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激光制导炸弹的火控原理及应用
2000 年第 4 期 电光与控制 №. 4( T o tal 80) ( 总第 80 期) EL ECT R ON ICS O PT I CS & CON T R OL N ov ember 2000激光制导炸弹的火控原理及应用张求知 李克己 ( 中国航空工业第六一三研究所 洛阳 4
71009) 姜长生 ( 南京航空航天大学 南京 210016) [ 摘要] 根据激光制导炸弹( L GB ) 的纵向控制系统, 给出了侧向控制系统的数学模型; 讨论了 L GB 投放区的概念并通过仿真得到了工程化的投放区; 进行了包括飞机、 飞控系统、 武器和火控系 统在内的大闭环武器火控系统仿真。 关键词 激光制导炸弹 投放区 火控系统The Fire Control Principle and Application of Laser- Guided BombZ hang Qiuzhi L i Keji ( T he 613th R esearch Inst itute of A V I C Luoyang 471009) Jiang Changsheng ( Dep artment of A ut omatic Contr ol , N anj ing Univer sity of A eronauti cs & A st ronautics N anj ing 210016) Abstract: T his paper g iv es t he m athemat ical model o f horizo nt al cont rol syst em on t he basis of t he ver tical cont ro l system of a cer tain t ype L GB. It discusses the releasing area concept of L GB and get s t he engineering release area thro ug h a lot of simulat ions. In t he end, it sim ulat es t he big clo se loop w eapon fire contr ol sy st em including t he airplane, t he f light co nt ro l sy st em , t he LGB and f ire cont ro l system. Key Words laser - g uided bom b, releasing areas, f ir e cont rol sy st em1 研究激光制导炸弹火控原理的意义激光制导炸弹具有精度高、 成本低、 威力大和使用方便等特点。 与普通炸弹相比, 激光制导炸弹的命中精 度有了大幅度的提高。 国外激光制导炸弹的 CEP 值已达米级范围。 这大大加强了空对地攻击能力, 减少了后 勤补给的负担, 尤其适用于摧毁重要的交通枢纽、 桥梁、 军事设施和集群坦克等目标。 国外开展激光制导炸弹的研究工作已有二十多年的历史。激光制导炸弹自问世以来已历经数次战争的 检验, 其优越性也越来越受到人们的关注。 1991 年的海湾战争更使人们充分领略了激光制导炸弹的风采。 国 外在研制激光制导炸弹的同时, 还大力研究了机载目标指示器等。 国外在激光制导炸弹的战术使用方面也进 行了深入的研究。根据不同的战斗任务及攻击不同的目标, 研究了不同的激光照射方式, 不同的投弹方式。收稿日期:
