修正执行机构优化为：执行机构修正措施

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：阻力板执行机构的缺点是只能对射程偏差进行修正。此外, 阻力板射程修正能力解算耗时较长, 无法满足制导控制需求。

执行机构按照产生修正力的方式不同分为直接力执行机构和气动力执行机构两类, 每一类执行机构都有自己的特点, 为满足战术技术指标要求, 需要选用合适的执行机构。

1.修正执行机构分类

(1) 舵机。舵机执行机构通过改变火箭弹的受力分布实现弹道修正, 能实现射程和横向偏差的修正。舵机执行机构可以为弹体修正提供连续的修正力, 弹道修正精度较高, 但是结构复杂、控制难度大, 需要较大的驱动功率;此外, 舵机修正控制效率受大气环境和飞行速度的影响较大, 大气密度越高、飞行速度越高则修正效率越高, 反之, 修正效率越低。

(2) 脉冲推冲器。脉冲推冲器依靠为弹体提供离散的直接力实现弹道修正, 能对射程和横向偏差进行二维修正, 具有结构简单、响应速度快和所需驱动功率小的优点, 已经在多个型号上得到了应用。

(3) 阻力板。阻力板依靠增加火箭弹受到的阻力实现射程修正, 具有结构简单和纵向修正能力强等优点, 在弹道修正弹的发展初期得到了广泛研究。阻力板执行机构的缺点是只能对射程偏差进行修正。

综上分析可以看出, 采用不同的执行机构进行弹道修正时具有不同的特点, 为满足不同型号修正弹的战术技术指标要求, 在单一执行机构的基础上出现了不同类型的直接力/气动力组合修正方案, 目前已经列装部队或者正在研究的执行机构的技术特点情况见表4 -2。

表4-2　执行机构技术特点情况

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从表4 -2 可以看出, 每一种执行机构方案都具有本身的优点和不足之处。采用阻力板作为弹道修正执行机构时提高火箭弹的落角较容易得到实现, 此外, 阻力板的控制方式简单, 其展开控制对于弹载计算机性能、弹道测量模块的精度及能源的需求要求不高, 在弹道修正实现上最为容易, 但是阻力板执行机构的明显不足是仅能对射程偏差进行修正。脉冲推冲器具有响应动态高、海拔适应性强和能源需求较低等特点, 已经在多个型号上得到了应用, 但是由于脉冲推冲器修正能力有限, 采用脉冲推冲器作为执行机构时提高火箭弹的落角较为困难。舵机执行机构通过改变火箭弹的受力分布实现二维弹道修正, 可以为弹体提供连续的修正力, 修正精度较高, 但是舵机执行机构存在结构复杂、控制技术难度大和所需驱动电源大的缺点。从表4 -2 还可以看出, 为了有效地实现弹道控制还出现了直接力和气动力的复合修正方案, 复合修正方案可以综合两种执行机构的优点, 对于提高火箭弹的射击精度和实现落角控制具有自己独特的优势。

2.执行机构控制算法

本书开展研究的基本假设是采用脉冲推冲器和阻力板作为弹道修正执行机构, 为满足战术技术指标要求, 需要对脉冲推冲器激活控制算法、阻力板的展开时机算法和复合修正方案的控制策略设计进行研究。国内外研究现状如下:

