趙婉瑜

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引言

近年來(lái)，空襲主戰(zhàn)化、打擊精確化已成為未來(lái)高強(qiáng)度局部戰(zhàn)爭(zhēng)的主要發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)火炮射程不遠(yuǎn)、精度不高以及耗彈量大的缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)，不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求[1]。隨著軍事高新科技的發(fā)展，將制導(dǎo)與控制技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)制式彈藥設(shè)計(jì)中，可使傳統(tǒng)火炮這類間接瞄準(zhǔn)殺傷武器具備遠(yuǎn)距離精確打擊點(diǎn)目標(biāo)的能力。鑒于該形勢(shì)，把電磁炮這種利用電磁加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能殺傷的新概念武器系統(tǒng)作為制導(dǎo)彈藥的超高速發(fā)射平臺(tái)，可使制導(dǎo)彈藥在新形勢(shì)信息化作戰(zhàn)條件下遂行遠(yuǎn)程火力打擊、對(duì)岸火力支援以及近程防空反導(dǎo)等多種作戰(zhàn)任務(wù)，同時(shí)擺脫對(duì)發(fā)射藥的依賴，有利于降低彈藥成本，從而提高系統(tǒng)的效費(fèi)比。

1 電磁炮制導(dǎo)彈藥的發(fā)展必要性

1.1 戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型需要

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)理念的進(jìn)步與發(fā)展，打擊精確化是立足于未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中的基礎(chǔ)。特別是在未來(lái)的非對(duì)稱作戰(zhàn)中，傳統(tǒng)火炮發(fā)射的常規(guī)彈藥已無(wú)法應(yīng)對(duì)防區(qū)外作戰(zhàn)、發(fā)射后不管以及低附帶損傷等新作戰(zhàn)理念[2]，因此亟需進(jìn)行技術(shù)改革以滿足戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的需要。制導(dǎo)彈藥具有精度高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，可以有效地解決由快速機(jī)動(dòng)目標(biāo)所帶來(lái)的命中概率低的問題。

1.2 作戰(zhàn)能力要求

傳統(tǒng)火炮由于受到火藥氣體滯止聲速的限制，炮口初速已達(dá)到化學(xué)能武器的極限[3]，電磁炮作為一種超高速發(fā)射的新概念武器，其利用電磁推進(jìn)原理對(duì)射彈進(jìn)行加速，其初速和射程可通過(guò)改變電流的強(qiáng)度及脈寬對(duì)其進(jìn)行精確控制，具備發(fā)射初速高、打擊射程遠(yuǎn)、毀傷能力強(qiáng)以及不易攔截的優(yōu)勢(shì)，可滿足未來(lái)彈藥遠(yuǎn)程化、精確化和高效能的作戰(zhàn)能力要求。

1.3 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

電磁炮發(fā)射非制導(dǎo)彈藥時(shí)，由于膛內(nèi)滑動(dòng)電接觸情況復(fù)雜、膛口高速、高溫以及高壓拉弧的擾動(dòng)，且隨著射程的增加，會(huì)導(dǎo)致彈藥的射向散布會(huì)越來(lái)越大。為適應(yīng)遠(yuǎn)程精確打擊的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，需要為電磁炮配備制導(dǎo)彈藥，使其具有超高發(fā)射速度的同時(shí)，也具有較高的命中概率。只有加快精確制導(dǎo)彈藥技術(shù)的發(fā)展，才能有效提高電磁炮的作戰(zhàn)效能。

2 電磁炮制導(dǎo)彈藥的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于電磁炮制導(dǎo)彈藥的研究還處于初期階段，目前鮮有報(bào)道。而國(guó)外對(duì)于電磁炮制導(dǎo)彈藥的研究起步較早，據(jù)報(bào)道，美國(guó)從2005年啟動(dòng)了對(duì)電磁軌道炮“海軍創(chuàng)新樣機(jī)（INP）”和“超高速?gòu)椝帲℉VP）”的研發(fā)，HPV是美國(guó)海軍最初為未來(lái)電磁軌道炮研發(fā)的一種高性能艦炮彈藥[4]，但后續(xù)發(fā)展成為兼由電磁軌道炮和傳統(tǒng)火炮發(fā)射的制導(dǎo)彈藥，具有飛行速度快、可精確制導(dǎo)、造價(jià)成本低以及儲(chǔ)存安全等特點(diǎn)，有效地提高了美國(guó)海軍艦炮和陸軍火炮的防空反導(dǎo)能力。