30 电光与控制 2000 年 11 月研究的核心是如何用较少的弹药摧毁较多的目标, 同时使载机尽可能免遭防空火力的攻击。2 激光制导炸弹的数学模型和弹道仿真2. 1 数学模型 到目前为止, 有关激光制导炸弹的研究只围绕纵向通道模型来进行。而在实际使用中, 轰炸的误差分为 纵向和侧向, 纵向误差靠距离瞄准来消除, 横向误差靠方向瞄准来消除。 从飞行员使用的角度来看, 显然方向 瞄准要比距离瞄准难度大得多。因此, 如果激光制导炸弹带有侧向控制能力, 将会使飞行员的方向瞄准负担 大为减轻, 有利于飞行员抓住战机, 提高飞机的生存率。 由于激光制导炸弹的弹体在飞行中滚转缓慢, 对精度 影响不大, 因此, 下面建立的激光制导炸弹的数学模型没有考虑弹体的滚转运动, 为纵向和侧向模型。 参照有 关资料和纵向控制系统的模型建立侧向控制系统的模型, 侧向控制系统的有关参数经仿真确立。 激光制导炸弹在飞行过程中无动力推进, 仅靠重力和气动舵面的空气动力产生控制力。 它的风标头可 以相对于弹体 Y 轴 Z 轴转动。 在飞行过程中, 风标头始终顺着气流方向。 因此, 飞行过程中, 炸弹的光学系统 轴与炸弹的飞行速度向量( 空速) 重合。 不重合时, 误差信号 E是视线角与弹道倾角、 航迹角的差值。 当风标导 引头捕获到来自目标的反射激光信息后, 若接收到的目标激光象点落在探测器中心( 盲区) 时, 即光轴指向 目标时, 就实现了速度追踪。 若象点落在探测器某一象限内, 存在偏差 E时, 则产生了导引头控制电流, 驱动 舵面转动, 修正弹的实际飞行方向与理想弹道的误差, 使 E趋于零, 实现速度追踪。 数学模型略。 2. 2 弹道仿真 将 LGB 的数学模型写成微分方 程组的形式, 采用龙格- 库塔 法求 解。 仿真框图见图 1。 2. 2. 1 初始条件 投弹的初始条件有: a . 目标水平距离; b . 飞机高度; c. 目标侧向距离; e. 飞机俯冲角; g . 风向。 2. 2. 2 终止时刻 在一定的条件下投弹, 当 L GB 运动至 y ≤ 0 时, 仿真停止。 此时, 若 x 、 z 坐标位于以目标为中心、 半径为 D 的圆内, 则认为此次投弹可以命中目 标。 2. 2. 3 投放区的确定 投放区是指在一定投弹条件下投弹, 弹着点能命中目标的投放点的集合。 投放区的计算如下: a. 假设一定的初始投弹条件, 以后只改变 x 、 、 值; y z b. 计算无控弹道射程, 即计算激光制导炸弹的导引头不截获目标时的 x 值; c . 在获得无控弹道的射程的基础上, 计算 z = 0 时的 x 方向上的纵向投放区; d. 在获得 x 方向投放区( 线段) 后, 改变初始条件 z 值, 可得到在不同 x 处的 z 的范围 ; e. 将 x 、 的边界连在一起, 即可得到在一个初始投弹条件下的投放区。 z d. 飞机速度; f . 风速;假设投弹时飞机的攻角、 侧滑角为 0° 。 张求知等: 激光制导炸弹的火控原理及应用312. 3 仿真结果及分析 仿真结果按铅垂面投放区和水平面投放区给出。限于篇幅, 仅给出图 2～图 9。图 2 铅垂面投放区 1 图 3 铅垂 面投放区 2图 4 铅垂面投放区 3 图 5 水平 面投放区 1图 6 水平面投放区 2 图 7 水平 面投放区 3图 8 水平面投放区 4 图 9 水平 面投放区 5 32 图中符号说明如下: 电光与控制 2000 年 11 月H — 投弹时飞机高度; H 投弹时飞机俯冲角; V — 投弹时飞机速度; — V w — 投弹时风速; F w — 投弹时风向。 从铅垂面内的投放区可以得出如下结论: a. 随着攻击速度的增大, 炸弹的纵向射程增加; b . 随着攻击俯冲角的增大, 炸弹的纵向射程减少; c. 当投弹高度低于一定数值时, 投弹时的可攻击范围变得非常小, 近似于一条曲线, 而不是一个区域。 初步分析, 这是因为制导过程的需要。 从水平面内的投放区可以得出如下结论: a . 无风时, 投放区是关于 x 轴对称的; b. 顺风时, 投放区的可攻击范围略有增加; c. 逆风时, 投放区的可攻击范围明显减少, 且低于一定的高度时, 投放区范围不连续。这是因为炸弹飞 行过程中风的影响, 使炸弹调整不过来见图 9; d. 侧风时, 投放区相对无风时的漂移范围与投弹时的高度成正比。3 激光制导炸弹的火控原理和火控工作式3. 1 激光制导炸弹的火控原理 L GB 的火控原理与普通航弹的火控原理类似。 轰炸火控原理是使炸弹命中到目标上。 为使炸弹命中到目标上, 机载火控系统必须引导飞机完成定向瞄 准和定距瞄准。 