彈道修正彈技術發展綜述

王中原,史金光,常思江,李 巖,陳 琦,易文俊,王旭剛

(南京理工大學 1.能源與動力工程學院;2.瞬態物理國家重點實驗室,江蘇 南京 210094)

1 彈道修正彈技術原理和內涵

對于炮彈,提高其射程、改善射擊密集度,是對其研究的重要內容,追求“遠、準、狠”,是永恒的研究主題[1-6]。

炮彈射擊時,根據當時射擊條件(氣象、設計初速等)和作戰任務(目標距離等),由射表或理論計算可確定出對應的射擊諸元和飛行彈道(理論落點諸元等),但實際發射及飛行過程中存在眾多圍繞設計值和射擊條件的隨機誤差,如炮口初速和初始擾動、彈道上隨機風、彈丸外形與結構參數誤差、彈上如有增程裝置時對應的作用誤差(如底排減阻或火箭增速)等。在這些隨機誤差的影響下,每發炮彈的實際飛行彈道均不同于射表確定或理論計算所得的平均彈道,但通常圍繞此平均彈道分布,也可將包含這些隨機誤差的實際彈道稱為隨機彈道[7-9]。給射彈帶來散布的上述誤差(變化范圍)越大,炮彈落點散布越大,密集度越差。

為了改善炮彈地面密集度,多年來,彈藥和火炮領域的研究者們一直致力于減小或控制影響散布的主要隨機誤差[10-14],但時至今日,仍未有根本性突破。

隨著技術發展,研究人員另辟蹊徑:對隨機誤差影響下的隨機彈道進行實時落點預報,并采用簡易控制機構對后續彈道進行一次或若干次簡易(非閉環控制)修正,以調節飛行彈道靠近理論彈道中心,從而大幅度提高地面密集度。由此,彈道修正彈技術應運而生[8-18]。

與普通無控炮彈的飛行彈道相比,彈道修正彈技術的原理為:對一定射擊條件下炮彈的一段飛行彈道參數進行在線測量及數據處理,據此實時預報出此發彈后續飛行彈道諸元(如落點位置等),獲知它同預定彈道諸元(如預定落點)間的偏差,并進行比較,邏輯解算并確定出控制信息,通過彈上控制機構,在后續彈道上的適時位置進行一次或若干次簡易(開環)控制,修正飛行彈道向預定彈道(落點)位置逼近,實現大幅度提高炮彈密集度的目的[9-23]。如果彈上控制機構只能調節縱向彈道,則為一維彈道修正;如除了縱向外,還能調節橫向彈道,則為二維彈道修正[24]。

對炮彈實時測出一段飛行彈道參數;根據這段飛行參數和一定的射擊條件,快速準確地預報出后續飛行彈道并進行修正指令的邏輯解算;彈上的控制機構能對彈道進行簡易調節控制。以上為彈道修正技術的“三要素”[25-29]。

與制導炮彈(可對飛行彈道進行連續的閉環控制)相比,彈道上簡易控制(一次或若干次開環的彈道誤差匹配調節)成本低是彈道修正彈的“靈魂”和發展生存的核心原則。

2 彈道修正彈技術研究發展概況

根據現有報道,關于彈道修正彈技術的研究,國外始于上世紀80年代,主要代表國家有蘇聯、美國、南非、瑞典、法國、英國等,我國始于上世紀90年代初[5,8,12,17]。綜合國內外研究資料,對彈道修正彈技術研究所涉及的內容及簡況大致介紹如下。

圍繞彈道修正彈技術“三要素”,根據不同的彈道參數測量裝置或不同的彈上控制機構引出不同體制的彈道修正彈。

2.1 測量裝置

對于彈道參數在線測量,主要的探測裝置有衛星定位裝置、雷達、彈載傳感器裝置(如加速度傳感器)等。衛星定位裝置測量方法是近二十年,隨全球衛星定位系統技術的發展而被普及應用。其特點是:測量精度較高,測量信息時段較長,可保障炮彈實現自主彈道修正控制。采用一些彈載傳感器測量彈道參數也是近些年隨著彈載傳感器小型化、抗高過載技術發展而出現的,它的特點是測量裝置小巧,可利用較長時段的測量信息,抗電磁干擾性相對較好等。采用(地面)雷達進行彈道測量是較為傳統的技術方案,其特點是測量精度相對較高,彈上涉及器件少,工作可靠,抗干擾性相對較好,成本相對較低。