1) 脉冲推冲器控制算法

在研究脉冲推冲器控制算法之前首先需要研究脉冲推冲器性能参数对于弹道修正效果的影响, 脉冲推冲器主要的性能参数包括点火补偿时间、工作时间、脉冲推力曲线和脉冲冲量。

Thanat Jitpraphai 在其博士论文中研究分析了脉冲推冲器的冲量、脉冲推冲器的数量和脉冲推冲器激活阈值对于弹道修正精度的影响, 采用数值仿真的方法对比分析了多种组合情况脉冲推冲器性能参数不同时对于弹道修正效果的影响。王佳伟等人提出了采用蒙特卡洛法研究分析脉冲推冲器冲量、数量和弹道修正效果之间的关系。刘欣等人研究了脉冲推冲器作用对弹体稳定性的影响,仿真结果表明脉冲推冲器冲量越小, 与质心之间的距离越小, 弹体飞行稳定性越好。王中原等人分析了脉冲力矩对于弹道稳定性的影响, 给出了飞行稳定应该满足的条件。姚文进等人利用均匀设计法研究了脉冲起始时间、脉冲力级数、弹丸射角和作用角度对修正效果的影响, 通过仿真分析了脉冲推冲器工作参数和修正偏差的关系、修正时刻和修正偏差的关系以及修正角度和修正偏差的关系。Daniel Corriveau 深入研究了脉冲推冲器的控制使用方法, 研究的侧重点是脉冲推冲器工作时对火箭弹外弹道流场产生的影响以及对于弹体稳定性的影响。徐劲祥等人研究了脉冲推冲器性能参数对于弹道修正效能的影响。这些研究成果具有较高的理论价值, 对于脉冲推冲器的设计具有一定的指导意义,但采用的数值仿真方法只能仿真有限种类的情况, 为了提高脉冲推冲器的弹道修正效能, 需要根据弹道修正弹的外弹道特点和脉冲推冲器的弹道修正分布规律采用理论分析的方法优化脉冲推冲器性能参数。

为提高脉冲推冲器弹道修正效果, 需要研究脉冲推冲器的点火控制算法。Bradley T.Burchett 等人研究了点火阈值的设定方法及如何进行快速修正。He Fenghua 等人研究分析了通过消除攻角偏差来达到提高精度的目的, 研究了脉冲推冲器在非旋转弹上的点火逻辑, 为确保脉冲力能够加载到所需方向上每次都需要激活多个脉冲推冲器。赵松云提出了脉冲推冲器的微粒群优化算法, 虽然优化了脉冲推冲器的性能参数, 但是解算时间较长, 无法满足弹道修正对于解算方法的实时性要求。为提高弹道修正效能, 需要设计易于工程实现的脉冲推冲器控制算法。

2) 阻力板展开时机算法

阻力板依靠增加火箭弹受到的阻力实现射程偏差修正, 加装阻力板能够有效提高火箭弹的纵向射击密集度。由于本书采用的阻力板为一次性展开设备,阻力板展开控制最为关键的是确定阻力板的展开时机, 其基本前提是要实时解算出阻力板的射程修正能力, 由于弹载计算机运算性能有限, 如何快速地解算出阻力板的射程修正能力是一个难点, 目前国内在确定阻力板展开时机的算法上还处于一个探索研究阶段。

史金光等人研究分析了阻力板的机构设计及气动计算方法; 黄义、王宝全等人对射程修正弹的射程扩展量进行研究, 为阻力板的设计和使用提供了理论支撑; 张强等人研究分析了阻力板执行机构开启时间的确定算法, 都是采用解算弹道方程的方法, 不同之处在于建立的弹道方程复杂程度不同, 这种方法存在的缺点是对于初始误差较为敏感。此外, 阻力板射程修正能力解算耗时较长, 无法满足制导控制需求。为了提高阻力板的射程修正效能, 需要研究工程应用性更强的阻力板展开时机算法。

3) 复合修正方案的控制策略设计

本书所研究的弹道修正火箭弹采用脉冲推冲器与阻力板作为执行机构, 这两种执行机构对于弹道的修正方式完全不同: 脉冲推冲器可提供离散的直接控制力, 能对弹体进行二维修正; 阻力板依靠改变火箭弹的外形, 只能对射程方向的偏差进行修正。脉冲推冲器和阻力板的复合修正方案相对于常规的连续修正来说融合了离散直接力修正和非可逆性连续修正两种方式, 不能照搬连续修正方案的控制策略, 需要重新进行研究。脉冲推冲器和阻力板的复合修正是一种全新的方案, 从公开的资料看还未见有对脉冲推冲器/阻力板复合修正方案的控制策略的相关研究, 较多的学者是针对单个执行机构对于火箭弹的姿态控制和弹道修正进行研究, 并取得了一定的成果。为了实现战术技术指标要求, 需要在分析执行机构弹道修正特点的基础上设计复合修正方案的控制策略。

修正执行机构优化为：执行机构修正措施

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