王海峰, 趙久奮

(火箭軍工程大學(xué) 4501分隊, 陜西 西安 710025)

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基于全方位發(fā)射的反坦克導(dǎo)彈關(guān)鍵技術(shù)研究

王海峰, 趙久奮

(火箭軍工程大學(xué) 4501分隊, 陜西 西安 710025)

針對基于全方位發(fā)射的反坦克導(dǎo)彈,介紹了國內(nèi)外對于垂直起飛-快速轉(zhuǎn)彎技術(shù)、大迎角飛行技術(shù)及制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計等若干關(guān)鍵技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀。研究表明,氣動力/推力矢量復(fù)合控制技術(shù)是解決快速轉(zhuǎn)彎的有效策略，空中自主完成全方位快速轉(zhuǎn)彎是全方位發(fā)射的關(guān)鍵,以比例導(dǎo)引為基礎(chǔ)的滑模變結(jié)構(gòu)多條件約束制導(dǎo)律是反坦克導(dǎo)彈制導(dǎo)控制的研究方向。在此基礎(chǔ)上,分析了反坦克導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)飛行和大迎角飛行過程中存在的問題,給出了相應(yīng)的研究方法,并從快速機動響應(yīng)、復(fù)合制導(dǎo)、末端約束導(dǎo)引和指控一體化等方面展望了反坦克導(dǎo)彈的發(fā)展趨勢。

反坦克導(dǎo)彈; 快速轉(zhuǎn)彎; 全方位發(fā)射; 制導(dǎo)控制

0　引言

反坦克導(dǎo)彈是在現(xiàn)代陸戰(zhàn)的直接推動下、在與坦克裝甲的直接較量與對抗中逐步發(fā)展和提高的,具有精度高、威力大、射程遠、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、使用方便等優(yōu)點。當今典型的反坦克導(dǎo)彈主要有美國的“標槍”和“陶式”、俄羅斯的“AT-4”和“AT-X-14”、法德聯(lián)合研制的“米蘭”、以色列的“長釘”等。目前,反坦克導(dǎo)彈朝著全方位、多用途、精確制導(dǎo)、智能化的方向發(fā)展,其戰(zhàn)術(shù)價值和軍事意義越來越突出。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,反坦克導(dǎo)彈從最初的單一作戰(zhàn)模式發(fā)展到現(xiàn)在具有綜合作戰(zhàn)能力的復(fù)合模式。在作戰(zhàn)目標上,從攻擊單一地面坦克等固定裝甲目標,發(fā)展到攔截作戰(zhàn)飛機等對空作戰(zhàn);在作戰(zhàn)能力上,從攻擊固定目標,到對快速移動目標實施有效攔截和毀傷;在制導(dǎo)方式上,從第一代反坦克導(dǎo)彈的有線制導(dǎo)、短距飛行到現(xiàn)在的第三代、第四代尋的復(fù)合制導(dǎo)、大范圍火力覆蓋。不論是在毀傷效能,還是在打擊精度上,反坦克導(dǎo)彈在短短的幾十年中發(fā)生了翻天覆地的變化,從而不斷適應(yīng)未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求。

較高的快速響應(yīng)能力、高性能的控制、精確打擊與有效的毀傷是包括反坦克導(dǎo)彈在內(nèi)所有武器系統(tǒng)共同的發(fā)展目標。提高反坦克導(dǎo)彈快速響應(yīng)能力的有效途徑之一是改變導(dǎo)彈的發(fā)射方式,達到真正的全方位發(fā)射,垂直發(fā)射是其首選發(fā)射方式。垂直起飛后所面臨的快速轉(zhuǎn)彎策略的設(shè)計是需要解決的主要問題,主要是大迎角飛行造成的彈體姿態(tài)通道交叉耦合效應(yīng)。精確制導(dǎo)是反坦克導(dǎo)彈等戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的核心技術(shù),復(fù)合制導(dǎo)有著適應(yīng)性強、優(yōu)勢互補等特點,是目前制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重要方向。多模復(fù)合制導(dǎo)可以滿足導(dǎo)彈不同飛行階段的需求,但是實現(xiàn)導(dǎo)彈飛行彈道的平滑、保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作,關(guān)鍵在于多模復(fù)合制導(dǎo)的交接律設(shè)計。另外,實現(xiàn)反坦克導(dǎo)彈對目標有效毀傷的途徑之一是攻擊目標的薄弱部位,對于坦克等裝甲目標來說,頂部裝甲是首選的攻擊部位,這就要求反坦克導(dǎo)彈在著落點處滿足預(yù)先設(shè)定的要求,如實施垂直攻擊[1]。因此,帶有末端多條件約束的導(dǎo)引律設(shè)計也是反坦克導(dǎo)彈所要研究的問題之一。

