溫以及高壓拉弧的擾動，且隨著射程的增加，會導致彈藥的射向散布會越來越大。為適應遠程精確打擊的技術發展趨勢，需要為電磁炮配備制導彈藥，使其具有超高發射速度的同時，也具有較高的命中概率。只有加快精確制導彈藥技術的發展，才能有效提高電磁炮的作戰效能。

2 電磁炮制導彈藥的發展現狀

國內對于電磁炮制導彈藥的研究還處于初期階段，目前鮮有報道。而國外對于電磁炮制導彈藥的研究起步較早，據報道，美國從2005年啟動了對電磁軌道炮“海軍創新樣機（INP）”和“超高速彈藥（HVP）”的研發，HPV是美國海軍最初為未來電磁軌道炮研發的一種高性能艦炮彈藥[4]，但后續發展成為兼由電磁軌道炮和傳統火炮發射的制導彈藥，具有飛行速度快、可精確制導、造價成本低以及儲存安全等特點，有效地提高了美國海軍艦炮和陸軍火炮的防空反導能力。

HPV項目主要由BEA系統公司和通用原子公司同時承擔，已完成HVP關鍵部件設計、炮彈飛行模擬、毀傷效能評估以及制導電子器件研發等工作。據報道，HVP采用次口徑通用化彈體，僅利用低阻外形就可以實現超高速遠程飛行，并通過閉環火控指令制導+緊湊型GPS制導及姿態控制系統實現精確化打擊。2017年，通用原子公司已在美陸軍猶他州達格威試驗場利用“閃電（Blitzer）”電磁軌道炮成功發射了配裝制導電子單元（GEU）的炮彈（如圖1所示），發射過載高達30 000 g[5]。在該試驗中，完成了對制導電子器件的技術測試，驗證了超高速彈藥的制導能力，提升了電磁炮發射制導彈藥技術的成熟度。

圖1 BAE系統公司研發的HVP模型和美陸軍“Blitzer”電磁炮發射配裝“GEU”炮彈

3 電磁發射彈藥的制導與控制關鍵技術

對于電磁發射制導彈藥來說，其核心是精確制導與控制系統，它的設計主要取決于對各種制導體制的對比分析、電磁炮對制導與控制系統的基本要求以及武器系統本身的限制條件等[6]。精確制導與控制是一種綜合性很強的系統工程技術，其關鍵在于制導體制的選擇、導引律的設計、慣性敏感與探測技術以及控制回路與方法。

3.1 制導體制的選擇

制導體制的分析與選擇是制導控制系統設計的關鍵和首要任務，在很大程度上決定著制導精度和武器性能[6]。選擇何種制導體制，需要結合電磁炮的應用場景與作戰任務，全面考慮和分析眾多制約因素，包括攔截距離、制導精度、抗干擾能力、目標機動性、武器成本、可實現性及可靠性等，權衡利弊，才能做出最優選擇。目前制導體制主要包括自主制導、遙控制導、尋的制導以及復合制導。

前三種單一制導方式各有優缺點（見表1），而應對環境復雜的現代戰場，需要多種制導方式復合取長補短，以提高制導與控制系統的性能。復合制導已成為當代彈藥制導技術的一個顯著特點，按照組合方式的不同，可分為串聯、并聯及串并聯3種復合制導。通常把制導彈藥的整個飛行過程分為初制導、中制導和末制導3個階段。采用串聯復合制導時，其階段性是很明顯的，為了做到不丟失目標、信息連續、控制平穩、彈道平滑過渡以及丟失目標后的再截獲，必須從設計上解決各制導段交班的特殊問題，使末制導導引頭在進入末制導段時能有效截獲目標。采用并聯或串并聯復合制導時，信息處理與融合技術占據突出的地位，必須利用最佳數據融合方法對多源信息進行協調優化處理，以獲取準確、可靠的彈目信息。

表1 3種單一制導體制的簡要對比

3.2 導引方法與導引律設計

為了提高彈藥的制導精度，需要根據目標運動特性和彈藥制導方式選取合理的導引規律，導引規律能確定制導彈藥飛行的理想彈道。目前，導引規律主要可歸納為古典導引方法及其導引律、現代導引方法及其導引律。古典導引又分為以三點法和前置點法為代表的速度導引和以追蹤法、平行接近法及比例導引法為代表的位置導引；而現代導引有變結構導引法、最優導引法、微分對策導引法以及自適應導引法等，它們都是以最優控制理論為基礎推導出來的[7]。其中，比例導引法無論從對目標的響應能力來看，還是從制導精度來看，都具有明顯的優點，且在工程上易于實現，在制導彈藥中已得到廣泛應用。為了適應現代高速機動目標，可利用最優控制理論對純比例導引進行修正，提高該導引律的質量，以產生有效的修正比例導引。

滑模變結構導引律作為一種重要的非線性控制方法，具有結構簡單、響應速度快、超調量小以及魯棒性較強等優點。基于電磁發射彈藥，在外彈道會經歷從高空到低空、從高超聲速到超聲速的變化過程，彈藥的飛行速度、高度等參數變化劇烈，制導彈藥的運動方程也會呈現出強烈的多變量耦合和非線性，大氣密度偏差大造成氣動參數偏差大等特點，這些不確定性因素會給導引律的設計帶來影響，因此需要對滑模變結構控制在不同控制邏輯的切換過程中容易引起系統的劇烈抖振開展進一步優化設計。