HPV項(xiàng)目主要由BEA系統(tǒng)公司和通用原子公司同時(shí)承擔(dān)，已完成HVP關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、炮彈飛行模擬、毀傷效能評(píng)估以及制導(dǎo)電子器件研發(fā)等工作。據(jù)報(bào)道，HVP采用次口徑通用化彈體，僅利用低阻外形就可以實(shí)現(xiàn)超高速遠(yuǎn)程飛行，并通過(guò)閉環(huán)火控指令制導(dǎo)+緊湊型GPS制導(dǎo)及姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確化打擊。2017年，通用原子公司已在美陸軍猶他州達(dá)格威試驗(yàn)場(chǎng)利用“閃電（Blitzer）”電磁軌道炮成功發(fā)射了配裝制導(dǎo)電子單元（GEU）的炮彈（如圖1所示），發(fā)射過(guò)載高達(dá)30 000 g[5]。在該試驗(yàn)中，完成了對(duì)制導(dǎo)電子器件的技術(shù)測(cè)試，驗(yàn)證了超高速?gòu)椝幍闹茖?dǎo)能力，提升了電磁炮發(fā)射制導(dǎo)彈藥技術(shù)的成熟度。

圖1 BAE系統(tǒng)公司研發(fā)的HVP模型和美陸軍“Blitzer”電磁炮發(fā)射配裝“GEU”炮彈

3 電磁發(fā)射彈藥的制導(dǎo)與控制關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于電磁發(fā)射制導(dǎo)彈藥來(lái)說(shuō)，其核心是精確制導(dǎo)與控制系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)主要取決于對(duì)各種制導(dǎo)體制的對(duì)比分析、電磁炮對(duì)制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的基本要求以及武器系統(tǒng)本身的限制條件等[6]。精確制導(dǎo)與控制是一種綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程技術(shù)，其關(guān)鍵在于制導(dǎo)體制的選擇、導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)、慣性敏感與探測(cè)技術(shù)以及控制回路與方法。

3.1 制導(dǎo)體制的選擇

制導(dǎo)體制的分析與選擇是制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和首要任務(wù)，在很大程度上決定著制導(dǎo)精度和武器性能[6]。選擇何種制導(dǎo)體制，需要結(jié)合電磁炮的應(yīng)用場(chǎng)景與作戰(zhàn)任務(wù)，全面考慮和分析眾多制約因素，包括攔截距離、制導(dǎo)精度、抗干擾能力、目標(biāo)機(jī)動(dòng)性、武器成本、可實(shí)現(xiàn)性及可靠性等，權(quán)衡利弊，才能做出最優(yōu)選擇。目前制導(dǎo)體制主要包括自主制導(dǎo)、遙控制導(dǎo)、尋的制導(dǎo)以及復(fù)合制導(dǎo)。

前三種單一制導(dǎo)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)（見表1），而應(yīng)對(duì)環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，需要多種制導(dǎo)方式復(fù)合取長(zhǎng)補(bǔ)短，以提高制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的性能。復(fù)合制導(dǎo)已成為當(dāng)代彈藥制導(dǎo)技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，按照組合方式的不同，可分為串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)3種復(fù)合制導(dǎo)。通常把制導(dǎo)彈藥的整個(gè)飛行過(guò)程分為初制導(dǎo)、中制導(dǎo)和末制導(dǎo)3個(gè)階段。采用串聯(lián)復(fù)合制導(dǎo)時(shí)，其階段性是很明顯的，為了做到不丟失目標(biāo)、信息連續(xù)、控制平穩(wěn)、彈道平滑過(guò)渡以及丟失目標(biāo)后的再截獲，必須從設(shè)計(jì)上解決各制導(dǎo)段交班的特殊問題，使末制導(dǎo)導(dǎo)引頭在進(jìn)入末制導(dǎo)段時(shí)能有效截獲目標(biāo)。采用并聯(lián)或串并聯(lián)復(fù)合制導(dǎo)時(shí)，信息處理與融合技術(shù)占據(jù)突出的地位，必須利用最佳數(shù)據(jù)融合方法對(duì)多源信息進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化處理，以獲取準(zhǔn)確、可靠的彈目信息。

表1 3種單一制導(dǎo)體制的簡(jiǎn)要對(duì)比

3.2 導(dǎo)引方法與導(dǎo)引律設(shè)計(jì)