在上述彈道測量方法中,由于彈載傳感器(單獨)測量精度相對較差,實際中采用的較少。目前,國內外在彈道修正彈上主要采用雷達或衛星定位裝置進行測量。在雷達測量系統中,通常將雷達置于地面火炮附近,對炮彈的一段飛行彈道進行測量后,由火控實時進行彈道預報、彈道修正邏輯解算、形成控制指令,并由地面裝置向彈上的指令接收裝置發送指令,整個信息處理過程簡潔,彈上相關器件少,抗干擾能力強。但許多信息處理在地面實施,因此采用雷達測量系統的彈道修正彈一般為被動式彈道修正[27-34],且通常在一部地面雷達保障下,當火炮以一定射速連續發射多發炮彈時,受資源限制,雷達無法全程跟蹤所有炮彈,只能對每發炮彈在一段時空域內實施跟蹤(除非雷達具有對多發彈同時跟蹤的能力),與衛星測量裝置相比,這些都是雷達測量的不足之處[35-38]。在衛星測量系統中,發射前將相關信息(目標位置、氣象、星歷等)裝定進炮彈,發射出去后彈上衛星定位系統工作,彈上計算機根據衛星測量數據進行數據處理及彈道預報,形成修正指令[39-42]。其優點是可利用的測量彈道信息較多,精度較高,不足之處是彈上器件較多(相對而言占用空間多,結構復雜),成本略高[43-46]。因此,2種用于彈道測量的方法各有特點。就發展趨勢和工程應用便利性而言,雷達測量體制研究發展的更早些,今后衛星測量體制應更為普及。

2.2 控制機構

彈道修正彈技術中,彈載控制機構主要有阻力環(或阻力傘)[47-48]、脈沖發動機[19,35]、擾流片(或導流片、限位舵等)[14,34,49-50]等。

1)阻力環。

阻力環機構如圖1所示。阻力環機構一般置于炮彈頭部(前端),根據指令在彈道上適時展開,形成一個高于彈體表面的圓環,使炮彈阻力增大,調節飛行彈道,為保持結構簡單,阻力環張開后通常不收回。它的特點是結構簡單、作用可靠與均勻性相對較好。國外報道有展開阻力傘(展開后類似傘狀的柔性體)、扇形展開阻力環等機構,但因它們外形均勻一致性相對較差,實際中很少被采用。阻力環控制機構只適用于一維縱向彈道修正技術,且其張開后只能使飛行彈道調節得更近,故采用阻力環控制機構是基于“打遠修近”原理,它對應要犧牲一點原無控彈最大射程[18,28,51-55]。

圖1 阻力環機構

2)脈沖發動機。

脈沖發動機一般置于彈體(圓柱段)周向,均勻對稱分布,并相應編號,其布置圖和裝置分別如圖2和圖3所示。脈沖發動機組根據指令在彈道上某處適時點火,啟動某個脈沖發動機作用,調節飛行彈道。它的特點是控制機構結構簡單、易實現。脈沖發動機控制機構一般用于二維彈道修正。脈沖發動機一般不安裝于彈體幾何縱向上,原因:①與彈上的一些增程裝置(如火箭、底排等)之間匹配復雜;②置于縱軸只進行一維修正,其簡潔、高效性遠不如阻力環機構。

圖2 脈沖發動機布置圖

圖3 脈沖發動機裝置

3)擾流片。

彈上擾流片(或限位舵)一般置于彈頭部,其具體機構如圖4所示。彈旋轉時,有的擾流片起到增大阻尼力矩、調節彈丸轉速及偏流的作用;有的擾流片可在一定限位角上轉動來調節氣動力(矩)以修正彈道。擾流片具體類型不同,可作用調節范圍也不同,控制作用能力差異較大。

