基于航炮的近距空战仿真结束判定方法

吴文海, 张楠, 周思羽, 孔繁峨, 叶希贵

(1.海军航空工程学院青岛分院 三系, 山东 青岛 266041;2.光电控制技术重点实验室, 河南 洛阳 471009)

基于航炮的近距空战仿真结束判定方法

吴文海1,2, 张楠1, 周思羽1, 孔繁峨2, 叶希贵2

(1.海军航空工程学院青岛分院 三系, 山东 青岛 266041;2.光电控制技术重点实验室, 河南 洛阳 471009)

为改进当前基于航炮的近距空战仿真中过于简化的结束判定方法,首先分析了航炮攻击的特点和主要影响因素,然后基于空战中各个因素对航炮攻击的影响分析,构建了航炮攻击效率与影响因素间的关系函数,提出了一种新的仿真结束判定方法。在不同空战想定条件下,对新方法和传统方法进行了仿真比较,结果表明新仿真结束判定方法准确、实用,更能有效检验机动决策的效果。

近距空战; 航炮; 仿真; 结束判定方法

引言

按照交战距离不同,空战可以分为近距空战和中远距空战[1-2]。随着隐形、电子干扰等技术的不断发展和完善,空战环境日益复杂,使得依赖于雷达制导的中远距空战武器受到了很大削弱,空战将很可能进入近距目视格斗阶段[3]。航炮是近距空战中的主要武器之一,已经在以往的历次空战中展示了它的价值[4],在可预见的将来,航炮依然是近距空战中最具灵活性、可靠性和有效性的武器,具有不可替代的地位和作用[5]。基于航炮的近距空战仿真是空战仿真的重要环节,对未来空战具有非常重要的意义。

本文系统分析了影响航炮攻击效率的因素,提出了一种新的基于航炮攻击区和战机抗毁伤特性的近距空战结束判定方法,以改进当前近距空战仿真中过于简化的评估方法。

1 航炮攻击的特点

航炮作为一种近距格斗性自动武器,其优势主要体现在[6]:没有最小攻击距离的限制;不受电子对抗、曳光弹等干扰的影响;不依赖机载雷达系统。

使用航炮进行攻击的理想条件为:目标机进入航炮射程;载机和目标机在相同的机动平面;载机纵轴与目标机速度方向满足射击前置角的要求[6]。所以,影响航炮杀伤力的主要因素可以概括为载机与目标机相对态势、双方机动方式等。需要指出的是:由于单枚弹丸通常不能将目标机击落,航炮常需要一定时间的连续射击以对目标机造成有效杀伤。射击时间长短由单枚弹丸的杀伤效率、航炮的射速、双方运动状态和空战态势等决定。

2 研究现状及分析

目前,基于航炮的近距空战仿真多采用过于简化的指标作为空战结束的判定方法,且难以用于多机空战的情形。

文献[7-8]中构造的判定方法为:定义一个位于载机前方的锥形区域,锥顶为载机,并设置允许开火的误差限角α、最小距离rmin和最大距离rmax,构成“允许开火区域”,当目标机进入此区域,且持续的时间达到设定的航炮瞄准时间,则判定目标机被击落,如图1所示。

图1 航炮允许开火区域

这种方法判定标准过于粗糙,没有详细分析航炮的使用条件和攻击特点,与空战实际差距较大。同时,仅以满足攻击条件的时刻作为判定击落目标机的条件,不能反映出空战中双方的对抗过程。

文献[9]在上述判定方法基础上,定义了“准备攻击区域”,如图2中阴影部分所示。并引入了计分机制,当目标机位于准备攻击区域和允许开火区域时,分别按设定计分,当分值累积达到预定值,则判定目标机被击落。

图2 航炮准备攻击区域

由于加入了计分机制,判定结果更为合理。但该方法未考虑异面机动等因素对航炮效能的影响,也未考虑航炮安全射击距离等因素。

3 基于航炮空战仿真的判定方法

航炮击落目标机判定方法:定义航炮的杀伤效率D,有效射击时间t,目标机的强度S,则满足以下约束时,判定目标机被击落:

(1)

