李合新

(中國空空導彈研究院,河南洛陽471009)

0 引言

虛擬樣機技術(shù)可以縮短研制周期、降低研制成本、提高產(chǎn)品設計質(zhì)量。近年來,虛擬樣機技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展較快,已在航空航天等領域的復雜產(chǎn)品設計和試驗中得到了較好的應用。某型空空導彈在研制過程中借助了制導系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù),在靶試彈道預測、參數(shù)優(yōu)化、性能驗證等方面發(fā)揮了重要作用。

為借助空空導彈虛擬樣機進一步研究彈目末端交會過程、毀傷情況、引戰(zhàn)配合情況及殺傷概率,需要在導彈虛擬樣機中增加對引戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真。文中介紹了一種適用于總體性能研究的引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真建模方法,該模型能夠利用制導系統(tǒng)仿真信息實時進行引信探測、碰撞檢測計算和戰(zhàn)斗部飛散過程模擬等。

1 某型導彈虛擬樣機簡介

某型空空導彈虛擬樣機目前僅由制導仿真子系統(tǒng)和視景仿真子系統(tǒng)組成,所以也稱為導彈制導系統(tǒng)虛擬樣機,其構(gòu)成如圖1所示。其中制導仿真子系統(tǒng)在VC++環(huán)境下開發(fā)各仿真模塊的用戶函數(shù),并在武器系統(tǒng)虛擬樣機設計環(huán)境[1]下進行模塊組裝與接口連接,通過運行實現(xiàn)導彈攻擊過程的實時彈道仿真;視景仿真模塊借助3D建模工具MultiGen Creator進行實體和場景的建模,并借助視景仿真軟件Vega再現(xiàn)場景和攻擊過程,達到逼真的仿真效果。制導仿真子系統(tǒng)通過以太網(wǎng)或同步內(nèi)存的方式向視景仿真子系統(tǒng)實時傳輸彈道信息[2]。

圖1 空空導彈制導系統(tǒng)虛擬樣機結(jié)構(gòu)

2 引戰(zhàn)系統(tǒng)分析及仿真建模要求

2.1 引戰(zhàn)系統(tǒng)分析

空空導彈引戰(zhàn)系統(tǒng)由引信、戰(zhàn)斗部和安保機構(gòu)構(gòu)成,其中引信同時含近炸、模塊和自炸3個模塊。

先進的導彈一般采用制導引信一體化設計,讓引信充分利用制導信息,提高引信的抗干擾能力和引戰(zhàn)配合效果。飛控計算機控制引信加電,并根據(jù)彈目相對運動關系實時計算引信延遲時間。當引信探測到目標后,向飛控計算機發(fā)出“目標存在”信號,飛控延時后再向引戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)出“引爆”信號。

2.2 引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真建模要求

目前國內(nèi)對引戰(zhàn)系統(tǒng)進行數(shù)學仿真的建模方法較多,但這些方法一般僅適用于單獨引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真,并不適合與制導系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真。根據(jù)制導虛擬樣機的運行原理,結(jié)合引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真自身要求,總結(jié)對引戰(zhàn)系統(tǒng)進行仿真建模應遵循的原則如下:

1)真實性:能夠真實反映交會狀態(tài)和引戰(zhàn)系統(tǒng)性能,并有足夠的精度;

2)實時能力:可在末端彈道上連續(xù)實時計算;

3)快速性:不過分影響系統(tǒng)的仿真運行速度;

4)接口要求:可與制導仿真子系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接,所有輸入?yún)?shù)均可以從制導仿真中獲取。

3 引戰(zhàn)仿真子系統(tǒng)建模方法

3.1 仿真坐標系選擇與坐標轉(zhuǎn)換

制導仿真以地理系(CKOg)為基準系,輸出的彈道信息包括導彈、目標的位置和姿態(tài),這些信息確定了彈目相對關系,可供引戰(zhàn)仿真使用。地理系以導彈發(fā)射點在大地上的投影為原點,采用北天東坐標系統(tǒng)。

引戰(zhàn)系統(tǒng)工作于近距,末端交會仿真需要導彈和目標幾何外形,用目標系(CKOt)和彈體系(CKOm)定義。目標系原點設在目標的幾何中心,X軸沿目標縱軸為正方向,Y軸取在目標對稱平面內(nèi),向上為正,Z軸構(gòu)成右手系。彈體系定義與目標系類似。

導彈和目標在地理系中的位置和姿態(tài)確定后,可將目標上一點轉(zhuǎn)換到彈體系中。設地理系中導彈位置(xr0,yr0,zr0)′、目標位置(xt0,yt0,zt0)′、彈體系到地理系轉(zhuǎn)換矩陣AGR、目標到地理系轉(zhuǎn)換矩陣AGZ,對目標上任意一點(xt,yt,zt)′,轉(zhuǎn)換到彈體系中的坐標(xr,yr,zr)′為 :

