艦空導彈飛行試驗彈目交會仿真分析?

（中國人民解放軍92941部隊 葫蘆島 125000）

1 引言

引戰配合的概念是保證引信適時起爆戰斗部并有效摧毀目標［1］，導彈實際遭遇目標時的彈目運動、引信探測接收目標信號和信號處理識別、引信延時、戰斗部爆炸毀傷目標的過程稱為引戰配合過程［2］。在引戰配合中，遭遇段一般是指導彈和目標接近時，引信接收到目標反射信號的一段運動軌跡。在實際的艦空導彈飛行試驗中，遭遇段彈道參數、引信啟動參數、戰斗部毀傷參數是試驗結果分析和導彈引戰系統性能評估的重要依據。艦空導彈利用戰斗部爆炸產生的殺傷物質及沖擊波等對目標進行直接毀傷，但由于存在“制導盲區”，導彈直接命中目標概率較小，所以對艦空導彈的引戰配合性能提出了更高要求，以便于在不同交會條件下，導彈能最大限度地對目標進行殺傷［3］。文獻［4～8］從不同的角度進行了引戰配合仿真建模與研究，重點從引戰配合設計以及優化的角度進行了研究。文獻［9～10］分別建立了彈目交會仿真系統，對基于引戰配合的彈目交會毀傷過程進行了研究。

在實際導彈飛行試驗中，引信計算及程序實現都非常復雜，不同型號導彈引信的體制和探測規律也不盡相同，而在試驗過程中又要求對數據的判讀有一定的時效性，及時為試驗評估提供決策依據［11］。如何根據導彈攔截目標獲得的飛行試驗數據快速評估導彈對典型目標的毀傷效果是亟需解決的難題，而對缺失的終點彈道參數進行推算補償，將彈目交會過程中目標毀傷進行模擬，可以大大提高試驗結果分析的效率，更加有效地分析導彈飛行試驗結果。

以上述分析為基礎，本文基于VB語言，重點對艦空導彈彈目交會段飛行軌跡進行仿真，復現彈目交會過程和模擬毀傷效果，為評估試驗結果提供快速有效的輔助分析方法，提升試驗數據的快速分析能力。

2 彈目交會模型

導彈和目標交會段又稱遭遇段，因交會段持續時間較短，導彈及目標的速度矢量變化不大，可認為彈目作勻速直線運動，而且由于導彈和目標來不及機動，可認為導彈與目標的姿態參數等同于剛進入交會段時刻的姿態參數。導彈和目標交會段的模型是在幾個坐標系內進行的，這就要求在這一段過程中，建立慣性坐標系、目標坐標系、彈體坐標系和相對速度坐標系。同時，進行彈目交會過程分析時，需要進行坐標系間的轉換，通過各坐標系間的旋轉變換，將導彈與目標參數緊緊聯系起來。

2.1 引信探測模型

在多個坐標系中均存在彈目空間交會模型，彈目交會參數較多，其主要參數包括目標速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐標及導彈速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐標等［10］。

將靶彈作為攔截目標，交會段地面坐標系oxyz下的彈目交會姿態和導彈引信的探測模型見圖1。由于將光測點設在導彈和靶彈尾部發動機火焰噴口，圖中導彈彈體坐標系odxdydzd原點設在導彈尾部，F點表示引信。引信探測參數主要有兩個：引信探測傾角Ω和探測距離R。防空導彈引信為了全方位探測目標，一般在繞彈軸360°的范圍內形成一圓錐體探測場。通常在彈體坐標系中表示引信探測場，無線電天線主瓣或者激光引信光軸與彈軸的夾角Ω為引信探測傾角，錐體母線為引信啟動距離R，它決定了引信探測的敏感區，是引信啟動特性高低的重要參數。

圖1 艦空導彈引信探測模型

2.2 戰斗部破片動態飛散模型［12］

導彈在靜止時刻，戰斗部發生爆炸所形成的戰斗部破片（或桿條）飛散區，稱為靜態飛散區。導彈在飛行時，戰斗部發生爆炸后，在破片靜態飛散速度上疊加導彈速度后所形成的破片飛散區稱為戰斗部破片動態飛散區。非定向戰斗部破片的靜態飛散區相對于導彈縱軸對稱，且繞彈軸360°方向均勻飛散，因此同引信探測場一樣，在彈體坐標系中表示破片飛散區最為方便。

靜態飛散區和動態飛散區在彈體坐標系內的關系圖如圖2所示。圖中，Z點表示戰斗部中心；φ0為破片靜態飛散角；φ1為動態飛散角；v0為破片靜態初速；v1為動態初速。

圖2 破片靜態飛散區和動態飛散區關系圖

3 仿真界面設計與流程介紹

根據試驗中彈目外彈道特征參數和戰斗部技術參數，建立彈目交會段模型，并對缺失的終點彈道參數進行推算補償，通過炸點時刻和戰斗部爆炸威力的有效殺傷區，實現目標毀傷模擬，在考慮試驗測量點位置校正后，光測、遙測數據可互相對應分析，從而可達到試驗分析效果。導彈與目標的空間位置坐標主要來源于實際的飛行試驗數據，這里飛行試驗數據包括光測與遙測數據。遙測數據能提供導彈位置、速度和姿態等參數及目標位置和速度等參數，而光測數據可以提供比遙測數據精度更高的彈目參數信息。