1　垂直發(fā)射技術(shù)

1.1垂直起飛及快速轉(zhuǎn)彎

垂直發(fā)射具有發(fā)射裝置和控制系統(tǒng)簡單、便于在360°范圍內(nèi)發(fā)射瞄準以及阻力所造成的速度損失小的優(yōu)點[2]。根據(jù)導(dǎo)彈在不同階段的運動特點和受力特性不同,將垂直發(fā)射彈道分為垂直起飛段、程序轉(zhuǎn)彎段、巡飛搜索段和末制導(dǎo)段。

垂直發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)之一是實現(xiàn)導(dǎo)彈的快速轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)彎初期,由于導(dǎo)彈飛行速度小,空氣舵操縱效率低,為了達到快速對準和轉(zhuǎn)彎的目的,一般采用推力矢量控制技術(shù)或直接力控制技術(shù)。

推力矢量控制技術(shù)[3]可以提高戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈全向攻擊性能、減小自動駕駛儀等效時間常數(shù),提高導(dǎo)彈有效載荷比;但同時也會造成大迎角飛行,導(dǎo)致非線性較強的氣動力和力矩、在俯仰-偏航-滾動通道之間產(chǎn)生強烈的交叉耦合等問題。

由于反坦克導(dǎo)彈轉(zhuǎn)彎時間短、控制系統(tǒng)簡單,文獻[4-5]提出了三種復(fù)合控制分配策略:常比例系數(shù)線性分配策略、角誤差的非線性函數(shù)分配策略和最小控制能量分配策略?；谔囟ㄏ禂?shù)分配原則,在采用常比例系數(shù)線性分配策略基礎(chǔ)上,通過設(shè)計復(fù)合控制回路也可以實現(xiàn)導(dǎo)彈的快速轉(zhuǎn)彎[6]。同時,模糊邏輯及鏈式遞增理論[7]、模糊PID控制[8]等現(xiàn)代控制方法也運用到了導(dǎo)彈的快速轉(zhuǎn)彎策略中,滿足了導(dǎo)彈在不同飛行階段多樣的控制需求。

通過對導(dǎo)彈彈體施加直接控制力產(chǎn)生直接控制力矩,從而快速改變其運動姿態(tài),實現(xiàn)對目標的有效打擊。圖1和圖2分別給出了純氣動舵控制和空氣舵/直接力復(fù)合控制時導(dǎo)彈命中目標的狀態(tài)。從圖中可以看出,直接力控制具有更高的控制效率,可以更好地實現(xiàn)導(dǎo)彈的快速轉(zhuǎn)彎。

圖1　純空氣舵控制Fig.1　Pure air rudder control

圖2　空氣舵/直接力復(fù)合控制Fig.2　Air rudder/direct force compound control

推力矢量控制技術(shù)和直接力控制技術(shù)雖然能夠解決導(dǎo)彈快速轉(zhuǎn)彎問題,但卻會產(chǎn)生大迎角飛行,導(dǎo)致強烈的氣動耦合和姿態(tài)通道耦合,不利于導(dǎo)彈的穩(wěn)定控制。

文獻[9]基于對直接力寄生回路耦合機理的分析,給出了采用氣動力/直接力復(fù)合控制時導(dǎo)彈自動駕駛儀的穩(wěn)定域。文獻[10]針對彈體旋轉(zhuǎn)引起的耦合效應(yīng),提出了一種對慣性積耦合和運動學(xué)耦合完全補償?shù)慕怦钤O(shè)計方法。文獻[11]分析了直接力/氣動力復(fù)合控制模式下的兩類操縱耦合原理,采用動態(tài)逆、模糊控制理論與變結(jié)構(gòu)方法相結(jié)合的策略設(shè)計了魯棒控制器。這些策略屬于動態(tài)解耦,根據(jù)導(dǎo)彈運動的實時狀態(tài)調(diào)整控制參數(shù),實現(xiàn)對導(dǎo)彈的穩(wěn)定控制。

1.2全方位發(fā)射技術(shù)

全方位發(fā)射技術(shù)對于擴大導(dǎo)彈攻擊范圍、提升導(dǎo)彈快速響應(yīng)能力,具有良好的應(yīng)用價值和軍事意義。全方位發(fā)射的基本思想是:通過把控制指令傳遞給彈上執(zhí)行機構(gòu),使導(dǎo)彈產(chǎn)生偽姿態(tài)角,改變導(dǎo)彈的運動姿態(tài),也稱為導(dǎo)彈側(cè)飛技術(shù)。

