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脉冲末修迫弹弹道特性分析与控制方案设计

曹小兵  
【摘要】:发展低成本的有控迫弹是提高迫击炮武器系统射击精度的重要途径之一。本文以某型末修迫弹为研究对象,利用脉冲发动机作为其控制执行机构,采用简易控制技术实现末段弹道修正,提高命中精度。为此,针对末修迫弹在研究过程中遇到的弹道、控制等相关问题,本文开展了较为深入的研究,主要内容包括: (1)脉冲末修迫弹飞行弹道模型研究。针对脉冲发动机的特点及其力学作用过程,利用矩形波函数建立了瞬时脉冲控制力模型;基于冲量相等原则提出了等效平均脉冲控制力模型。在此基础上,根据牛顿第二定律和动量矩定理,建立了两种脉冲控制力下的迫弹六自由度刚体弹道模型:采用瞬时脉冲控制力和控制力矩的瞬态弹道模型用于弹道仿真计算;采用等效平均脉冲控制力和控制力矩的均态弹道模型用于脉冲作用下角运动和质心运动的理论分析。 (2)脉冲末修迫弹弹道特性分析。根据脉冲末修迫弹飞行弹道模型,编制了弹道计算程序,对迫弹无控状态下末段弹道诸元的变化规律及最大射程条件下的落点散布等进行了仿真分析;在设定的脉冲控制参数条件下,对有控弹道特性进行了仿真分析;在此基础上,通过对迫弹的绕心运动进行合理简化,建立了其在脉冲作用下的攻角运动方程,推导出其相应的解析解,提出了可用于指导脉冲冲量大小及轴向偏心距离设计的飞行稳定性约束条件。 (3)脉冲参数对修正弹道的影响。分析了脉冲参数(启控点、单脉冲冲量、脉冲作用个数、脉冲持续作用时间及多脉冲点火模式等)和脉冲布局(单排周向和双排周向布局)对修正弹道的影响;弹体自旋是实施脉冲修正的基础,为此,分析了弹体平衡转速对修正弹道的影响;在考虑脉冲发动机径向偏心距的条件下,研究了脉冲控制引起的转速变化对弹道的影响,结果表明,转速变化对弹道修正效果和飞行稳定性有较大的影响,在工程研制中应尽量减小脉冲发动机径向偏心距引起的转速变化。 (4)脉冲末修迫弹参数优化设计模型及求解。针对脉冲末修迫弹的弹道特性,选取了优化设计变量,确定了目标函数和约束条件,建立了脉冲末修迫弹参数优化设计数学模型;提出了适于求解该优化模型的改进粒子群算法。仿真结果表明,该算法能够快速、可靠地求得最优解,为该类迫弹的参数设计提供了理论依据。 (5)激光半主动体制下的末段控制方案设计。通过对激光半主动末修迫弹武器系统的组成、作用过程及末段修正原理进行分析,推导出采用捷联激光导引头的迫弹在弹道末段的目标捕获域公式;提出了一种根据激光导引头所提供的角度测量信息进行脱靶量预测的方法,采用衰减记忆滤波法对滚转角测量数据进行了降噪处理,在此基础上设计了适配的控制方案。仿真结果表明,采用本文的设计方案对迫弹实施末段弹道修正,可以大幅度提高其射击精度,满足设计要求。 (6)卫星定位体制下的末段控制方案设计。针对卫星定位系统对迫弹的测量数据(三维位置和速度),构建了非线性弹道滤波器;基于对三自由度质点弹道模型的近似求解,提出了一种通过估算剩余飞行时间预测落点的方法,在此基础上设计了适配的控制方案。仿真结果表明,采用该方案对迫弹实施末段修正,能够大幅减小迫弹的落点散布,相同条件下其精度好于激光半主动体制下的弹道控制精度。


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