一种制导火箭炮弹的设计和技术探析

程洪涛，张敬修，陈习智

(1.总装武汉军代局驻襄樊地区军事代表室，湖北 襄阳 441021;2.中国人民解放军陆军军官学院 远火系弹药工程教研室，合肥 230031;3. 75134 部队，广西 崇左 532200)

现代战争要求炮兵具有远程精确打击能力。火箭炮作为炮兵实施火力突击和火力压制的重要武器，具有射程远、火力猛、机动性好，能在瞬间给敌人以猛烈火力打击等优点;但又存在射弹散布大、射击精度差的缺点，且随着射程的增加，其散布大的缺点越加突出，这大大影响了火箭炮的作战效能。常规火箭弹制导化是提高多管火箭武器系统作战效能快速而有效的途径，成为近年来制导弹药发展的热点领域，许多国家都有不同程度的装备或研制。

本文在分析国内外制导火箭炮弹技术研究现状基础上，立足我军现有装备，提出了1 种制导火箭炮弹方案，确定了其工作原理并对有关技术进行了探析。

1 制导火箭炮弹技术的研究现状

与在弹道初始段采用姿态稳定控制的火箭弹不同，制导火箭弹采用全程制导或末段制导方式来实现对点目标的精确打击。其主要采用的制导方式是激光半主动制导和GPS/INS 组合导航制导。采用激光半主动制导方式的火箭弹都需要弹外激光设备照射目标，一般只适用于航空类火箭弹，其典型代表是美国的“先进精确杀伤武器系统”(APKWSⅡ)。对于从地面发射的火箭炮弹，为了降低制导系统成本，一般采用以下2 种制导体制:一是基于卫星导航，二是从地基雷达接收数据。其典型代表是美国与欧洲国家共同研制的M270 多管火箭炮发射的制导火箭弹(GMLRS)、德国莱茵金属防务公司的增程型弹道修正模块(CORECT)和以色列的“弹道修正系统”(TCS)模块。

制导火箭弹(GMLRS)在利用增程型MLRS (ER-MLRS)火箭弹各组件的基础上，通过配备制导和控制组件以及新型发动机，将无控火箭弹转化为精确制导火箭弹，火箭弹采用成本相对较低的GPS/INS 组合技术进行全程制导，鸭舵控制方式进行弹道修正。弹体分成前后2 段，前后段之间采用滚动轴承联接，前段采取滚转稳定控制，制导和控制装置安装在前段，后段可自由转动。通过改进，射程和射击精度得到提高。试验表明，射程为35 km 时，圆概率误差为5 m;射程为70 km 时，圆概率误差小于10 m;可在距友军部队200 m处安全爆炸，非常适于城区和复杂地形作战。

德国CORECT 模块的研究方案被看作是GMLRS 的低成本替代方案。CORECT 模块集成了GPS 接收机，利用GPS 计算火箭弹在飞行过程中的位置，采用火箭弹弹载磁场传感器测量地球磁场以确定火箭弹的相对滚装姿态。基于以上数据，弹载计算机计算出火箭弹距离其指定飞行弹道的偏离量，通过实时启动小推力火箭发动机产生脉冲推力，对火箭弹实施横向及俯仰修正。该模块已在227 mm 多管火箭系统火箭弹上试验成功，其命中精度(圆概率误差)由原常规无控火箭弹的580 m 降低到50 m 以内。

以色列的TCS 模块由以色列军事工业公司(IMI)和艾利莎公司联合研制，可改进各种口径的制式炮兵火箭弹。典型的TCS 由制导与导航系统和地面控制单元组成，制导与导航系统安装在火箭弹上。火箭弹发射后，地面控制单元通过数据链路与火箭弹实时通信并产生修正数据，启动位于火箭弹弹体前段的双喷嘴气体发生器产生推力来不断修正火箭弹的弹道;而且能同时向空中12 发炮弹传递弹道修正指令。IMI 公司认为，TCS 比目前美国和北约各国为制导火箭弹安装的GPS/1NS 制导系统的效费比均要好。