如圖3所示,導(dǎo)彈初始瞄準A點,如果準確測量導(dǎo)彈初始滾轉(zhuǎn)角Δλ=λB-λA[12-13],在未改變導(dǎo)彈射向的前提下,通過導(dǎo)彈側(cè)飛技術(shù)實現(xiàn)對目標B的打擊。從圖中可以看出,空中自主完成全方位快速轉(zhuǎn)彎是實現(xiàn)導(dǎo)彈全方位發(fā)射的關(guān)鍵技術(shù)。在詳細建立導(dǎo)彈全方位發(fā)射慣測組合數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,文獻[14]應(yīng)用最小時間控制理論,研究了垂直發(fā)射近程防空導(dǎo)彈在空中的全方位快速姿態(tài)調(diào)轉(zhuǎn)技術(shù)。文獻[15]推導(dǎo)了最速滾轉(zhuǎn)控制規(guī)律,指出了提高快速滾轉(zhuǎn)能力的途徑,制定了一套既迅速又簡便可行的全方位快速滾轉(zhuǎn)程序控制方案,使導(dǎo)彈縱對稱面與射面重合,提高彈上舵機系統(tǒng)的執(zhí)行效率,更好地實現(xiàn)了對目標的攻擊。

圖3　全方位發(fā)射示意圖Fig.3　All-directinon launching

2　制導(dǎo)控制技術(shù)

2.1滾轉(zhuǎn)彈體控制技術(shù)

滾轉(zhuǎn)導(dǎo)彈是指在導(dǎo)彈飛行過程中繞彈體縱對稱軸旋轉(zhuǎn)的一類導(dǎo)彈,主要依靠氣動面或動力裝置進行滾轉(zhuǎn)。滾轉(zhuǎn)導(dǎo)彈較非滾轉(zhuǎn)導(dǎo)彈有很多優(yōu)點:改善了氣動不對稱和發(fā)動機推力偏心等干擾因素的影響,控制裝置和彈體結(jié)構(gòu)更為簡單[16]。但是,滾轉(zhuǎn)也會使導(dǎo)彈運動受到馬格努斯和陀螺效應(yīng)的影響,其縱側(cè)向運動以及俯仰和偏航通道會產(chǎn)生交叉耦合效應(yīng)。

在研究滾轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的解耦問題初期,袁子懷[17]首先提出了一種基于線性系統(tǒng)理論的穩(wěn)態(tài)意義上的近似解耦方法。此后,唐勝景等[18-19]采用串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)對開環(huán)系統(tǒng)近似解耦,通過模糊PID控制對閉環(huán)系統(tǒng)進行設(shè)計,實現(xiàn)了縱向和側(cè)向通道間的穩(wěn)定解耦;楊立峰等[20]通過Nyquist陣列判定,設(shè)計了基于頻率域耦合度穩(wěn)定性理論的解耦控制器。另外,文獻[21]提出了一種滾轉(zhuǎn)導(dǎo)彈智能控制方法,利用自適應(yīng)退步法實現(xiàn)了控制參數(shù)的在線調(diào)整,優(yōu)化了導(dǎo)彈控制參數(shù),提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2大迎角飛行控制技術(shù)

隨著坦克、飛機等目標的機動性能越來越高,提高反坦克導(dǎo)彈攔截功效的有效途徑之一是提高導(dǎo)彈的最大可用迎角,然而,大迎角條件下的導(dǎo)彈空氣動力學(xué)特性將變得十分復(fù)雜。通常來說,當迎角較小時采取控制面解耦算法,當迎角較大時采用推力矢量控制技術(shù)[22-23]。

基于滑模變結(jié)構(gòu)理論,采用模型參考時變?nèi)袒瑧B(tài)變結(jié)構(gòu)控制方法[24-25]可以較好地解決俯仰/偏航、滾動通道的耦合作用。仿真結(jié)果表明,該控制方法具有良好的魯棒性和較高的控制效率;通過重構(gòu)法向過載微分信號,將氣動參數(shù)的變化等效為動力參數(shù)的攝動,設(shè)計了基于“過載+角速度+角度”三回路自動駕駛儀[26],工程上易于實現(xiàn)。另外,基于μ方法[27-28]對俯仰通道駕駛儀進行設(shè)計,也可以解決非線性氣動力和空氣動力系數(shù)不確定性問題。