圖4 擾流片機構圖

就上述介紹的各彈載控制機構而言,阻力環機構引起的原炮彈結構改變而帶來的影響小,飛行環境適應性好(如修正過程中仍可高轉速飛行),機構簡易,作用可靠,是目前應用最多、技術相對成熟的修正機構;脈沖發動機雖可實現結構上簡易,但當炮彈轉速較高時脈沖發動機作用力方向(沿彈體周向分布)不易被準確控制,脈沖作用力的均勻一致性和對炮彈結構的適配性也不易被掌控,炮彈易出現飛行失穩,為達一定修正能力及避免引起飛行失穩,常對脈沖發動機在炮彈上的位置要求較嚴,因此作為彈道修正彈技術的控制機構,脈沖發動機在實際應用中的高效性并不理想;而彈載擾流片等控制機構則涉及許多不同具體結構,因而差異性較大。對于一些固定不動的小擾流片,要么是彈道修正能力有限,要么是飛行中其對彈道的作用力影響不易掌控(甚至引出新的彈道誤差),因此實際應用效果不佳;而對于一些可進行限位偏轉的擾流片(類似于簡易舵),則結構較為復雜,有的設計成彈前體相對于后體可高速轉動,以達到控制其修正力方向,目前仍處于技術實用化研究階段,但若技術方案過于復雜,實現困難且成本偏高,則會背離了彈道修正彈技術的發展原則。

就彈道修正技術中的一維彈道修正和二維彈道修正技術而言,一維彈道修正研究早于二維彈道修正研究,前者相對簡單,技術成熟度高,后者相對復雜,技術成熟度要低[24,28-29,56]。近年來,底排減阻、火箭底排復合增程等技術的上彈應用,給炮彈射程方向帶來的散布影響要遠大于橫向的散布影響,進行一維彈道修正,保障上述增程彈的良好應用效果且有效控制其成本顯得尤為迫切和必要,這也是當下彈道修正彈技術研究發展現狀。

比較國內外開展過的各類二維彈道修正技術途徑可知,較為實用、可行的方式主要有二類[44,56-63]:①在一維彈道修正機構基礎上增加減旋翼片(擾流片),其原理是通過彈道上適時彈出減旋片來增大極阻尼力矩,調節旋轉炮彈偏流大小來實現橫向彈道修正,此修正方式的優點是結構簡潔、作用可靠、易實現,不足是橫向修正能力較弱[64-65];②在彈體上設計一簡易(可限位偏轉)的舵片(擾流片),彈前體可相對彈后體高速旋轉(所謂“雙旋彈”),通過控制彈前體相對后體的相對轉速及簡易舵的偏轉方向來實現二維彈道修正,這類修正方式的優點是理論上修正能力較強,缺點是技術途徑較為復雜,彈上涉及飛行位置、滾轉姿態測量,轉速控制部件較多,成本相對高,目前技術尚在研究中[56,61]。

關于一維彈道修正技術和二維彈道修正技術研究、應用的發展關系,應當立足于彈道修正技術的原理、要素和發展原則及炮彈性能發展需求牽引來綜合考慮。從技術發展和應用的定位來說,彈道修正彈是介于普通無控彈和制導炮彈之間的彈種,其目標是針對隨機誤差造成的散布在彈道上進行有限次開環簡易修正,改善地面密集度,核心“靈魂”是簡易、低成本;從需求牽引看,對于50～60 km射程范圍內的炮彈,特別是帶有一些增程裝置的炮彈,改善其縱向地面密集度性能需求更為迫切,這些狀況是從事彈道修正技術研究人員應關注的,只有當對應的二維彈道修正技術所涉及的所有彈道參數測量機構和修正控制機構的部件簡易可靠,對炮彈結構影響小,成本遠低于制導炮彈,且易于工程化應用,研究應用二維彈道修正技術才會進入快速發展軌道。

3 彈道修正彈技術研究和應用中主要涉及的理論和技術問題

傳統無控炮彈是通過減小隨機誤差來控制散布,與此相比,彈道修正技術的創新點在于:根據一段實測飛行彈道參數,在線辨識出部分隨機誤差對隨機彈道的影響,并預報出后續彈道和預定彈道差,通過若干次簡易控制,使實際彈道逼近預定彈道落點,大幅度提高地面密集度,而其成本比無控彈高出不多,且遠低于制導炮彈,彈道修正彈同制導炮彈在打擊目標和使用類別上可以互補,故彈道修正彈技術具有極好的發展應用空間。近二十年來,技術應用有了長足進步?，F將彈道修正技術應用研究中主要涉及的一些理論、技術問題,甚至認知上容易混淆的一些問題,總結歸納如下。