综上，通过在无控火箭弹上加装制导模块是快速提高火箭弹精确打击能力的理想模式。我国一些科研机构在制导火箭弹方面进行了相关的研究工作，取得了一定进展。随着我国微机电系统(MEMS)技术、惯性导航和卫星定位等技术的发展，研制制导火箭弹对提高我国武器装备性能具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

2 一种电视制导火箭炮弹方案及其工作原理

本文讨论的制导火箭弹方案是在某型122 mm 无控定型火箭弹的基础上，通过加装电视导引头、舵机等制导部件，并配套相应设备——地面控制站组成系统，来提高其命中精度。

2.1 制导火箭弹武器系统组成

电视制导火箭弹武器系统［1］主要由多管火箭炮、地面控制站和制导火箭弹三大部分组成。系统组成框图如图1所示。

1)多管火箭炮——用于计算、装定射击诸元并发射火箭弹。

2)地面控制站——由控制台、收发天线、收发信机等组成，用于和弹上实现双向通信。

3)制导火箭弹——在无控定型火箭弹上加装制导装置形成;主要由电视导引头、控制舵机、弹体姿态测量装置、弹载计算机、收发组合及天线、热电池、战斗部、发动机和稳定尾翼等组成。

图1 电视制导火箭弹武器系统组成

2.2 弹体结构及气动布局方案

结构布局上，以战斗部为界，可将弹体分为前后2 个舱段。战斗部前端面至弹头为制导舱，从弹头向后依次为:电视导引头、舵机、弹体姿态测量装置、弹载计算机、收发组合及天线、热电池;战斗部前端向后为弹药舱，包括战斗部、发动机、稳定尾翼等。发动机和稳定尾翼与无控定型弹一致，这样可节省大量的弹药费用。

气动布局采用鸭式布局［2］，主要考虑以下几点:①鸭式布局，弹体机动性、可操纵性好，控制效率高;舵面铰链力矩小。②鸭式舵面离其他制导部件近，连接电缆短，电缆布置方便。③从总体结构上来看，全弹分为2 个部分，制导舱和弹药舱，可分别装配、测试，互不影响;给生产、组装、运输带来了极大的好处。

制导火箭弹整体布置如图2 和图3 所示。

图2 某无控定型火箭弹外形结构

图3 制导火箭弹外形结构

2.3 系统工作过程

1)根据弹目坐标，进行弹道计算、拟合;发射车计算、装定射击诸元。

2)火箭弹发射后，地面控制站实时接收弹上发回的弹体姿态数据。当弹丸飞过顶点后，鸭舵张开，自动驾驶仪工作，地面站根据接收到的弹体飞行姿态数据，以及预定的指令姿态角来产生偏差信号，校正弹丸飞行姿态和轨迹，保证制导段目标区图像在电视导引头视场内。

3)导引头顺利捕获目标区图像后，地面操控人员根据图像信息适时在屏幕上确认目标;地面站自动给出偏差指令等相关信息并发送给弹载接收机;地面站实时、不间断进行目标匹配、偏差计算、偏差指令发送，直至地面操作手下1次确认点击目标;如此往复，直至精确命中目标。

图4 电视制导火箭弹控制信息流程

3 方案的优点与技术难点

3.1 方案优点

1)地面站遥控方案，简化了弹上设备，降低了成本;采用目标图像人工确认方式进行制导，可靠性高、精度较好。

2)可通过电视导引头的CCD 实时观察战场情况，能充分利用人的判断、识别和决策能力，对敌高价值固定目标、战场上突然出现的大型目标或低速运动目标实施精确打击，也可对目标毁伤情况进行评估，并且能利用前1 发射弹获取的目标区图像修正后续火箭弹的射击。

