徐宏偉,李 鵬,王 玄

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,西安 710065)

0 引言

無人機(jī)武裝化的需求和大量應(yīng)用催生了無人機(jī)載空地導(dǎo)彈的井噴式發(fā)展。其發(fā)展歷程可分為兩個階段:第一階段是將現(xiàn)有直升機(jī)載導(dǎo)彈系統(tǒng)直接或改進(jìn)后配裝于無人機(jī),其實現(xiàn)技術(shù)途徑是改進(jìn)發(fā)射系統(tǒng),典型代表為美國的“海爾法”系列,國內(nèi)的藍(lán)箭-7系列;第二階段是為無人機(jī)新研專用/通用空地導(dǎo)彈,典型代表為美國JAGM[1-2]空地導(dǎo)彈。

近年來,國內(nèi)無人機(jī)載空地導(dǎo)彈工程研制也越來越多,多位專家學(xué)者對其發(fā)展進(jìn)行了梳理,并對無人機(jī)載空地導(dǎo)彈進(jìn)行了專項技術(shù)研究。如杜小強(qiáng)等開展了導(dǎo)彈發(fā)射過程中,尾氣流對機(jī)翼產(chǎn)生氣動干擾的研究[3];丁達(dá)理等綜合考慮空地導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)推力、氣動力、燃料消耗、風(fēng)場、視線角、過載和舵機(jī)延遲等多約束條件下,研究了空地導(dǎo)彈攻擊區(qū)快速解算方法[4];胡凱明等提出了一種適應(yīng)于無人機(jī)載導(dǎo)彈能夠同時控制命中角和命中時間的修正比例導(dǎo)引律[5],使得無人機(jī)載導(dǎo)彈能在保證垂直命中目標(biāo)的同時提供更為準(zhǔn)確的命中時間;吳慶憲等設(shè)計了抑制抖振的三維平滑變結(jié)構(gòu)制導(dǎo)律,提高了導(dǎo)彈抗未知干擾的影響[6]。這些研究成果為無人機(jī)載空地導(dǎo)彈工程研制提供了有益參考,但目前還沒有公開文獻(xiàn)專門針對無人機(jī)載空地導(dǎo)彈技術(shù)特點及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

文中結(jié)合無人機(jī)載空地導(dǎo)彈工程研制經(jīng)驗,在簡單回顧國內(nèi)外無人機(jī)載空地導(dǎo)彈發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上,通過仿真及工程實踐提出了未來無人機(jī)載空地導(dǎo)彈應(yīng)重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 典型無人機(jī)載空地導(dǎo)彈發(fā)展歷程及啟示

AGM-114P是在直升機(jī)載反坦克導(dǎo)彈AGM-114的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計新型數(shù)字式自動駕駛儀和大框架角激光導(dǎo)引頭而形成,配裝于MQ-1/MQ-9察打一體無人機(jī),具備7 600 m高度使用,是世界上第一款真正意義上的無人機(jī)載空地導(dǎo)彈。無人機(jī)掛載導(dǎo)彈見圖1。

此后針對察打一體無人機(jī)作戰(zhàn)使用中面臨的攻擊多種類目標(biāo)的需求,在AGM-114P的基礎(chǔ)上通過更換殺傷爆破戰(zhàn)斗部形成AGM-114M用來攻擊地面普通車輛類目標(biāo);通過更換溫壓戰(zhàn)斗部及可變延期激光引信形成AGM-114N用來攻擊密閉、半密閉空間及有生力量類目標(biāo)。2008年為了提高無人機(jī)載導(dǎo)彈離軸作戰(zhàn)能力,更加有效的對付稍縱即逝的“機(jī)會目標(biāo)”,開始研制AGM-114R空地導(dǎo)彈,該型導(dǎo)彈不限制無人機(jī)發(fā)射的飛行高度,采用IMU慣性中制導(dǎo)加半主動激光末制導(dǎo),具有彈道在線編程能力,可全方位發(fā)射使用,具有更強(qiáng)的作戰(zhàn)能力,同時采用威力可調(diào)多功能戰(zhàn)斗部用于攻擊多種目標(biāo)。