3.1 彈道測量、控制機構和修正維數

綜合考慮各方面因素,較為實用簡潔的彈道參數測試方式主要為雷達測量及衛星定位裝置測量,從方便性且有利于彈道修正過程中彈道解算對飛行參數的利用看,今后選用衛星定位裝置測量方式居多;從有利于彈道修正彈參數辨識以及提高彈道預報精度角度,希望對每發彈飛行參數測量的時間加長且越靠近彈道后段越好,但測試的彈道段過長、過后,又存在可能錯過需要的修正時機和修正能力不足等情況,實際中可以根據不同彈的彈道特性,分析出對應不同射程所需修正能力的范圍,在此范圍內射程較近時可以早啟動彈道解算,射程較遠時可以晚啟動彈道解算。

關于修正維數和控制機構,綜合考慮各類隨機誤差對地面散布的影響、技術復雜性與成熟度、同原武器彈藥的適配性、效費比等因素,廣泛應用的還是阻力環體制的一維彈道修正彈技術。至于今后發展的遠程、超遠程彈藥,因其價值較高,性能要求高,還是主要考慮發展制導炮彈。

關于阻力環修正控制機構,實際應用中重點要把握以下兩個方面。

①小型高效。

阻力環機構越小,所占空間越小,對原彈體結構影響也越小,但機構過小,展開的阻力環(外露)面積也小,則增阻有限,影響修正能力。由彈箭氣動特性可知,超音速彈箭飛行時其彈頭部外形變化對氣動阻力影響顯著,故通常將阻力環機構置于彈頭部某處。

②阻力環張開外形的均勻一致性。

阻力環張開后,其外形保持均勻、對稱(相對彈幾何縱軸,最好全環無縫)非常重要,這不僅可增大增阻效率,最主要是可以使增加的氣動力合力盡可能保持與彈幾何縱軸同軸,不會引起彈道上新的誤差源。

3.2 彈道預報理論與技術

彈道修正技術中的一個核心問題是彈道預報,這也是彈道修正技術出現后給外彈道學研究提出的新問題。它包括:彈道預報的定義,與通常的外彈道理論計算的差異,彈道預報常用理論方法及主要難點等。

眾所周知,對于一確定的火炮武器及其發射的炮彈,都有其對應的設計狀態參數或經試驗對比確定的平均彈道參數。通常的外彈道理論計算涉及外彈道模型及模型計算中的全套參數。

外彈道模型是在一定假設條件下(如地球地表假設、炮彈剛體假設、坐標系假設、作用在彈上的各類力系假設等),根據炮彈飛行動力學理論建立的飛行運動方程組(如質心運動方程組、剛體彈道方程組等,一般為微分方程組形式),方程組中的變量為彈道諸元。

炮彈的外彈道理論計算是指采用一具體外彈道運動模型,在一套確定的狀態參數下(無論是設計值還是試驗確定的平均值),進行外彈道(微分)運動方程組諸元數值計算。計算所得的彈道是一條可在炮彈發射前就計算好的理論彈道,它代表了炮彈在上述射擊和飛行狀態參數下的平均彈道狀況。

理論計算的飛行彈道同實際彈道的偏差主要來源于兩方面:一是外彈道模型與實際情況之間存在誤差,如建立模型時的一些假設、簡化等;二是涉及模型計算用的條件狀態參數存在誤差。目前,對普通彈箭的外彈道模型的研究相對較成熟,大量對比分析和試驗結果表明,一般情況下后者是造成理論彈道計算誤差的主要原因。

無論如何管控,在實際發射和飛行過程中,每一個狀態參數都會與預先確定值(或平均值)之間有小的誤差,即隨機誤差,這造成實際飛行彈道諸元圍繞預先計算的彈道諸元變化,出現差異,這個實際飛行彈道也可稱為隨機彈道。當然,在各隨機誤差中,有一些是影響彈道的主要誤差源,如對地面散布而言,初速、空氣阻力、隨機風等誤差是主要因素。因此,雖然預先無法計算隨機彈道,但一發炮彈發射出去后,實際飛行的彈道諸元已經體現出隨機誤差的影響,之前的隨機誤差已成為確定誤差值[39-41]。因此,通過實時測量炮彈的一段飛行彈道的諸元參數,設法辨識出已確定的主要誤差參數對彈道的影響,并當量成某主要影響彈道的特征參數(如阻力系數),據此對后續飛行彈道進行計算,這一過程為彈道預報[46,51,66]。