定向瞄准和定距瞄准计算涉及目标位置、 载机位置、 运动参数、 弹道参数以及定向定距瞄准等 参数的计算。 L GB 的火控原理与普通炸弹的火控原理相同, 区别在于投放区的大小不同, 即定向、 定距瞄准允差要求 不同。因此, 在此不作详细介绍。 3. 2 激光制导炸弹的火控工作式 3. 2. 1 激光制导炸弹的射程向量 激光制导炸弹的投放区工作式处理可按以下步骤进行: a. 根据常用的作战条件, 按攻击速度分组, 同一速度下, 再按俯冲角分组, 计算激光制导炸弹铅垂面内 的投放区; 风 b . 对于 同 一个 铅垂 面 内的 投 放区, 在 不同 的 高度 上, 假 设不 同 的 风速、 向, 计 算水 平 投 放区; ( B ) gxm in = f 1( V , H , K V w , f w ) , ( B ) gxm ax = f 2( V , H , K V w , f w ) , ( B ) gym in = f 3( V , H , K V w , f w ) , ( B ) gym ax = f 4( V , H , K V w , f w ) , ( B ) gz = f 5 ( V , H , K V w , f w ) , c. 用最小二乘法, 将激光制导炸弹的射程向量处理为一个多项式函数, 形式如下: ( B ) gxm in = a11 + a12 H + a 13H2( B ) gxm ax = a21 + a 22H + a 23H 2 ( B ) gym in = a 31 ( B ) gym ax = a41 张求知等: 激光制导炸弹的火控原理及应用33( B ) gz = H 为了说明弹道的拟合过程, 下面以某一固定条件为前提, 拟合出激光制导炸弹的射程参数。 H= 0: H ≥ H 1 : 按上面的射程公式拟合出 a11 ～ a 41; H & H 1 : 按上面的射程公式拟合出 a11 ～ a 41; 当 H= H 、2 ( H 、2 均为常数) 时: 均按上述方法处理。 1 H 1 H 对于其它 H值, 弹道参数可采用插值方法求得。 3. 2. 2 航向瞄准偏差 根据激光制导炸弹的弹道特点, 提供两种航向瞄准公式。 a . 以投放区中心点作为瞄准点 $K = ( ( L m ) gy - ( ( B ) gym in + ( B ) gym ax ) / 2) / ( L m ) gx b. 以投放区边缘作为瞄准点 $K 1 = ( ( L m ) gy - ( B ) gy min/ ( L m) gx $K 2 = ( ( L m ) gy - ( B ) gy max / ( L m ) gx $K = min( ?$ K 1?, ?$K 2?) 式中: $ K 为航向瞄准偏差; L m 为瞄准向量; B 为射程向量; ( ?) g x 为某一向量在地理坐标系里的 X 方向上的分量。 3. 2. 3 投弹时刻的确定 当 ( B ) gym in & ( L m ) gy & ( B) g ymax ( B) g xmin & ( L m ) g x & ( B ) gxm ax 时投弹。 其它火控工作式同一般航弹的火控工作式。 ( 2) ( 1)4 投放激光制导炸弹的系统仿真为了验证 L GB 模型和火控工作式的正确性, 进行了包括飞机、 飞控、 GB 以及火控的整个闭环系统的 L 仿真。 4. 1 仿真模型 4. 1. 1 飞机模型 攻击中假设飞机纵向运动参数不变, 只研究飞机横航向参数变化情况。飞机横航向小扰动方程组如下: B a d C a= dt W a11 a21 a31 a12 a22 a32 a13 a23 a33 a 14 a 24 a 34 B a C a+ W b 11 b 21 b 31 b12 b22 b32 Da DRC a41 a42 a43 a 44 C b 41 b42 下面给出飞机横航向小扰动运动模型。 a a 式中: B— 飞机侧滑角; C— 飞机横滚角速度; W— 飞机偏航角速度; C 飞机横滚角; — Da — 副翼舵偏角; DR — 方向舵偏角; a11 ～ a 44, b 11 ～ b42 —为常数。 