2.3制導(dǎo)律分析

制導(dǎo)律分為經(jīng)典制導(dǎo)律和現(xiàn)代制導(dǎo)律。經(jīng)典制導(dǎo)律包括比例導(dǎo)引法、三點法、前置角法和平行接近法等;現(xiàn)代制導(dǎo)律包括BTT最優(yōu)制導(dǎo)律和LQG最優(yōu)制導(dǎo)律等[29]。目前制導(dǎo)律的研究現(xiàn)狀為:

(1) 以尋的制導(dǎo)為核心的多模復(fù)合/融合制導(dǎo)

任何單一的制導(dǎo)模式都存在不足和缺點,為了適應(yīng)未來復(fù)雜多變的戰(zhàn)場,滿足精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的需求,需要為彈上控制系統(tǒng)提供兩種以上的制導(dǎo)模式,提高導(dǎo)彈對環(huán)境的適應(yīng)性。實現(xiàn)彈上多模復(fù)合制導(dǎo)的關(guān)鍵是實現(xiàn)彈道的平滑過渡及制導(dǎo)交接策略。目前,主要有以三角函數(shù)和多項式函數(shù)的交接律平滑算子[30];基于最優(yōu)預(yù)測比例導(dǎo)引法,應(yīng)用拉格朗日法設(shè)計的平滑過渡的中末制導(dǎo)交接律[31]。

(2)末端多條件約束導(dǎo)引

對導(dǎo)彈末端著落狀態(tài)進行約束是精確制導(dǎo)技術(shù)的重要研究內(nèi)容,實現(xiàn)導(dǎo)彈末端多條件約束的途徑主要有:在傳統(tǒng)比例導(dǎo)引中增加一時變偏差項[32-33],根據(jù)零滯后系統(tǒng)原理在線調(diào)整導(dǎo)引系數(shù)[34],實現(xiàn)對落角和飛行時間的約束;利用二次型最優(yōu)控制設(shè)計滿足導(dǎo)彈落角和迎角條件的變結(jié)構(gòu)最優(yōu)制導(dǎo)律[35]。Brierley等[36]最早基于變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計了以比例導(dǎo)引為基礎(chǔ)的滑模面,孫未蒙等[37]利用虛位移概念構(gòu)建彈目相對運動關(guān)系,得出了一種滿足落角和入射角等多條件約束的三維變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律。

(3)制導(dǎo)控制一體化

制導(dǎo)控制一體化設(shè)計考慮制導(dǎo)與控制之間的相互影響,可以降低制導(dǎo)誤差,提高制導(dǎo)品質(zhì)。通過對非線性時變不確定性實時估計和補償,基于自抗擾控制理論較好地解決了系統(tǒng)階數(shù)較高和不確定性問題[38]。通過控制設(shè)計分層思想[39]和特征結(jié)構(gòu)配置方法[40]建立了三維制導(dǎo)控制一體化模型?？紤]到耦合效應(yīng),采用微分幾何法對模型進行反饋線性化、基于擴張狀態(tài)觀測器(ESO)和反步滑模設(shè)計思想實時觀測和動態(tài)補償耦合項[41],實現(xiàn)了通道間的主動解耦。

滑模變結(jié)構(gòu)控制方法雖然能很好地實現(xiàn)控制參數(shù)適應(yīng)系統(tǒng)當前狀態(tài),但變結(jié)構(gòu)控制器比較復(fù)雜而且需要用具有大增益的控制規(guī)則切換。同時,變結(jié)構(gòu)控制切換造成的系統(tǒng)抖振問題,都會使系統(tǒng)可靠性降低[42]。

3　反坦克導(dǎo)彈發(fā)展趨勢

隨著信息化戰(zhàn)爭的不斷發(fā)展,反坦克導(dǎo)彈越來越成為戰(zhàn)場上的尖銳武器,朝著信息化、智能化的方向發(fā)展?？偨Y(jié)近幾年國內(nèi)外對于反坦克導(dǎo)彈相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀,以及信息化條件下戰(zhàn)爭的需求,對反坦克導(dǎo)彈相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢作簡要論述:

(1)垂直發(fā)射,實現(xiàn)全方位火力覆蓋,提高導(dǎo)彈快速響應(yīng)能力;

(2)多種轉(zhuǎn)彎策略綜合運用,實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、高效轉(zhuǎn)彎;

(3)多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù),以尋的制導(dǎo)為核心,向著三模、多模的方向發(fā)展;

(4)運用光學(xué)全息、計算機智能識別等技術(shù),提高目標識別效能;

(5)通過衛(wèi)星信息鏈高速傳輸、信息實時共享,實現(xiàn)人在回路、智能控制;