為了提高彈藥的制導(dǎo)精度，需要根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性和彈藥制導(dǎo)方式選取合理的導(dǎo)引規(guī)律，導(dǎo)引規(guī)律能確定制導(dǎo)彈藥飛行的理想彈道。目前，導(dǎo)引規(guī)律主要可歸納為古典導(dǎo)引方法及其導(dǎo)引律、現(xiàn)代導(dǎo)引方法及其導(dǎo)引律。古典導(dǎo)引又分為以三點(diǎn)法和前置點(diǎn)法為代表的速度導(dǎo)引和以追蹤法、平行接近法及比例導(dǎo)引法為代表的位置導(dǎo)引；而現(xiàn)代導(dǎo)引有變結(jié)構(gòu)導(dǎo)引法、最優(yōu)導(dǎo)引法、微分對(duì)策導(dǎo)引法以及自適應(yīng)導(dǎo)引法等，它們都是以最優(yōu)控制理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)出來(lái)的[7]。其中，比例導(dǎo)引法無(wú)論從對(duì)目標(biāo)的響應(yīng)能力來(lái)看，還是從制導(dǎo)精度來(lái)看，都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，且在工程上易于實(shí)現(xiàn)，在制導(dǎo)彈藥中已得到廣泛應(yīng)用。為了適應(yīng)現(xiàn)代高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)，可利用最優(yōu)控制理論對(duì)純比例導(dǎo)引進(jìn)行修正，提高該導(dǎo)引律的質(zhì)量，以產(chǎn)生有效的修正比例導(dǎo)引。

滑模變結(jié)構(gòu)導(dǎo)引律作為一種重要的非線性控制方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小以及魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；陔姶虐l(fā)射彈藥，在外彈道會(huì)經(jīng)歷從高空到低空、從高超聲速到超聲速的變化過(guò)程，彈藥的飛行速度、高度等參數(shù)變化劇烈，制導(dǎo)彈藥的運(yùn)動(dòng)方程也會(huì)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的多變量耦合和非線性，大氣密度偏差大造成氣動(dòng)參數(shù)偏差大等特點(diǎn)，這些不確定性因素會(huì)給導(dǎo)引律的設(shè)計(jì)帶來(lái)影響，因此需要對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制在不同控制邏輯的切換過(guò)程中容易引起系統(tǒng)的劇烈抖振開展進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 慣性敏感與探測(cè)技術(shù)

為了保證精確制導(dǎo)與控制，必須通過(guò)慣性感知和各種物理探測(cè)手段為整個(gè)制導(dǎo)與控制系統(tǒng)提供足夠準(zhǔn)確、可靠的載體和目標(biāo)的位置、速度、姿態(tài)及它們之間的相對(duì)距離等重要信息。這些信息的獲取取決于采用的制導(dǎo)方式，并由相應(yīng)的慣性敏感和探測(cè)裝置來(lái)確定。尋的制導(dǎo)一般用于彈藥的飛行末端制導(dǎo)，以提高命中精度。尋的制導(dǎo)彈藥為了具有較高的制導(dǎo)精度、較強(qiáng)的目標(biāo)識(shí)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(dǎo)引頭提供的，導(dǎo)引頭是現(xiàn)代制導(dǎo)系統(tǒng)中最重要的探測(cè)部件，通常有雷達(dá)、紅外、激光、電視和復(fù)合導(dǎo)引頭，目前應(yīng)用較多的是激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭，其工作原理如圖2所示。探測(cè)技術(shù)正朝著成像、凝視以及多波段復(fù)合探測(cè)的方向發(fā)展[7]。

圖2 激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭工作原理圖

尋的制導(dǎo)技術(shù)由于探測(cè)器受各種條件的限制，其探測(cè)距離是有限的，需要在初、中制導(dǎo)段采用慣性導(dǎo)航、GPS修正和圖像匹配等自主制導(dǎo)方式，而慣性導(dǎo)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(huán)境下，能夠具備高精度測(cè)量、器件輕小型化等特點(diǎn)。目前，先進(jìn)的捷聯(lián)慣導(dǎo)已基本替代傳統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)慣導(dǎo)，捷聯(lián)慣導(dǎo)是將慣性敏感元件與彈體固連，采用“數(shù)學(xué)平臺(tái)”實(shí)現(xiàn)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的功能，可直接測(cè)量彈體運(yùn)動(dòng)信息（如圖3所示），具有體積小、質(zhì)量輕、成本低以及可靠性高的特點(diǎn)，為了獲得慣性系下的彈目相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息與彈體視線角及其速率的關(guān)系，就需要選擇合適的解耦算法對(duì)測(cè)量量進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而給出準(zhǔn)確的制導(dǎo)指令。