4. 1. 2 飞控系统模型 as + 1 1 1 aa Da = K CC + ( K nz nz + K CC- K $K $K a a ) bs + 1 cs + 1 ds + 1 es 1 1 $K aa DR = K WW + ( K nz n z R + KR $K es + 1 fs+ 1 cs + 1 34 电光与控制 2000 年 11 月a11 V 0 n z = B g a W、、 a、R — 意义同前; nz — 侧向加速度; aC D D 式中: B、 、 C $ K — 航向瞄准偏差; g— 重力加速度;a K C、 、 C、 W、 、 K K K aK K n z a n z R $K aV — 飞机真空速; a、 c、 、 f — 常数; b、 d e、 、 K$K R— 常数;1 $K 1 表示要对 K a $K 进行限幅。 cs + 1 cs + 1 4. 1. 3 火控模型 Ka $K$K火控模型见上一节。 4. 2 仿真框图 系统仿真用 M AT L AB 软件中的 SIM UL INK 模块完成。 系统仿真框图见图 10。 4. 3 仿真条件 仿真条件为: X = 10000; Z = 2000; H = 3000m; V = 250m / H= 0; K = 0; V w = 0; F w = 0。 飞控系统参数参照有关资料, 按最优化选取。 4. 4 仿真结果及说明 仿真结果见图 11～图 15。图 11 侧向射程( 用公式 1) 图 12 侧向射 程( 用公式 2) 图 13 纵向射程 图 14 航向瞄准偏差( 用公式 1)a. 由图 11 和图 14 可知, 采用航向瞄准偏差公式( 1) 在标识目标 8 秒后满足 B gym in & L my & B gym ax , 方向 瞄准完成; 张求知等: 激光制导炸弹的火控原理及应用35 b . 由图 12 和图 15 可知, 采用航向瞄准偏差公式( 2) 标识目标 14 秒后满足 B gym in & L my & B gym ax , 方向瞄准完成; c. 由纵向射程曲线图 13 可知, 在标识目标飞行后约第 13～18 秒 内满足 B g xmin & L m x & B g xmax , 可以投弹; d. 其它参数公式( 1) 和公式( 2) 差别不大。 另外, 系统仿真过程中还可获得飞机参数曲线、 激光制导炸弹参 数曲线和火控参数曲线, 可供有关人员分析参考。5 有关结论和建议通过前面所做的工作, 可以得出如下结论:图 15 航向瞄准偏差( 用公式 2)a. 已建立数学模型的激光制导炸弹确实具有很高的命中精度。虽然对投放区的仿真未精确给出脱靶 量, 但弹着点均在以目标为圆心、 半径为 10m 的圆内。改变弹体参数、 控制系统参数是否可以继续提高命中 精度, 能提高到多少, 还应进一步仿真研究; b. 激光制导炸弹具有一定的抗风能力。如果是顺风, 对激光制导炸弹的投放从某种意义上来说更为有 利。逆风对激光制导炸弹的投放区影响较大, 但在投放区内, 其精度是可以保证的; c . 由于激光制导炸弹具备一定的控制能力, 因此, 在投放区内飞行员均可投弹, 可投弹时间为 4～6 秒。 由于增加了侧向控制系统, 有利于消除轰炸攻击中的侧向误差且使方向瞄准和距离瞄准均存在一定的范围。 因此, 这在一定程度上减少了飞行员的负担。这一点在实际使用中是非常重要的; d. 结合激光制导炸弹投放区的特点, 激光制导炸弹投放区的工程应用可采用拟合加查表的方法。由于 投放区比较规则, 采用拟合加查表的方法容易满足两个 15% 的要求。 需要指出的是, 对地攻击中风的影响是必须深入研究的。实际的工程应用弹道参数也必须考虑各种速 度、 各种高度、 不同的俯冲角、 不同的风速、 不同的风向等因素的影响。这些都需要做大量的仿真工作。只有 在大量仿真数据的基础上, 才能够有足够的数据支持拟合出装机弹道参数, 这个工作的工作量是非常大的, 并且要求激光制导炸弹的设计部门确认激光制导炸弹的数学模型和有关参数。 另外, 在仿真得出投放区的同时, 是否可以结合弹着点的脱靶量, 求得一个精度更好的高精度投放区, 有 待进一步研究。 