盡管由已有成熟的空地導(dǎo)彈改進(jìn)而形成的無人機(jī)載空地導(dǎo)彈可以實現(xiàn)快速部署,但是在作戰(zhàn)效能上未必最優(yōu),導(dǎo)致在作戰(zhàn)使用上受到限制,特別是如何適應(yīng)小型無人機(jī)載荷限制以及中大型無人機(jī)長時高空掛飛多次起降等問題。基于此,各國競相展開了針對無人機(jī)特點新研空地導(dǎo)彈的工作,這也就是無人機(jī)載空地導(dǎo)彈發(fā)展的第二個典型階段。如“格里芬”、“阿契爾”、輕型多用途導(dǎo)彈(LMM)等。這些新研的無人機(jī)載空地導(dǎo)彈均具有重量輕、成本低、使用維護(hù)方便、等推力設(shè)計等優(yōu)點。無人機(jī)掛載平臺及執(zhí)行任務(wù)的特點使得無人機(jī)載空地導(dǎo)彈重量主要集中在兩個區(qū)域,一是50 kg級,二是15 kg級。如圖2所示。

根據(jù)國外無人機(jī)載空地導(dǎo)彈的發(fā)展歷程及經(jīng)驗得到如下啟示:

1)體系化發(fā)展思路和規(guī)劃研究值得借鑒

無人機(jī)體系化發(fā)展與規(guī)劃要求無人機(jī)載導(dǎo)彈也將朝著體系化方向發(fā)展,以適應(yīng)無人機(jī)武裝化的作戰(zhàn)需求。重量實現(xiàn)體系化發(fā)展:形成15 kg級、25 kg級、50 kg級、100 kg級等空地導(dǎo)彈滿足不同載荷平臺的掛裝以及攻擊不同目標(biāo)的需求;制導(dǎo)方式從單一模式制導(dǎo)到復(fù)合制導(dǎo)再到與GPS/INS的復(fù)合制導(dǎo),打擊目標(biāo)更精確靈活;毀傷模塊從常規(guī)單一到模塊化設(shè)計再到多功能戰(zhàn)斗部,適用多目標(biāo)打擊任務(wù)。

2)小型化無人機(jī)載導(dǎo)彈的研究值得重視

針對無人機(jī)載導(dǎo)彈使命任務(wù),為實現(xiàn)較高的費效比以及低附帶損傷,15 kg級甚至更輕的無人機(jī)載導(dǎo)彈得到快速發(fā)展,與此相適應(yīng)的低成本小型導(dǎo)彈制導(dǎo)控制技術(shù)、小型多效應(yīng)戰(zhàn)斗部技術(shù)、緊湊型結(jié)構(gòu)技術(shù)等將得以應(yīng)用和發(fā)展。

3)激光半主動制導(dǎo)仍然大力發(fā)展

激光半主動制導(dǎo)由于價格相對低廉、技術(shù)成熟、命中精度高、適應(yīng)無人機(jī)作戰(zhàn)使用,將仍然是無人機(jī)載導(dǎo)彈首選制導(dǎo)方式。

2 無人機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

通過典型無人機(jī)空地導(dǎo)彈發(fā)展歷程分析和工程實踐研究,提出了無人機(jī)載導(dǎo)彈發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 環(huán)境適應(yīng)性

無人機(jī)載空地導(dǎo)彈由于載機(jī)平臺察打一體的特點和遂行特定地區(qū)的持久偵察打擊使命,其使用剖面不同于一般固定翼飛機(jī)/直升機(jī)載空地導(dǎo)彈或空空導(dǎo)彈。無人機(jī)載空地導(dǎo)彈在完整的壽命期內(nèi)一般要經(jīng)歷運(yùn)輸、貯存、掛飛(長時低溫、低氣壓)、起降(多次)和自主飛行等階段。