3.1 航炮杀伤效率评估模型

航炮的杀伤效率取决于载机与目标机的相对态势、双方运动状态等。主要的影响因素有:载机与目标机的距离、速度矢量和机动平面。

3.1.1距离因素对航炮杀伤效率的影响

弹丸射出后,受到自身重力和空气阻力等因素的影响,其杀伤力和命中精度随距离的增加而降低。距离因素对航炮杀伤效率的影响可表示为:

(2)

式中,Rmax为航炮最大有效射程;R为载机与目标机距离;q1∈(0,1),为最大有效射程处的杀伤指数。

从式(2)可知,当R=0时,DR=1;随着R的增大,DR逐渐减小,当R=Rmax时,DR=q1;当R>Rmax时,超出航炮的最大有效射程,取DR=0。

3.1.2速度矢量对航炮杀伤效率的影响

空战经验表明,载机速度矢量与目标机速度矢量夹角θv越小,航炮杀伤效率越高[4],如图3所示。随着θv和vD的增大,目标机在载机弹着点区域停留时间变短,瞄准难度增加,杀伤效率变低。速度矢量对航炮杀伤效率的影响Dvθ表示为:

(3)

式中,φ为航炮校准精度角,即密集着弹区域边缘与航炮轴线的夹角,其由航炮自身精度和技术人员安装、校准水平决定;vD为目标机速度;θv为双方速度矢量夹角;q2∈(0,1),为两速度矢量夹角为90°时的杀伤指数。

从式(3)可知,当θv为0°或180°时,Dvθ=1;随着θv向90°接近,Dvθ逐渐减小,当θv=90°时,Dvθ=q2。

图3 载机与目标机的速度夹角

3.1.3机动平面夹角对航炮杀伤效率的影响

机动平面是指在一定的时间间隔内,飞机质心运动轨迹所处的空间倾斜平面[10]。如果认为飞机的运动是无侧滑的,则机动平面是由纵向过载和法向过载确定的平面,即飞机的对称平面,飞机质心的速度矢量位于此平面上。其可由飞机的速度方向与加速度方向确定。

机动平面控制对载机进行瞄准有重要意义[11],当载机与目标机在同一机动平面,且机头指向目标机时,航炮杀伤效率最高;如果双方不在相同的机动平面,则很难瞄准和击中目标。如图4所示,载机A的速度方向vA和加速度方向aA确定了其机动平面CA;目标机D的速度方向vD和加速度方向aD确定了其机动平面CD。两平面法向量rA和rD的夹角即为两平面夹角θc。

θc对航炮杀伤效率的影响Dc表示为:

(4)

式中,q3∈(0,1),为双方机动平面相互垂直时的杀伤指数。

从式(4)可知,当θc=0°时,Dc=1;随着θc的增大,Dc迅速减小,当θc=90°时,Dc=q3。

3.1.4载机航炮的杀伤效率

综合上文研究结果,可得航炮的杀伤效率为:

D=DRDvθDcd

(5)

式中,d为载机在最理想的条件下使用航炮攻击目标机的杀伤效率。

3.2 目标机强度的确定方法

目标机的强度主要与机体结构、材料和管线路布局等因素有关[12]。假定在最理想的攻击条件下,载机可以在t0时间内击落目标机,则目标机的强度值S为:

S=dt0

(6)

3.3 开火条件及有效射击时间的确定方法

为避免爆炸碎片击伤载机或吸入载机进气道等情况发生,定义航炮最小射程(最小安全射击距离)[5]。当满足

Rmin≤R≤Rmax,αa≤φ

(7)

时,才认为满足开火条件,并将持续满足开火条件的时间记为射击时间t。式中,Rmin和Rmax分别为航炮的最小及最大射程;αa为视线角;φ为航炮的校准精度角。

4 算例与仿真分析

本文采用文献[13]中的空战对策模型,分别仿真目标机直线运动、蛇形机动和双方对策机动三种情形,各初始条件如表1所示。判定方法的参数取φ=10°,Rmax=1 200 m,Rmin=100 m,q1=0.7,q2=0.5,q3=0.1,t0=0.7 s。