3.2 仿真模型分割與組裝

根據(jù)引戰(zhàn)系統(tǒng)原理將引戰(zhàn)系統(tǒng)功能模塊劃分為近距探測、碰撞檢測、自炸、延時與炸點控制、戰(zhàn)斗部飛散及毀傷判定等子模塊。根據(jù)制導系統(tǒng)和引戰(zhàn)系統(tǒng)的工作關系,將引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真模型插在制導仿真和視景仿真兩個模塊之間,引戰(zhàn)仿真輸入來自制導仿真,仿真結(jié)果可用于渲染末端交會過程。

基于以上分析,建立引戰(zhàn)仿真模型,并與制導仿真、視景仿真模型連接,確定接口關系,如圖2所示。其中與制導仿真的接口信息包括彈道信息(導彈和目標的位置、姿態(tài))和飛控對引信的控制信息;對視景仿真的輸出除轉(zhuǎn)接彈道信息外,主要包括引信視場傾角和作用距離、戰(zhàn)斗部殺傷元飛散等信息。

圖2 引戰(zhàn)仿真模型結(jié)構(gòu)及與制導、視景仿真接口

3.3 引戰(zhàn)系統(tǒng)仿真步長確定

引戰(zhàn)虛擬樣機與制導虛擬樣機連接,首先必須考慮外接口同步,采用制導仿真步長;其次,引戰(zhàn)虛擬樣機內(nèi)部要考慮仿真精度,包括引信探測、炸點輸出、碰撞檢測、戰(zhàn)斗部殺傷元飛散等,需要對制導仿真步長進行細分,多步實現(xiàn);第三要考慮仿真計算量,仿真步長不可過小。制導仿真步長為1ms,考慮上述因素,引戰(zhàn)仿真步長取0.2ms較為合適。

4 引戰(zhàn)系統(tǒng)各子模塊建模方法

4.1 近距探測模型

近距探測模型模擬近炸引信探測和啟動過程。

近炸引信的探測和啟動特性用一些主要參數(shù)描述,如引信視場傾角、作用距離、進入目標深度等。

對近炸引信探測仿真可采用觸發(fā)線方法[3]進行建模,如圖3所示。圖中引信距導彈中心的距離為L,引信視場中心傾角和視場寬度分別為α和Δ α,引信作用距離為R。

圖3 觸發(fā)線模型

先研究目標上的一點(xt,yt,zt)′是否被引信探測到。該點轉(zhuǎn)換到彈體系的坐標為(xr,yr,zr)′。計算目標點離引信中心距離dDM及目標視線與彈軸的夾角β:

引信探測到目標上一個點不等于引信能夠馬上啟動。對引信啟動特性仿真,可采用多種方法,如:

1)兩點法:當引信探測到目標表面上的一個點后,根據(jù)引信啟動特性取一個足夠使引信啟動的最小時間,在此時間段內(nèi)不進行探測計算,當啟動時間結(jié)束時再判斷一次,若在探測場內(nèi)仍存在一個目標點,則確認引信啟動;

2)探痕長度法:在某一交會時刻如果目標上有兩個以上點能被引信探測到,且存在兩點距離大于一門限值,確認引信啟動;

3)進入深度法:由仿真步長和彈目接近速度可計算出引信進入目標的深度。當引信連續(xù)探測到目標且達到一定的進入深度時,確認引信啟動。

4.2 碰撞檢測模型

碰撞檢測模型模擬觸發(fā)引信的工作。把導彈簡化成1個或3個圓柱體。設目標上一點轉(zhuǎn)換到彈體系的坐標為(xr,yr,zr)′,判斷目標上一點與彈體的關系,若此點在彈體內(nèi),可判定彈體與目標相撞,將碰撞標志送至延時起爆模塊。判斷條件為:

式中,x1、x2為圓柱體軸向前、后界,r為圓柱體半徑。

4.3 自炸模型

引信自炸模塊從引信加電開始計時,計時完成后給出炸點。根據(jù)自炸模塊的計時起點和時間常數(shù)直接設置計時器,如果觸發(fā)和近炸引信均未作用,計時結(jié)束后將自炸標志傳給延時與炸點控制模塊。

4.4 延時與炸點控制模型

延時與炸點控制建模包括兩方面:

1)引信延遲時間計算。根據(jù)交會條件,實時計算最佳引戰(zhàn)配合延時:

式中:vr為彈目相對速度,k1、k2、k3為根據(jù)交會角、攻擊平面夾角、目標類型、目標指示精度等參數(shù)實時查表得出的常數(shù)。

2)炸點控制。當近炸模塊給出“目標存在”標志后,根據(jù)當前最佳延遲時間進行計時,結(jié)束后輸出炸點。如果接收到來自碰撞檢測模塊和自炸模塊輸出的碰撞或自炸標志,不經(jīng)延時直接給出炸點。