3.3 慣性敏感與探測技術

為了保證精確制導與控制，必須通過慣性感知和各種物理探測手段為整個制導與控制系統提供足夠準確、可靠的載體和目標的位置、速度、姿態及它們之間的相對距離等重要信息。這些信息的獲取取決于采用的制導方式，并由相應的慣性敏感和探測裝置來確定。尋的制導一般用于彈藥的飛行末端制導，以提高命中精度。尋的制導彈藥為了具有較高的制導精度、較強的目標識別和抗干擾能力，其先決條件是獲取更多更有用的信息。這些信息是由彈上導引頭提供的，導引頭是現代制導系統中最重要的探測部件，通常有雷達、紅外、激光、電視和復合導引頭，目前應用較多的是激光半主動導引頭，其工作原理如圖2所示。探測技術正朝著成像、凝視以及多波段復合探測的方向發展[7]。

圖2 激光半主動導引頭工作原理圖

尋的制導技術由于探測器受各種條件的限制，其探測距離是有限的，需要在初、中制導段采用慣性導航、GPS修正和圖像匹配等自主制導方式，而慣性導航的核心是慣性敏感器件，慣性敏感器件要求在承受極端特殊的彈載環境下，能夠具備高精度測量、器件輕小型化等特點。目前，先進的捷聯慣導已基本替代傳統機械平臺慣導，捷聯慣導是將慣性敏感元件與彈體固連，采用“數學平臺”實現陀螺穩定平臺的功能，可直接測量彈體運動信息（如圖3所示），具有體積小、質量輕、成本低以及可靠性高的特點，為了獲得慣性系下的彈目相對運動信息與彈體視線角及其速率的關系，就需要選擇合適的解耦算法對測量量進行坐標變換，從而給出準確的制導指令。

圖3 捷聯慣導組合工作原理圖

3.4 控制回路與方法

制導與控制系統主要有2個回路（如圖4所示），制導回路的主要任務是控制彈體的質心運動，保證彈藥的命中精度；控制回路的主要任務是控制彈體的繞質心轉動，保證彈藥的飛行姿態穩定。從控制系統的組成元部件及回路分析可以看出，制導彈藥控制系統存在多回路、三通道鉸鏈、變參數、非線性和變結構等問題，對于這樣復雜的控制系統，分析和設計工作顯然相當麻煩。通常在初步分析設計時，先進行合理地簡化，再對簡化后的系統進行分析計算，當需要進一步分析設計時，還必須借助數字仿真和半實物仿真來完成相關工作。

圖4 典型制導與控制回路

制導彈藥飛行姿態的操縱是通過控制執行機構來實現的，要改變制導彈藥的飛行姿態，就需要改變垂直于速度矢量的控制力，而控制力的改變是通過空氣動力、推力矢量或直接力的大小和方向的改變來實現的。未來電磁炮在應對高速機動目標時，彈藥僅依靠空氣動力控制，其偏轉角度和速度都是有限的，很難實現快速響應能力，系統控制精度下降，從而無法實現對目標的精確打擊。利用空氣動力/直接力的復合控制方法有望實現對高空、快速以及大機動目標的精確攔截，以提高彈藥的敏捷控制。

4 電磁發射彈藥的制導與控制瓶頸問題

4.1 抗高過載/強磁場技術

電磁發射武器與傳統化學能武器相比，由于發射機理的改變，彈丸膛內發射環境更為復雜，表現為長時高過載和脈沖強磁場的耦合作用，其中發射過載高達30 000 g以上，峰值磁場達5 T以上（如圖5所示），并且在彈藥出膛瞬間，樞軌電流的快速轉移，會導致彈藥在膛口處磁場變化率極高。抗高過載/強磁場能力已成為制約制導器件應用于電磁發射彈藥的一項重要考核指標[3，8]。這一方面使彈上磁場特性分析面臨高速滑動電接觸及高速電弧轉移的發射組件磁場建模的難題；而彈上力學特性分析面臨瞬時高動態發射組件內彈道動力學建模的難題；另一方面使得對彈丸的膛內發射的安全性設計尤其是彈載制導器件結構強度的設計面臨巨大的挑戰。

圖5 彈藥在膛內承受的過載以及磁場變化曲線

4.2 微系統技術

與傳統精確制導武器相比，電磁炮口徑較小且一般采用次口徑彈藥，對制導器件、導航器件、控制電路、執行機構、彈上電源及總體結構的設計有許多限制。為了在彈藥尺寸縮小且加速過載提高的情況下確保各部件技術指標性能不下降，實現制導與控制微系統化是發展電磁炮制導彈藥必須解決的一項關鍵技術[9]。隨著MEMS器件工藝、微電子處理技術、制導控制一體化設計以及芯片級微系統技術的發展，使彈上制導電子設備的微型化成為可能，給電磁發射精確制導技術的發展提高了創新的動力。

5 結語

盡管現階段電磁發射制導彈藥仍存在不少問題，但隨著復合制導技術、光電技術、微機電技術以及抗高過載等相關技術的不斷成熟，制導彈藥將憑借其命中精度高、反應時間短、附帶損傷小以及作戰效能高等優勢成為未來戰爭中炮兵實現“防空反導、精確打擊、高效毀傷”的首選彈藥。利用電磁炮超高速發射制導彈藥將對未來作戰方式產生長遠的影響，具有重要的軍事、技術與經濟意義。