工程實踐表明無人機(jī)載空地導(dǎo)彈與直升機(jī)載空地導(dǎo)彈使用剖面相比,最大的特點是長時低溫低氣壓掛飛和重復(fù)起降。如中型察打一體無人機(jī)具備高空10 000 m海拔高度下巡航24 h的能力,使用剖面內(nèi)低溫達(dá)到-55 ℃(標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下對流層最低溫度-55 ℃),重復(fù)起降次數(shù)至少10次,而目前通過直升機(jī)載空地導(dǎo)彈改進(jìn)而來的無人機(jī)載空地導(dǎo)彈低溫僅能適應(yīng)-40 ℃的地面低溫極限值,空空導(dǎo)彈一般也只能達(dá)到-45 ℃。重復(fù)起降設(shè)計也僅針對GJB150A規(guī)定的基本沖擊。溫度高度極值對應(yīng)關(guān)系見表1。

起降沖擊一般按照無人機(jī)實際測試的沖擊量值,或者按照國軍標(biāo)的規(guī)定適應(yīng)后峰鋸齒波,幅值20g,時間11 ms的要求。

解決無人機(jī)載空地導(dǎo)彈的長時低溫低氣壓掛飛和重復(fù)起降適應(yīng)能力顯得尤為重要,這將直接決定察打一體無人機(jī)載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用性能。

表1 溫度-高度對應(yīng)關(guān)系

2.2 動態(tài)攻擊區(qū)解算

工程實踐表明:無人機(jī)載空地導(dǎo)彈由于大空域、寬速域發(fā)射及在俯仰平面大機(jī)動飛行特點使其具有獨特的攻擊包絡(luò)?？焖?、準(zhǔn)確的動態(tài)攻擊區(qū)解算不僅能提高導(dǎo)彈攻擊精度,而且能為無人機(jī)自主攻擊航跡決策提供有力的決策依據(jù),以提高無人機(jī)載空地導(dǎo)彈對時敏目標(biāo)的打擊能力。針對導(dǎo)彈任意發(fā)射條件,其攻擊包絡(luò)可用式(1)描述[7]。

(1)

式中:Rmax、Rmin分別為攻擊包絡(luò)的遠(yuǎn)界和近界；X為導(dǎo)彈發(fā)射條件模型(包括速度、姿態(tài)、海拔高度、相對目標(biāo)關(guān)系、環(huán)境參數(shù)等);Mm為導(dǎo)彈總體性能模型(包括各個子系統(tǒng)、如發(fā)動機(jī)、氣動特性、制導(dǎo)與控制律、過載能力等)；Xt為目標(biāo)狀態(tài)信息(包括相對發(fā)射點位置信息、速度信息等);ε為隨機(jī)干擾源(如風(fēng)場等)。

通過對影響無人機(jī)載導(dǎo)彈攻擊區(qū)使用參數(shù)的靈敏度分析計算,發(fā)現(xiàn)主要影響因素是相對目標(biāo)高度和初始姿態(tài)角兩個因素,即可通過事先大量仿真計算形成基于上述兩因素的攻擊射表,進(jìn)行插值計算形成攻擊包絡(luò),這種方法簡單易于實現(xiàn),計算精度與實時性均能滿足要求,但隨著無人機(jī)載空地導(dǎo)彈大離軸發(fā)射的需求,該方法表現(xiàn)出攻擊精度不足的問題,因此未來在提高無人機(jī)載空地導(dǎo)彈攻擊能力的同時亦要研究適用的動態(tài)攻擊區(qū)解算方法,以滿足攻擊時敏目標(biāo)的需求。