表1 仿真初始条件设置

分别基于文献[7-8](方法1)、文献[9](方法2)和本文的判定方法(方法3)进行仿真,结果如图5～图7所示。

仿真结果表明,当目标机不机动或只作简单机动,即航炮的射击条件较好时,三种判定方法差别不大。但当目标机作较为复杂的机动动作时,前两种方法在捕获目标机的同时即判定击落,这与空战实际并不符合。而采用本文的判定方法,双方经过一系列激烈缠斗,各进行多次射击,最终载机将目标机击落,同时目标机也对载机造成了一定程度的损伤。试验编号3中,方法3情况下,载机向目标机开火2次,总杀伤值为0.71;目标机向载机开火4次,总杀伤值为0.14,远小于载机,这是由于目标机开火时的杀伤效率远低于载机,攻击多次却不能造成足够高的杀伤值,充分体现了航炮的使用特点,与空战实际一致。

图5 空战仿真曲线(目标机匀速直线运动)

图6 空战仿真曲线(目标机蛇形机动)

图7 空战仿真曲线(双方决策机动)

5 多机近距空战判定方法

(8)

6 结束语

空战结束判定方法是机动决策研究中的重要一环,对检验决策的有效性非常重要,但长久以来一直未引起研究者的重视。本文从航炮的使用条件和攻击特点出发,提出了基于航炮的近距空战仿真结束判定方法,并仿真了多种空战情况,显示了本文提出的判定方法的合理性和优越性。未来还可以继续研究q1,q2,q3的取值,使新的判定方法进一步完善。

[1] Akbari S,Menhaj M B.A new framework of a decision support system for air to air combat tasks [C]//Proceeding of IEEE International Conference on Systems,Man,and Cybernetics.Nashville,Tennessee,2000:2019-2022.

[2] 吴文海,周思羽,高丽,等.超视距空战过程分析[J].飞行力学,2011,29(6):45-47.

[3] 章桂勇,胡波,刘湘伟,等.电子干扰对作战飞机超视距空战效能影响分析[J].电光与控制,2011,18(11):88-95.

[4] 齐晓林.航空自动武器[M].北京:国防工业出版社,2008.

[5] Stuart O N.21st century air-to-air short range weapon requirements [D].Air Command and Staff College,Maxwell AFB,AL36112,1998.

[6] Pete Bonanni.Art of the kill [M].Howard Bornstein,Rober Giedt,Marisa Ong Alameda California:Spectrum HoloByte,1993:50.

[7] 罗德林,沈春林,吴文海.等.空战格斗决策研究[J].应用科学学报,2006,24(1):89-93.

[8] 陈小兵,常勇,孔繁峨.近距格斗自主决策研究[J].电光与控制,2009,16(4):34-37.

[9] 谢坤峰.最佳自我决策预测模式与多机对抗模拟之实现[D].台南:国立成功大学,2005.

[10] 金长江,范立钦,周士林.飞行动力学[M].北京:国防工业出版社,1986.

[11] 廖开俊,董新民,王小平.战斗机机动平面控制研究[J].飞行力学,2009,27(4):32-34.

[12] 姚武文.飞机战伤模式与机理[M].北京:航空工业出版社,2006.

[13] 梅丹,吴文海,徐家义.影响图的空战机动决策方法[J].火力与指挥控制,2008,33(1):50-53,66.

(编辑：崔立峰)

Researchonmethodofendingjudgmentinthedogfightsimulationusinggun

WU Wen-hai1,2, ZHANG Nan1, ZHOU Si-yu1, KONG Fan-e2, YE Xi-gui2

(1.The Third Department, Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041, China;2.Science and Technology on Electron-Optic Control Laboratory, Luoyang 471009, China)

Aimed at improving the simplified method of ending judgment in the dogfight simulation using gun, this paper analyzed the attack characteristic of the gun and influence factors in close-in air-combat, designed the relationship function of the gun’s efficiency and influence factors based on the analysis for each of them, established a new method of ending judgment, simulated and compared this new method with traditional ones under different air combat background. The results indicate that this new method is more accurate and practical, especially in evaluating the effects of maneuvering.

dogfight; gun; simulation; method of ending judgment

E844

A

1002-0853(2012)06-0569-05

2012-04-01;

2012-08-20; < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间:2012-11-23 14∶02

航空科学基金资助(20115185004)

吴文海(1962-)，男，江苏泰兴人，教授，博士生导师，主要研究方向为精确制导与飞行控制。