本文中提出的一些思路和方法可以供以后的工作参考和使用。 参考文献1 姜长生, 孙隆和, 吴庆宪, 陈文华. 系统理论和鲁棒控制. 北京: 航空工业出版社, 1998 2 朱培申, 李泳姬, 陆彦. 航空火力控制原理. 北京: 国防工业出版 社, 1980 3 张明廉. 现代飞行控制. 北京: 航空工业出版社, 1994 4 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计 ——M AT L AB 语言及应用. 北京: 清华大学出版 社, 1997 5 钱杏芳, 张鸿端, 林端雄. 导弹飞行力学. 北京工业学院出版社, 1987 6 熊光楞. 数字仿真算法与软件. 北京: 宇航出版社, 1991 作者简介: 张求知, 男, 1963 年生。1983 年毕业于西北工业大学, 现从事于平显火控系统研究工作。 李克己, 男, 1966 年毕业于哈尔滨军事工程学院, 现任洛阳六一三研究所副总设计师。 姜长生, 男, 南京航空航天大学教授, 博士生导 师。
概述了激光制导武器的分类,介绍了几种典型激光制导技术的原理、应用实例并对比 ...激光半主动寻的制导示意图 3.2 应用实例 3.2.1 激光制导炸弹(LGB) 美国...法国的玛特纳公司也有 250kg/400kg/1000kg 等不 同重量的激光制导炸弹,其原理...制导 炮弹的命中率可以达到 80%,它的应用大大提高了普通火炮的作战效能。 半...材料在战争中的应用_能源/化工_工程科技_专业资料。材料在战争中的应用,大学...和激光制导炸弹的攻击 ;对于作战 飞机 ,主要防止空中预警机雷达 、机载火控雷达...武器和激光制导炸弹的攻击; 对于作战飞机,主要防止空中预警机雷达、机载火控雷达...1.3分类根据材料隐身的原理吸波材料主要有吸波隐身材料、透波隐身材料两种。 ...武器和激光制导炸弹的攻击;对于作战飞机,主要防止空中预警机雷达、机载火控雷 达...1.3分类 根据材料隐身的原理吸波材料主要有吸波隐身材料、透波隐身材料两种。 ...激光原理及其应用简介_物理_自然科学_专业资料。激光原理及其应用简介内容摘要继原子...90年代,以海湾战争为标志,激光制导炸弹等精确打击武器改变了 世界军事发展方向。...隐身材料的应用与研究前景_材料科学_工程科技_专业资料。隐身材料与隐身技术隐身...和激光制导炸弹的攻击 ;对于作战飞机,主要 防止空中预警机雷达、机载火控雷达和...用激光制导炸弹准确轰炸卡扎菲的总部,起到了外壳手术式的效果。1991 年的海湾...基于此我组设计了新型激光火控系统, 根据激光的高相 干性和高方向性原理,其不...9m、携带二枚重 907kg 激光制导炸弹,机身由特殊...(SAM-D)与火控 雷达相联,雷达天线是八个大小不一...随着磁 疗机理的进一步了解和应用,磁疗保键用品将有...电视跟踪器、红 外跟踪器和大型计算机组成光电火控...如激光制导导弹,激光制导炸弹,激光制导炮弹,激光制导...参考文献: 1、激光原理及应用/陈家璧、彭润玲主编...
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香港成功拆除二战时450公斤高爆火药炸弹
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核心提示：香港警方7日7时05分成功拆除迄今为止在香港发现的最大型二战遗留炸弹，取出全部450公斤TNT高爆火药。来 自 西 陆 军 事 本文摘自：中国新闻网，作者：佚名，原题为《香港成功拆除二战时炸弹 取出全部高爆火药(图) 》香港警方7日7时05分成功拆除迄今为止在香港发现的最大型二战遗留炸弹，随后将弹壳移到车上运走。警方炸弹处置组连夜工作，采取水磨低温切割方式，在弹壳上挖出两个直径约20厘米的圆孔，取出全部450公斤TNT高爆火药，并以可控方式燃烧耗尽。炸弹发现现场及周边道路和酒店已解除封锁恢复正常。 新华社发
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