彈道預報的后續彈道已(部分)考慮了先前彈道主要隨機誤差的影響,因此它比理論計算彈道更接近實際彈道。

因此,理論計算彈道是指在預先確定的一套(條件)狀態參數下,計算的飛行彈道;彈道預報是在理論計算彈道的基礎上,根據一段實測飛行彈道諸元,在線辨識一些主要誤差對彈道特征的影響,并由此預報后續飛行彈道諸元。彈道預報是同隨機彈道密切關聯的。

有關彈道預報采用的方法,常常根據可測飛行彈道參數的信息狀況(如可測諸元、可測彈道時間段等)、對后續預報彈道的要求等,選擇相應的方法,其理論基礎仍是外彈道理論與相關運動方程組模型等[67]。目前常見的彈道預報方法主要有如下兩類。其中，外推方法相對簡單，卡爾曼濾波與彈道預報方法相對復雜。

3.2.1 外推方法

以測量的這段彈道的參數為基礎,進行主要氣動力系數(如阻力和升力系數)符合,并從所測彈道段上某點為起始點向后解算彈道方程組作為彈道預報推算:

X=G(t,ti,xi)

(1)

式中:i=1,2,…,m;G為彈道模型;X為水平距離;ti為所測彈道段上對應時刻;xi為所測彈道諸元;m為測量彈道諸元數。

(2)

上述對實測的一段飛行彈道參數(已體現部分隨機誤差對其影響),選用某彈道特征參數進行符合,并用它當量代表誤差影響,而由彈道方程組直接進行后續計算作為彈道預報,特點是簡單、計算快速,不足是預報彈道精度不高,僅對一些射程不大或預報后在后續彈道的較短時段內的精度尚可。

3.2.2 卡爾曼濾波與彈道預報方法

由對各類彈道預報方法的研究和對比分析看,綜合考慮預報精度、計算時間、簡潔性等因素,實際中應用較多、效果較好的是選用某一重要彈道參數(通常選炮彈阻力系數),在所測彈道段上,通過卡爾曼彈道濾波方法來當量符合隨機誤差對飛行彈道的影響,并進行后續彈道預報[11,26,27,33]。

卡爾曼彈道濾波方法主要是根據實測的一段飛行彈道參數快速準確地辨識出該彈的彈道特征參數[38,55,68-69]。這里以阻力系數的符合系數kcx和升力系數的符合系數kcy作為彈道特征參數為例,介紹卡爾曼濾波與彈道預報方法的主要流程。

一維彈道修正彈的彈道方程為

(3)

阻力環控制方程為

(4)

式中:Fx2,Fy2,Fz2為作用在彈丸上的合外力在彈道坐標系x2y2z2中的投影,在計算Fx2和Fy2時需要使用阻力系數符合系數kcx和升力系數符合系數kcy,kcx和kcy為待辨識的參數;Mξ,Mη,Mζ為作用在彈丸質心處的合力矩在彈軸坐標系ξηζ中的投影;FD為阻力環張開后增加的阻力;ΔCx為阻力系數增量。其他符號及坐標系定義等參見文獻[1]?？柭鼮V波基本方程如下。

預測方程為

(5)

(6)

(7)

濾波方程為

(8)

卡爾曼濾波增益為

(9)

誤差方差陣為

Pk=(I-KkHk)Pk/k-1

(10)

式中:Φk為基本矩陣,H為量測矩陣,Qk為過程噪聲方差矩陣,Rk為量測噪聲方程矩陣,其他各符號定義可參見文獻[70]。

在利用卡爾曼濾波辨識彈道特征參數的過程中,不涉及阻力環機構作用。因此,在構建一維修正彈彈道濾波模型時,將參數kcx和kcy分別置于阻力系數和升力系數之前作為乘子,并補充如下微分方程:

(11)

則狀態變量取為

X=(vθaψ2xyzωξωηωζ
φaφ2γkcxkcy)T

(12)

將彈箭動力學方程(3)改成狀態空間形式:

(13)

式中:fi(i=1,2,…,14)為方程(3)和方程(11)對應的右端函數。對方程(13)進行線性化,可得:

(14)

式中:F為動力矩陣,其元素fi(i=1,2,…,14)對應每個狀態變量的偏導數。

在求出了動力矩陣F的具體表達式后,可求得彈道濾波系統的基本矩陣Φk:

Φk≈I14×14+F14×14·Δt

(15)

式中:I14×14為單位矩陣,Δt為卡爾曼濾波的采樣間隔。

假設可直接或間接測得的彈道參數為

Z=(vθaψ2xyz)T

(16)