(6)配備“雷達組網(wǎng)”,提高武器系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、跟蹤、摧毀目標的能力;

(7)適應(yīng)標準化、系列化、通用化趨勢,實現(xiàn)一彈多用、一架多彈、三軍通用。

4　 結(jié)論

本文對國內(nèi)外關(guān)于垂直發(fā)射反坦克導(dǎo)彈相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀作了詳細的綜述,并得出以下結(jié)論:

(1)針對全方位發(fā)射技術(shù),在導(dǎo)彈垂直上升的過程中,基于最速滾轉(zhuǎn)法,通過姿態(tài)脈沖發(fā)動機快速使彈體縱對稱面轉(zhuǎn)向射面,利用最小時間原理,合理設(shè)計初始導(dǎo)彈飛行程序角,保證彈體平穩(wěn)高效地完成空中自主轉(zhuǎn)彎。

(2)空氣舵/燃氣舵復(fù)合控制技術(shù)是實現(xiàn)導(dǎo)彈垂直起飛-快速轉(zhuǎn)彎的關(guān)鍵,對于快速轉(zhuǎn)彎造成的導(dǎo)彈大迎角飛行所引起的耦合效應(yīng),采用非線性解耦算法對影響程度大、建模精度高的耦合項實現(xiàn)完全解耦;對影響程度較大、但建模精度很差的耦合項,采用魯棒控制器抑制其影響;對影響程度較弱、建模精度差的耦合項,可以依靠導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)本身的魯棒性得以解決。

(3)針對滾轉(zhuǎn)導(dǎo)彈耦合效應(yīng),采用前饋解耦和串聯(lián)解耦對開環(huán)系統(tǒng)進行設(shè)計,實現(xiàn)導(dǎo)彈的近似解耦;通過模糊PID方法對閉環(huán)系統(tǒng)進行設(shè)計,實現(xiàn)縱側(cè)向的穩(wěn)態(tài)解耦。另外,現(xiàn)代控制理論中的最優(yōu)控制理論、自適應(yīng)控制理論也逐漸應(yīng)用在滾轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制系統(tǒng)中。

(4)基于彈道平滑條件,設(shè)計了諸如多項式函數(shù)平滑算子交接律、最優(yōu)預(yù)測中末制導(dǎo)交接律等策略,解決了以尋的制導(dǎo)為核心的多模復(fù)合制導(dǎo)在制導(dǎo)模式之間的平滑過渡交接問題?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)理論、自適應(yīng)理論、二次型最優(yōu)控制理論等現(xiàn)代控制方法廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈的制導(dǎo)律設(shè)計中,通過設(shè)置滑動模態(tài),在線調(diào)整控制參數(shù),實現(xiàn)導(dǎo)彈適應(yīng)不同飛行環(huán)境的需求。

隨著對反坦克導(dǎo)彈等飛行器性能要求的不斷提高,傳統(tǒng)單一的控制理論和方法不能完全滿足其性能的需求。特別是對于導(dǎo)彈姿態(tài)通道耦合效應(yīng)和復(fù)合制導(dǎo)模式,由于其復(fù)雜的工作環(huán)境和多條件約束的控制需求,在未來的發(fā)展中,現(xiàn)代控制方法包括智能控制方法，如最優(yōu)控制法、變結(jié)構(gòu)法、自適應(yīng)法等將會成為重點研究的方向。同時,采用至少兩種以上的控制方法將是未來的發(fā)展趨勢。

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(編輯：崔立峰)

Research of key points on all-direction launched anti-tank missile

WANG Hai-feng, ZHAO Jiu-fen

(Unit 4501, Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China)

Based on the all-direction launched anti-tank missile, this paper analyzes the research achievements in the field of vertical take-off/quick turn, high attack-angle flight technique and guidance law at home and aboard. It concluded that aerodynamic/thrust vector control was used widely for solving quick turn, autonomous quick turn for all directions in the air was the key to the all-direction launching, the sliding mode control guidance law with multiple constraints based on PPN was studied; the problems existed in rolling and high AOA flight of anti-tank missile are analyzed and several corresponding research methods were put forward. Lastly, from the aspects of rapid response, complex guidance, terminal constraint guidance and command and control integration, we discussed the development trend of anti-tank missile.

anti-tank missile; quick turn; all-direction launched; guidance and control

2016-01-25;

2016-04-07; 網(wǎng)絡(luò)出版時間:2016-05-18 13:49

王海峰(1991-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為飛行器總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析與飛行力學(xué)。

TJ761.12

A

1002-0853(2016)05-0007-05