3.1 操作系統及界面

導彈與目標交會段快速分析系統基于VB語言進行實現。該操作系統主要包含兩大模塊：一是后臺仿真計算模塊，二是主界面操作顯示模塊。后臺仿真計算模塊在后臺對試驗數據進行仿真計算，主界面操作顯示模塊在前臺模擬彈目交會過程，對結果進行顯示。后臺仿真計算模塊采取利用遙測和光測數據擬合重建遭遇段彈目運動軌跡計算方法，通過建立引信探測模型，研究飛行試驗引信啟動點及通過建立戰斗部破片飛散模型，研究飛行試驗導彈戰斗部對目標殺傷區域。主界面主要包括導彈型號、彈目位置、交會參數、戰斗部參數、目標參數、擬合與仿真等的輸入，窗體界面的設置，圖像圖形的調整以及毀傷效果的模擬，如圖3所示。

圖3 彈目交會段仿真界面

3.2 彈目交會段分析流程

在實際飛行試驗彈目遭遇過程中，引信探測到目標，然后啟動，再經過引戰配合延時，戰斗部爆炸。由于遙測參數記錄引信啟動時間，引戰配合延時可根據設計規律進行計算，只要得知引信在目標的啟動點，即可根據彈目遭遇模型和戰斗部破片飛散模型模擬出彈目交會過程及導彈起爆的毀傷效果。通過讀取彈目位置文件，并對試驗中導彈及目標各種主要參數的輸入，模擬出飛行試驗中彈目交會過程，具體流程如圖4所示。

圖4 艦空導彈交會段仿真流程

4 仿真驗證與結果分析

某型艦空導彈經過多次試驗，根據某次試驗影像顯示，導彈與目標均正常起飛至彈目遭遇后，戰斗部起爆，目標墜落。導彈遙測數據顯示，導彈飛行過程中，引信工作正常且在彈目遭遇時進行報警輸出，適時引爆了戰斗部。在對試驗數據進行完全處理后，對彈目交會系統進行以仿真驗證。

4.1 初始條件輸入

仿真系統彈目交會段初始參數見表1。

表1 初始參數

本次仿真驗證中，取vm=900m/s，φm=50.5°，θm=25.8°，φ1=118°，φ0=85°，v0=2100m/s，rm=20m，lt=9m，wt=7m，vt=215m/s，φt=6.7°，θt=8.6°，T爆炸=19.170±0.005s，T0=10：30：10.000s，導彈及目標空間位置由光測給出，以表格形式導入系統。

4.2 結果模擬分析

輸入初始參數后，模擬得到的彈目交會段和戰斗部毀傷效果，如圖5所示。導彈與目標正常交會，從圖中能夠直觀的看出導彈和目標的空間分布位置、運動軌跡及戰斗部殺傷區所覆蓋的面積。需要說明的是，對于導彈戰斗部起爆的模擬，圖中起爆位置為最后光測時間的位置，假設該位置為戰斗部起爆點，可以直接的看出導彈戰斗部殺傷區未能對目標造成有效的殺傷。此時，遭遇段該時刻為19.15s，彈目距為23.95m。而通過與引信報警的時間比對后發現，在該時刻戰斗部確實并未起爆，沒有對目標進行殺傷。

圖5 彈目交會模擬

出現上述現象的原因是在實際的飛行試驗中，導彈對目標起爆瞬時的數據在光測數據中無法進行體現，也就不能繼續展示后續彈目遭遇及戰斗部對目標毀傷的過程。

為更好的掌握彈目交會及毀傷過程，對彈目運動進行延時模擬。調整擬合與仿真設置，將彈目交會續延時間設置為40ms，逐點運行速度設置為500ms/點，進一步模擬彈目運動及導彈對目標毀傷效果，如圖6所示。從圖中可以看出，導彈與目標正常交會，導彈戰斗部起爆后，其殺傷區與目標區域有重疊，在一定程度上表明，導彈對目標進行了殺傷。根據軟件系統界面顯示，此時遭遇段的時間為19.168s，彈目距為10.85m，結合實際試驗數據可知，戰斗部爆炸時間為T爆炸=19.170±0.005s，通過與爆炸時間參數比較及結合實際試驗結果，可以得出該過程導彈戰斗部對目標進行了有效殺傷。

圖6 彈目交會延時模擬

5 結語

本文采用VB語言，根據艦空導彈彈目遭遇段相對運動關系以及引信工作原理，建立了艦空導彈彈目交會段模型，通過彈目交會段外彈道測量的彈目位置參數，采用彈道插值和彈道推延方法模擬彈目交會過程；同時通過戰斗部毀傷威力與殺傷區分析，直觀模擬了導彈起爆的毀傷效果。通過對交會過程模擬，得到導彈在特定時間是否對目標造成有效殺傷的判定依據，在彈目交會末端，更加方便直觀對艦空導彈引戰配合性能進行分析，為艦空導彈試驗結果的快速判讀與試驗效果的評估提供有力的數據支持。另外，本文為艦空導彈飛行試驗遭遇段彈目交會分析、戰斗部毀傷效果分析等試驗結果評定與導彈性能評估工作中提供理論指導及應用價值。