唐輝輝,郭　銳,檀艷朝,劉榮忠,張　俊

(1　南京理工大學機械工程學院智能彈藥國防重點學科實驗室,南京　210094;

2　國營5103廠,河南南陽　473000)

典型末敏彈對抗可視化仿真軟件研究*

唐輝輝1,郭銳1,檀艷朝2,劉榮忠1,張俊1

(1南京理工大學機械工程學院智能彈藥國防重點學科實驗室,南京210094;

2國營5103廠,河南南陽473000)

摘要:文中基于MATLAB/GUI軟件開發(fā)了一套用于典型末敏彈對抗的可視化仿真軟件,通過人機交互界面輸入典型末敏彈的初始參數(shù)、氣象條件等,可獲得末敏彈飛行過程的實時運動狀態(tài)、紅外輻射特性等,并給出了相應的干擾措施,仿真結(jié)果以表格或圖像形式實時輸出顯示。仿真結(jié)果表明,本仿真準確地反映了末敏彈運動參數(shù)的變化,控制方便,可為末敏彈的研制、對抗及戰(zhàn)術(shù)訓練提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞:末敏彈;MATLAB/GUI;運動模塊;紅外輻射特性模塊;對抗模塊

0引言

末敏彈是一種敏感器引爆彈藥,是把先進的敏感器技術(shù)和爆炸成形彈丸(EFP)技術(shù)應用到子母彈領(lǐng)域中的一種新型彈藥[1]。傳統(tǒng)研究多采用大量物理實驗方法,成本高、效率低,而運用可視化仿真系統(tǒng)軟件,可得到末敏彈運動的實時圖像,就可以形象直觀的根據(jù)末敏彈的運動狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)問題,通過修改結(jié)構(gòu)、彈道、氣動等參數(shù)進一步完善末敏彈的彈道模型,以達到更好的攻擊效果。

目前常規(guī)彈藥的可視化仿真軟件研究很多,文獻[2]針對魚雷在既定的彈道、不同導引律下的運動過程進行了可視化仿真。文獻[3]對基于VR的末敏彈可視化仿真方法進行了研究,但其主要功能為末敏彈全彈道可視化仿真,不具備人機交互功能。

根據(jù)末敏彈告警對抗的軍事需要,文中開發(fā)了一套用于對抗外軍典型末敏彈的可視化仿真軟件,基于MATLAB/GUI進行了界面設(shè)計,通過人機交互界面輸入初始參數(shù)便可得到計算結(jié)果并且可以直觀顯示典型末敏彈在設(shè)定戰(zhàn)情條件下的實時飛行軌跡,獲得典型末敏彈飛行過程的紅外輻射特性,并能給出相應的對抗干擾措施。

1MATLAB/GUI圖形用戶界面

MATLAB集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體,在系統(tǒng)建模和仿真、科學和工程繪圖及應用程序開發(fā)等方面有著廣泛應用。MATLAB /GUI圖形用戶界面[4]包含了各種圖形控制對象,如圖形窗口、菜單、對話框以及文本等內(nèi)容的用戶界面。為了讓界面實現(xiàn)各種功能,需要對各個圖形對象進行布局和時間編程。利用這些用戶界面,用戶可以和計算機之間進行信息交流。用戶可以通過某種方式來選擇或者激活這些圖形對象,來運行一些特性的M文件。

2對抗可視化仿真軟件總體設(shè)計

此軟件同時具備參數(shù)輸入、仿真計算及計算結(jié)果數(shù)據(jù)的保存和輸出功能。

末敏彈可視化仿真系統(tǒng)大致包括主界面模塊、彈道仿真模塊、視景顯示模塊等。其中主界面模塊包括了仿真控制模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、圖表顯示模塊。視景顯示模塊包括末敏彈幾何特性模型和地形幾何特性模型。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1　參數(shù)定義模塊

參數(shù)定義模塊主要設(shè)置大氣參數(shù)(風速、風向、溫度),外彈道初始參數(shù)(末敏彈位置、姿態(tài)、速度、角速度等)等的功能。參數(shù)設(shè)置模塊結(jié)構(gòu)與功能如表1所示。

表1　參數(shù)設(shè)置模塊結(jié)構(gòu)與功能

2.2　彈道仿真模塊

末敏彈彈道[5]仿真模塊包括4個部分,分為母彈飛行力學特性模塊、子彈拋射動力學特性模塊、子彈減速減旋飛行動力學特性模塊、子彈穩(wěn)態(tài)掃描動力學特性模塊。其中各個階段分別有相應的彈道方程,依據(jù)參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置的參數(shù),運用四階龍格-庫塔法求解彈道方程組,得出各個階段的彈道軌跡。彈道仿真模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　彈道仿真模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3　紅外輻射特性模塊

末敏彈紅外輻射特性模塊[6]大致分為參數(shù)設(shè)置模塊、末敏彈自身熱輻射計算模塊、末敏彈外表面反射紅外輻射特性模塊、Modtran大氣傳輸計算模塊。溫度計算模塊由對流熱計算模塊、面元間輻射計算模塊、外部輻射計算模塊組成。紅外輻射特性模塊內(nèi)部模塊的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　末敏彈紅外輻射特性結(jié)構(gòu)圖

2.4　對抗干擾模塊

主要針對末敏彈的毫米波輻射計和紅外輻射計特性,提出兩種對抗末敏彈的干擾方法。

1)有源干擾對抗

有源干擾對抗[7]是采用毫米波干擾源發(fā)射窄頻信號產(chǎn)生熱源,經(jīng)輻射計寬帶接收和檢波后獲得寬時信號波形,視頻放大器低頻電路的微分作用使寬時信號波形失真為正、負脈沖形式的分裂信號,其中負脈沖部分類似末敏彈探測裝甲目標的負向脈沖波形,實現(xiàn)模擬冷目標的干擾效果。