3)采用捷联电视导引头、应用无控定型弹的发动机和尾翼装置，选用已定型的部件如舵机、热电池、陀螺仪等，降低了成本。

3.2 技术难点和实现途径

1)较高转速及旋转图像的清晰、稳定显示问题。

通过弹载姿态测量装置测出弹体滚转角数据，在地面站实现图像纠旋;通过对摄像机改造和运用软件增强技术实现图像清晰化。

2)舵机安装位置、弹丸质心定位、飞行稳定性和操纵性问题。

鸭舵在无控段不打开，火箭弹在尾翼作用下，绕其弹轴以一定的转速旋转，可较好地抑制由推力偏心、初始扰动产生的飞行偏差。舵翼张开后，弹丸压心前移，重压心距离减小，降低了火箭静稳定性，可操纵性得到提高［3］。

3)捷联电视导引头制导规律选择［4］

捷联电视导引头光轴与弹体纵轴重合，导引头的指向由弹体姿态决定，其图像运动形式中不可避免叠加了弹体姿态运动因素。可在地面站利用弹体姿态测量装置所获得的信息，构造一种“数字平台”，将弹体姿态的影响解耦出来，得到视线角速度的信息来实现比例导引。

4)修正控制方式

制导火箭弹在鸭舵张开后所产生的下洗流作用下，很难保证转速的稳定，可以考虑在制导舱和弹药舱之间安装滚动轴承，使其能绕弹体纵轴独立旋转，而在俯仰和偏航方向，其运动(转动)是一致的。这种结构可以满足制导舱和弹药舱在飞行过程中对滚转速率不同的设计要求;弹药舱高速旋转可以减小推力偏心等干扰的影响，减小制导火箭在无控段的飞行偏差，确保在弹道末段目标能可靠进入导引头的捕获域。制导舱低速稳定滚转或不转，不但使弹体容易控制，而且能减小因制导舱内零件布局不对称所产生的动不平衡而引起的角偏差。不足是需要鸭舵做副翼偏转进行滚装稳定控制，这增加了舵机结构的复杂度。

4 系统设计、建模与仿真方法

制导火箭弹是1 个复杂的制导控制系统，有效的设计、建模与仿真方法是缩短其研制周期，取得预期性能产品的重要手段。在制导火箭弹的设计中，宜采用由顶向下、分阶层逐层细化的方法建立系统模型，从而在设计过程中始终能够从系统、全局的角度评价系统设计的有效性。制导火箭弹的建模与仿真可分为以下几个部分［5］:

1)弹丸的气动力和气动力矩的仿真计算。气动力、力矩计算与弹丸的外形尺寸、马赫数、攻角以及舵偏角等参数密切相关，在初始设计阶段，通常没有计算气动力、力矩的完整数据。可采用流体计算软件(如Fluent)对弹丸进行模拟吹风仿真，通过函数插值得到相应的空气动力、力矩函数。

2)弹丸的运动和控制方程的建立。包括弹丸的运动学模型、动力学模型以及制导律和控制指令生成模型等。

3)蒙特卡洛模拟打靶仿真。在上述基础上，确定弹丸飞行过程中的各种随机干扰因素及其分布规律，并构造相应的数学概率模型，以产生随机干扰量的抽样值，将随机抽样值输入数学模型即可进行蒙特卡洛模拟打靶仿真，即从全局角度分析系统设计的有效性。

4)系统设计优化。研究设计参数的变化对系统性能影响的仿真分析，合理进行误差分配，从而确定相对合理的设计参数值。

5 结束语

火箭弹制导化改造是提高火箭炮精确打击能力的1 种快速有效的技术途径。本文提出的制导火箭弹设计方案和对有关技术的分析，对火箭弹制导化改造具有一定的参考价值。

［1］钱立志.火箭炮弹精确制导技术探析［J］.炮兵学院学报，2007(2):50-52.

［2］周长省.火箭弹设计理论［M］.北京:北京理工大学出版社，2005.

［3］祁载康.制导弹药技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2002.

［4］姚郁.捷联成像寻的器惯性视线重构精度分析［J］.红外与激光工程，2007(1):1-4.

［5］霍鹏飞.一种导航式二维弹道修正引信的设计和关键技术分析［J］.探测与控制学报，2005，27(3):31-34.

［6］韩永要，徐德友.某型火箭炮弹对面积目标的毁伤仿真［J］.火力与指挥控制，2012(8).