圖3 捷聯(lián)慣導(dǎo)組合工作原理圖

3.4 控制回路與方法

制導(dǎo)與控制系統(tǒng)主要有2個(gè)回路（如圖4所示），制導(dǎo)回路的主要任務(wù)是控制彈體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，保證彈藥的命中精度；控制回路的主要任務(wù)是控制彈體的繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)，保證彈藥的飛行姿態(tài)穩(wěn)定。從控制系統(tǒng)的組成元部件及回路分析可以看出，制導(dǎo)彈藥控制系統(tǒng)存在多回路、三通道鉸鏈、變參數(shù)、非線性和變結(jié)構(gòu)等問題，對(duì)于這樣復(fù)雜的控制系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)工作顯然相當(dāng)麻煩。通常在初步分析設(shè)計(jì)時(shí)，先進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化，再對(duì)簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)需要進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)時(shí)，還必須借助數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真來(lái)完成相關(guān)工作。

圖4 典型制導(dǎo)與控制回路

制導(dǎo)彈藥飛行姿態(tài)的操縱是通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，要改變制導(dǎo)彈藥的飛行姿態(tài)，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(guò)空氣動(dòng)力、推力矢量或直接力的大小和方向的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。未來(lái)電磁炮在應(yīng)對(duì)高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，彈藥僅依靠空氣動(dòng)力控制，其偏轉(zhuǎn)角度和速度都是有限的，很難實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)能力，系統(tǒng)控制精度下降，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊。利用空氣動(dòng)力/直接力的復(fù)合控制方法有望實(shí)現(xiàn)對(duì)高空、快速以及大機(jī)動(dòng)目標(biāo)的精確攔截，以提高彈藥的敏捷控制。

4 電磁發(fā)射彈藥的制導(dǎo)與控制瓶頸問題

4.1 抗高過(guò)載/強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)

電磁發(fā)射武器與傳統(tǒng)化學(xué)能武器相比，由于發(fā)射機(jī)理的改變，彈丸膛內(nèi)發(fā)射環(huán)境更為復(fù)雜，表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)高過(guò)載和脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的耦合作用，其中發(fā)射過(guò)載高達(dá)30 000 g以上，峰值磁場(chǎng)達(dá)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(zhuǎn)移，會(huì)導(dǎo)致彈藥在膛口處磁場(chǎng)變化率極高?？垢哌^(guò)載/強(qiáng)磁場(chǎng)能力已成為制約制導(dǎo)器件應(yīng)用于電磁發(fā)射彈藥的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)[3，8]。這一方面使彈上磁場(chǎng)特性分析面臨高速滑動(dòng)電接觸及高速電弧轉(zhuǎn)移的發(fā)射組件磁場(chǎng)建模的難題；而彈上力學(xué)特性分析面臨瞬時(shí)高動(dòng)態(tài)發(fā)射組件內(nèi)彈道動(dòng)力學(xué)建模的難題；另一方面使得對(duì)彈丸的膛內(nèi)發(fā)射的安全性設(shè)計(jì)尤其是彈載制導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)面臨巨大的挑戰(zhàn)。

圖5 彈藥在膛內(nèi)承受的過(guò)載以及磁場(chǎng)變化曲線

4.2 微系統(tǒng)技術(shù)

與傳統(tǒng)精確制導(dǎo)武器相比，電磁炮口徑較小且一般采用次口徑彈藥，對(duì)制導(dǎo)器件、導(dǎo)航器件、控制電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、彈上電源及總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有許多限制。為了在彈藥尺寸縮小且加速過(guò)載提高的情況下確保各部件技術(shù)指標(biāo)性能不下降，實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)與控制微系統(tǒng)化是發(fā)展電磁炮制導(dǎo)彈藥必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[9]。隨著MEMS器件工藝、微電子處理技術(shù)、制導(dǎo)控制一體化設(shè)計(jì)以及芯片級(jí)微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，使彈上制導(dǎo)電子設(shè)備的微型化成為可能，給電磁發(fā)射精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展提高了創(chuàng)新的動(dòng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管現(xiàn)階段電磁發(fā)射制導(dǎo)彈藥仍存在不少問題，但隨著復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)、光電技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)以及抗高過(guò)載等相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，制導(dǎo)彈藥將憑借其命中精度高、反應(yīng)時(shí)間短、附帶損傷小以及作戰(zhàn)效能高等優(yōu)勢(shì)成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中炮兵實(shí)現(xiàn)“防空反導(dǎo)、精確打擊、高效毀傷”的首選彈藥。利用電磁炮超高速發(fā)射制導(dǎo)彈藥將對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)方式產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響，具有重要的軍事、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)意義。