2.3 大離軸發(fā)射控制

察打一體無人機(jī)要求其掛裝的空地導(dǎo)彈具備大離軸發(fā)射能力,以達(dá)到發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即摧毀的要求。大離軸發(fā)射控制與導(dǎo)彈的機(jī)動性和制導(dǎo)控制策略息息相關(guān)。導(dǎo)彈的機(jī)動性又與導(dǎo)彈的氣動外形及速度方案相關(guān),目前的無人機(jī)載空地導(dǎo)彈多采用常規(guī)固體火箭發(fā)動機(jī)和無尾式小展弦比氣動布局,其中氣動布局又受到無人機(jī)密集掛載的約束,因此,要提高導(dǎo)彈的機(jī)動性可通過增加燃?xì)舛婊蛲屏κ噶堪l(fā)動機(jī)的方法提高法向控制力。無人機(jī)載空地導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制常采用基于瞄準(zhǔn)線的姿態(tài)控制方案,在中制導(dǎo)段通過姿態(tài)位置控制使其進(jìn)入導(dǎo)引頭捕獲域,后采用比例導(dǎo)引的方式進(jìn)行末制導(dǎo)飛行。通過優(yōu)化制導(dǎo)控制策略,研究新型控制方法,以提高導(dǎo)彈離軸發(fā)射能力,滿足無人機(jī)武器系統(tǒng)“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的使命需求。

2.4 大框架導(dǎo)引頭

導(dǎo)引頭的框架范圍決定了導(dǎo)彈的捕獲域大小。無人機(jī)載空地導(dǎo)彈工程實踐表明:高空發(fā)射攻擊近距離目標(biāo)時導(dǎo)引頭俯仰方向框架限制是限制導(dǎo)彈捕獲目標(biāo)的主要因素,大離軸發(fā)射條件下攻擊活動目標(biāo)時導(dǎo)引頭偏航框架是主要影響因素。因此通過提高導(dǎo)引頭框架角的促使可以拓寬導(dǎo)彈捕獲域,提高導(dǎo)彈攻擊近距的能力。以察打一體無人機(jī)載導(dǎo)彈典型發(fā)射條件為例,通過設(shè)置不同的導(dǎo)引頭俯仰框架角,仿真計算導(dǎo)彈最小射程與導(dǎo)引頭框架角關(guān)系結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出導(dǎo)彈機(jī)動性、控制方案相同的情況下,框架角范圍增加2°可使導(dǎo)彈的攻擊包絡(luò)增大約400 m的范圍。

2.5 小型多功能戰(zhàn)斗部

無人機(jī)載空地導(dǎo)彈由于其獨特的作戰(zhàn)使命與任務(wù),每次任務(wù)之前目標(biāo)類型未知并且種類豐富,包括裝甲類目標(biāo)、民用車輛、技術(shù)兵器、簡易工事、小型艦船及有生力量等多種目標(biāo),因此采用模塊化戰(zhàn)斗部或多用途戰(zhàn)斗部成為主要發(fā)展方向。其中模塊化戰(zhàn)斗部技術(shù)已成熟,而適合無人機(jī)載導(dǎo)彈的小型多功能戰(zhàn)斗部將成為要突破的關(guān)鍵技術(shù)問題。多功能戰(zhàn)斗部要求同時兼顧破甲、殺傷、爆破、侵徹等多種毀傷功能,因此對戰(zhàn)斗部的總體方案、裝藥選型、藥型結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面提出了更高的要求。

3 結(jié)論

無人機(jī)載空地導(dǎo)彈自2001年問世以來,經(jīng)過兩個階段的研制歷程,得到了長足的發(fā)展,在多次局部戰(zhàn)爭中成功使用,已經(jīng)成為新時期戰(zhàn)爭中對地攻擊的主要武器之一。隨著不同種類無人機(jī)的不斷發(fā)展,對無人機(jī)載空地導(dǎo)彈提出了更多新的要求,這將促使無人機(jī)載導(dǎo)彈向著適應(yīng)多種發(fā)射平臺、大攻擊包絡(luò)、多用途、高效毀傷的方向快速發(fā)展,環(huán)境適應(yīng)性問題、動態(tài)攻擊區(qū)計算問題、大離軸發(fā)射控制問題、大框架角導(dǎo)引頭技術(shù)問題及小型多功能戰(zhàn)斗部技術(shù)問題等將是無人機(jī)載空地導(dǎo)彈未來需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)。