4.5 戰(zhàn)斗部飛散及毀傷判定模型

戰(zhàn)斗部爆炸后通過殺傷元高速飛散殺傷目標,爆炸離目標較近時爆轟波也可直接毀傷目標。

以聚焦式離散桿戰(zhàn)斗部為例進行建模。戰(zhàn)斗部的主要性能指標包括威力半徑、飛散方向角、飛散角、桿條參數(shù)、初速均值與方差、速度衰減系數(shù)等,這些參數(shù)可以從戰(zhàn)斗部靜爆試驗中獲得。戰(zhàn)斗部爆炸后,殺傷元(離散桿)以一定的初速向外飛散,在彈體系中可以看作是一個逐漸擴大的圓環(huán)。若忽略空氣的阻力(時間極短,可不考慮),在彈體系中殺傷元向外擴散的過程與戰(zhàn)斗部靜爆的飛散過程是一致的,近似等效為飛散環(huán)。飛散環(huán)是一個動態(tài)變化的物體,飛散環(huán)特性用飛散半徑R、環(huán)截面半徑r和戰(zhàn)斗部威力半徑D三個參數(shù)描述,其中R根據(jù)戰(zhàn)斗部靜爆初速飛散時間計算,r根據(jù)初速、飛散時間和飛散角計算。戰(zhàn)斗部威力半徑D限制了環(huán)半徑的上限。飛散環(huán)模型見圖4。

目標是否被毀傷是一個復雜的問題,與戰(zhàn)斗部威力、目標易損性、引戰(zhàn)配合等因素有關。為滿足仿真快速性要求,將問題簡化,只考慮引戰(zhàn)配合和戰(zhàn)斗部威力半徑,不考慮目標易損性,這種方法完全能夠滿足導彈性能和引戰(zhàn)配合研究的需要。

下面研究目標毀傷判據(jù),假定毀傷結(jié)果有1(被毀)和0(完好)兩種狀態(tài),當以下三個條件中任何一個滿足時,判定目標被毀:

1)導彈和目標直接發(fā)生碰撞,此標志由碰撞檢測模塊給出;

2)爆轟波毀傷,在戰(zhàn)斗部爆炸瞬間目標離戰(zhàn)斗部質(zhì)心的距離在戰(zhàn)斗部的爆轟波威力半徑之內(nèi);

3)戰(zhàn)斗部飛散環(huán)與目標碰撞。

其中戰(zhàn)斗部飛散環(huán)與目標碰撞的判斷算法較復雜,下面給出計算方法。

如圖4所示,設O點為導彈質(zhì)心,同時也是戰(zhàn)斗部的中心。戰(zhàn)斗部飛散環(huán)在彈體系的YZ平面內(nèi),環(huán)半徑和環(huán)截面半徑分別為R和r。已知目標上一點A轉(zhuǎn)換到彈體系中的位置為(xa,ya,za)′,研究此點是否與飛散環(huán)相遇。

圖4 目標點與戰(zhàn)斗部飛散環(huán)關系圖

先過O點與A點作垂直于Y Z平面的輔助平面OAB, B(0,ya,za)′點為A點在YZ平面的投影,OAB平面垂直切割戰(zhàn)斗部飛散環(huán)截得一個圓截面,其半徑為r,圓心O′在彈體系中的坐標為:

判斷A點是否落入所求的圓截面內(nèi),即可知 A點是否在飛散環(huán)內(nèi)。A點落入圓截面的條件為:

若目標上任何一點與戰(zhàn)斗部飛散環(huán)相遇,即判斷飛散環(huán)撞擊目標。當戰(zhàn)斗部飛散環(huán)半徑大于戰(zhàn)斗部威力半徑時,停止毀傷計算。

5 視景仿真改造

視景仿真模塊已實現(xiàn)了實體目標的三維顯示,為研究末端交會詳細過程,在原視景仿真基礎上增加引信視場空心錐面和戰(zhàn)斗部飛散環(huán),為此建立引信視場空心錐和戰(zhàn)斗部飛散環(huán)3D模型并載入場景,通過開關變量控制它們的顯隱,其中引信探測場在近炸引信工作時同步顯示,戰(zhàn)斗部飛散環(huán)從起爆信號給出后開始,并逐漸擴大。

6 結(jié)論與仿真實例

圖5 末端交會過程戰(zhàn)斗部爆炸后某一瞬間畫面

建立引戰(zhàn)仿真模型后,與制導仿真、視景仿真實現(xiàn)了順利連接,導彈虛擬樣機功能更加完整,經(jīng)實際運行效果良好。圖5是截取末端交會過程戰(zhàn)斗部爆炸后某一瞬間目標通道畫面,畫面中除目標外還可以觀察到導彈、引信視場、戰(zhàn)斗部飛散錐等。從圖中可以看出戰(zhàn)斗部飛散錐殺傷目標的大致部位,驗證了引戰(zhàn)配合的合理性。

[1]趙建衛(wèi),唐碩,吳催生.武器系統(tǒng)虛擬樣機設計環(huán)境[J].飛行力學,2000(2):15-18.

[2]崔顥,趙建衛(wèi),唐碩.基于RTNET的分布仿真設計[J].航空兵器,2002(1):42-44.

[3]掌亞軍.引信觸發(fā)線模型在空空導彈殺傷效能仿真中的應用[J].航空兵器,2000(4):21-23.