2)無源干擾對抗

煙幕干擾[8]是一種重要的光電無源對抗手段,坦克裝甲目標可以采用噴射煙幕或發(fā)射煙幕彈,在其上方形成自衛(wèi)煙幕,從而改變目標及背景的輻射特性,降低目標與周圍背景之間的對比度,降低末敏彈對坦克裝甲目標的識別概率。

2.5　軟件設(shè)計與應用流程

軟件應用的大致流程為啟動軟件,輸入?yún)?shù)及文件,判斷是否合乎要求,進行各個階段彈道解算,解算結(jié)果顯示圖像。彈道解算結(jié)果和幾何模型導入視景模塊。

圖4　設(shè)計與應用流程

3典型算例

此算例是以末敏彈某飛行段作為研究對象。首先,在Matlab軟件環(huán)境下,運用四階龍格-庫塔法求解彈道方程組建立了末敏彈的彈道模型,編寫程序代碼,最終生成末敏彈對抗可視化仿真軟件主界面及多個GUI界面。仿真設(shè)計主界面如圖5所示。

圖5　仿真設(shè)計主界面

仿真設(shè)計主界面中的菜單結(jié)構(gòu)包括文件、彈道模擬、參數(shù)、幫助。其中文件包括新建、打開、保存、另存為。參數(shù)設(shè)置包括風速參數(shù)、外彈道初始參數(shù)、拋射參數(shù)、紅外輻射特性模塊參數(shù)、對抗干擾模塊參數(shù)。彈道模擬包括母彈飛行模擬、子母彈拋射分離模擬、減速減旋模擬、穩(wěn)態(tài)掃描模擬。仿真包括全彈道模塊仿真、紅外輻射特性模塊仿真、對抗干擾模塊仿真。菜單結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6　菜單結(jié)構(gòu)圖

這里主要考慮到兩個方面的參數(shù),外彈道初始參數(shù)和風速參數(shù)。外彈道參數(shù)設(shè)置和風速參數(shù)設(shè)置分別如圖7、圖8所示。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖7　外彈道初始參數(shù)

圖8　風速參數(shù)設(shè)置

圖9　仿真運行結(jié)果

仿真結(jié)果界面中輸出分別有空間距離圖,x、y、z方向時間-距離曲線,x、y、z方向速度曲線,轉(zhuǎn)速-時間曲線。左下角為末敏彈母彈質(zhì)點運動曲線。右下角為位移,速度,角速度的數(shù)據(jù)輸出。

4結(jié)論

結(jié)合MATLAB /GUI圖形用戶界面開發(fā)了一套用于典型末敏彈對抗的可視化仿真軟件?？蓪δ┟魪椷\動狀態(tài)進行實時計算,并實時顯示末敏彈的運動狀態(tài)。軟件反映了末敏彈運動規(guī)律,操作方便。通過使用高效率的編程語言和圖表顯示軟件實現(xiàn)了末敏彈運動的實時計算和實時顯示,并為CPU留下了很大時間余量,為系統(tǒng)擴展打下了很好的基礎(chǔ)。給出了干擾末敏彈的相應措施,為末敏彈的研制、對抗及戰(zhàn)術(shù)訓練提供技術(shù)支持。

參考文獻:

[1]劉榮忠. 末敏彈結(jié)構(gòu)動態(tài)響應和結(jié)構(gòu)特性分析 [D]. 南京: 南京理工人學, 1996.

[2]彭海軍, 王德石, 陳覺之. 魚雷彈道可視化仿真研究 [J]. 武漢理工大學學報, 2009, 31(6): 100-103.

[3]邱荷, 劉榮忠, 郭銳, 等. 末敏彈的可視化仿真研究 [J]. 計算機仿真, 2013, 3(1): 137-140.

[4]羅華飛. MATLAB/GUI設(shè)計學習手記 [M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2009.

[5]楊紹卿. 靈巧彈藥工程 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010.

[6]張俊. 典型末敏彈的紅外輻射特性研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2014.

[7]陳曦, 許建中, 孟春祥. 末敏彈毫米波輻射計波形干擾新方法 [J]. 宇航學報, 2013, 34(6): 855-859.

[8]辛宇天, 楊成文, 樊琨. 末敏彈及其對抗方法分析 [J]. 艦船電子工程, 2013, 33(12): 72-75.

收稿日期:2014-06-04

基金項目:國家自然科學基金(11102088;11372136)資助

作者簡介:唐輝輝(1989-),男,江蘇南通人,碩士研究生,研究方向:彈藥靈巧化與智能化技術(shù)。

中圖分類號:TJ414.5

文獻標志碼:A

Countermeasure Visual Simulation Software of Typical
Terminal-sensitivive Projectile

TANG Huihui1,GUO Rui1,TAN Yanchao2,LIU Rongzhong,ZHANG Jun1

(1Ministerial Key Laboratory of ZNDY, School of Mechanical Engineering, Nanjing University of

Science & Technology, Nanjing 210094, China;2No.5103 Factory, Henan Nanyang 473000, China)

Abstract:Based on MATLAB/GUI software, a visual simulation software was developed for typical terminal-sensitive projectile countermeasure By entering initial parameters, weather conditions, etc. through interaction face, the projectile’s real-time motion, infrared radiation during flight can be got, and the corresponding measures of interference were given, the simulation results were output in real time as table or image. The simulation results show that the simulations accurately reflect the projectile’s motion parameter change, it is easy to control and provides technical support for developement, countermeasure and tactical training of terminal-sensitive projectile.

Keywords:terminal sensitive projectile; MATLAB/GUI; motion module; infrared radiation characteristics of module; countermeasure module