則彈道濾波系統的量測方程可以表示為

Z=h(X)+n=H·X+n

(17)

式中:H為量測矩陣,n為量測噪聲。

由于狀態變量X為14×1維矩陣,Z為6×1維矩陣,故量測矩陣H為6×14維矩陣,n為6×1維矩陣。

量測噪聲n的方差矩陣為

(18)

式中:σ為測量值的標準差。

另外,與狀態方程相對應的還有過程噪聲方差矩陣Qk,在應用中,通常忽略彈道模型與實際飛行狀況的誤差,故一般取Qk=O14×14。

根據實測的飛行彈道參數,卡爾曼濾波算法采用預報和校正交替實施的方式,快速辨識出彈道特征參數,將測量數據段最后一點的狀態變量最優估計值作為彈道預報的起點,對彈道方程組進行數值積分,預報出該發射彈后續的直至落點的彈道。采用卡爾曼彈道濾波方法進行彈道預報的特點是預報精度較高,不足之處是計算量較大[71-72]。

3.3 一維彈道修正彈技術工程應用中常見問題分析

3.3.1 射程擴展量處理問題

工程應用中,通常選擇的射程擴展量比對應射程上的縱向散布(極差)間距的一半稍大,對應的一維修正彈射表應包含各射距上的射程擴展量表。

3.3.2 射表與射程標準化問題

對于確定狀態的火炮與彈藥,根據任務要求(射程等)和條件,用來確定射擊諸元(如射角)及相關彈道參數等的資料為射表。

一維彈道修正彈阻力環型的射表是在普通炮彈射表基礎上,增加了射程擴展量表,它給出了不同距離上對應的射程擴展量,通常表中還給出此射程擴展量對應的阻力環開環時間、落點參數等。

射程擴展量表征的是阻力環在某時刻張開所對應的彈道縱向修正距離,為一相對距離差,即同一射擊和飛行環境條件下,阻力環不張開時落點與某時刻張開后落點間的距離差。經分析,在不同環境條件(如初速、氣象條件)下,不同時刻阻力環張開對應的射程修正量變化不大,故一維彈道修正彈的射程擴展量一般可不考慮非標條件的影響。

關于一維彈道修正彈的射程標準化問題,仍對應某射擊條件下的目標點(即修正后的落點),同普通無控彈一樣,進行射程標準化。

3.3.3 認知上應注意的問題

與普通炮彈相比,彈道修正彈是通過測量一段實際飛行彈道的參數,在線分析隨機誤差對彈道的影響,將影響辨識出并用某彈道特征參數來表征,進行后續彈道預報,獲知與預定彈道的差,由彈上作用機構進行一次或若干次簡易彈道調節來提高密集度,所以它不是普通無控彈,雖可歸為信息化彈藥,但因在飛行控制原理、可調節各類誤差對飛行彈道的影響及能力等方面有別,不應將彈道修正彈與制導炮彈歸為一類。同理,將飛行彈道上已采用閉環連續控制的彈藥稱為彈道修正彈也是不妥的。

在上述修正信息處理的過程中,關于隨機誤差影響的考慮是有限的,即僅針對測量的一段彈道,不能包含全部隨機誤差以及對全飛行彈道的影響,而且是當量成某一彈道特征參數來表征,實際上需應用更多彈道特征參數表征,如初速、阻力系數、氣象條件,這更符合實際情況,但辨識困難;更主要的是,所進行的彈道調節是開環彈道修正,無法像制導炮彈那樣不斷進行閉環控制,因此與普通無控彈相比,只能在原炮彈散布基礎上加以改善(本質上說,它仍是不同飛行段對應不同作用阻力的一般炮彈),仍只能用地面密集度來反映其射擊精度,而非用準確度來反映,且彈道修正彈的修正能力是有限的,特別對于近程時,修正能力非常有限。理論上應將各類誤差對飛行彈道的影響均加以修正,使炮彈更準確地飛行至實際目標點,但這是不切實際的。

彈道修正彈的密集度與其對應的無控炮彈密集度緊密相關,如對應無控彈密集度太差(表明各類誤差大,則前述彈道預報對部分誤差源影響的辨識及當量處理的效果也差),且可能造成在某些射程上修正能力不足,從而導致修正彈密集度變差,所以實際中對無控彈密集度要有一定要求,才能達到有效提高修正彈密集度的目的,一般可提升密集度到原來的幾倍。

對于彈道修正彈,考慮隨機誤差對彈道的影響,并加以辨識,預報彈道,進行彈道修正。目前考慮的部分隨機誤差主要是與炮彈飛行強相關的誤差,如初速誤差、空氣動力誤差等,而對火炮射擊條件誤差(如射擊過程中射角變化)所引起的飛行彈道變化,尚難以進行彈道辨識(因目前彈道辨識中還認為射角等條件不變),這對一些處于劇烈運動平臺上的火炮,在行進中發射且射角條件變化明顯時,彈道修正的效果會受到影響,其彈道修正密集度要差于火炮平臺無劇烈運動下射擊時的修正效果。

在彈道修正技術研究及其應用中,還有不同定義區分,如彈道修正彈、彈道修正引信等。實際上,為了將彈上修正機構小型化,或是針對具體炮彈結構布局及外彈道特性來設計其修正機構,并布置于彈上某部件處,都屬于彈道修正技術,定義如何不是根本問題。

3.4 彈道修正彈技術未來研究展望

彈道修正彈是一類介于普通無控炮彈與制導炮彈之間的新型彈藥,也屬于信息化彈藥,其核心是低成本、高效費比。對于今后彈道修正技術研究的方向,若相應的修正控制機構(或彈道測量、控制方式等)過于復雜,致使全彈成本過高或非常接近制導炮彈成本,則是不合適的。彈道修正彈與制導炮彈,應該在成本上、簡易性上互補,這是發展的前提。

彈道修正彈技術的難點主要有:

①設計小型高效且適配炮彈結構與飛行彈道環境的修正控制機構;

②彈道特征參數辨識及快速準確的彈道預報;

③彈載彈道修正部件抗高動態環境。

彈道修正彈技術未來應朝著不斷提高高效性、適應炮彈發射飛行環境、低成本等方向研究,結合目前技術研究現狀和不足,今后可以重點關注內容如下。

①研究更加小型高效的阻力環修正機構。

受結構限制,目前阻力環的彈道修正能力比較弱,特別是在近程(由于飛行時間短)修正范圍受到限制;若修正能力強,彈道修正時機可后移,能更充分利用彈道測量信息,使彈道預報精度大幅提高。因此,低成本、小型高效修正機構的研究將會是一個重點,如可折疊、大伸縮比、可變檔(可選擇不同外露伸縮面積比)的阻力環機構。

②多元彈道特征參數辨識技術。

由實測的一段飛行彈道參數,辨識出誤差對飛行彈道的影響(理論上講,對于發射出去的飛行炮彈,一些隨機誤差已成為確定狀態參數),并在線辨識出對應影響的彈道特征參數,如初速、空氣動力系數、氣象條件等,進而可準確預報彈道,是彈道修正技術的一個核心問題。目前的理論研究和技術應用水平,僅限于當量成某一個彈道特征系數來表征,這在理論上只是一種近似處理。因此,今后開展多元彈道特征參數辨識理論的研究是很有意義的。

③對運動平臺引起的射擊條件誤差影響辨識。

通常,火炮平臺在運動狀況下發射時,盡管平臺采取了一些伺服技術,但仍會造成射擊條件(如射角)的改變,從而帶來誤差。對于目前研究的彈道修正理論與技術,在飛行彈道參數誤差影響的測量及彈道特征參數辨識中,關于射擊條件改變的影響及誤差辨識等研究還較少,這影響了彈道修正彈技術在這樣一些發射條件下的實際應用效果。今后將根據實測飛行彈道(可以測試更多的彈道信息),除了分析彈的誤差影響,還應同時引入射擊條件(射角等)誤差的分析比對,使彈道預報的適應范圍更廣,這方面的研究對擴大彈道修正彈技術的應用范圍,提高應用效果,是十分有意義的。

4 結束語

追求炮彈精確打擊,大幅度提高地面密集度,始終是研究人員奮斗的方向。近年出現的彈道修正彈,是介于普通炮彈和制導炮彈之間的新生產物,低成本、高效費比是其核心,在作戰使用上和制導炮彈互補,有良好的發展和應用前景。

本文結合國內外相關文獻報道,結合多年研究經歷,就彈道修正彈理論與技術的原理、發展狀況、技術特點及工程應用中可能會出現的一些技術問題等,進行了分析、比較,對發展研究中應注意的問題提出了建議,對未來該技術發展作了展望,希望為相關研究人員提供幫助。