舰空导弹飞行试验弹目交会仿真分析∗

（中国人民解放军92941部队 葫芦岛 125000）

1 引言

引战配合的概念是保证引信适时起爆战斗部并有效摧毁目标［1］，导弹实际遭遇目标时的弹目运动、引信探测接收目标信号和信号处理识别、引信延时、战斗部爆炸毁伤目标的过程称为引战配合过程［2］。在引战配合中，遭遇段一般是指导弹和目标接近时，引信接收到目标反射信号的一段运动轨迹。在实际的舰空导弹飞行试验中，遭遇段弹道参数、引信启动参数、战斗部毁伤参数是试验结果分析和导弹引战系统性能评估的重要依据。舰空导弹利用战斗部爆炸产生的杀伤物质及冲击波等对目标进行直接毁伤，但由于存在“制导盲区”，导弹直接命中目标概率较小，所以对舰空导弹的引战配合性能提出了更高要求，以便于在不同交会条件下，导弹能最大限度地对目标进行杀伤［3］。文献［4～8］从不同的角度进行了引战配合仿真建模与研究，重点从引战配合设计以及优化的角度进行了研究。文献［9～10］分别建立了弹目交会仿真系统，对基于引战配合的弹目交会毁伤过程进行了研究。

在实际导弹飞行试验中，引信计算及程序实现都非常复杂，不同型号导弹引信的体制和探测规律也不尽相同，而在试验过程中又要求对数据的判读有一定的时效性，及时为试验评估提供决策依据［11］。如何根据导弹拦截目标获得的飞行试验数据快速评估导弹对典型目标的毁伤效果是亟需解决的难题，而对缺失的终点弹道参数进行推算补偿，将弹目交会过程中目标毁伤进行模拟，可以大大提高试验结果分析的效率，更加有效地分析导弹飞行试验结果。

以上述分析为基础，本文基于VB语言，重点对舰空导弹弹目交会段飞行轨迹进行仿真，复现弹目交会过程和模拟毁伤效果，为评估试验结果提供快速有效的辅助分析方法，提升试验数据的快速分析能力。

2 弹目交会模型

导弹和目标交会段又称遭遇段，因交会段持续时间较短，导弹及目标的速度矢量变化不大，可认为弹目作匀速直线运动，而且由于导弹和目标来不及机动，可认为导弹与目标的姿态参数等同于刚进入交会段时刻的姿态参数。导弹和目标交会段的模型是在几个坐标系内进行的，这就要求在这一段过程中，建立惯性坐标系、目标坐标系、弹体坐标系和相对速度坐标系。同时，进行弹目交会过程分析时，需要进行坐标系间的转换，通过各坐标系间的旋转变换，将导弹与目标参数紧紧联系起来。

2.1 引信探测模型

在多个坐标系中均存在弹目空间交会模型，弹目交会参数较多，其主要参数包括目标速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐标及导弹速度、偏航角、俯仰角、加速度、位置坐标等［10］。

将靶弹作为拦截目标，交会段地面坐标系oxyz下的弹目交会姿态和导弹引信的探测模型见图1。由于将光测点设在导弹和靶弹尾部发动机火焰喷口，图中导弹弹体坐标系odxdydzd原点设在导弹尾部，F点表示引信。引信探测参数主要有两个：引信探测倾角Ω和探测距离R。防空导弹引信为了全方位探测目标，一般在绕弹轴360°的范围内形成一圆锥体探测场。通常在弹体坐标系中表示引信探测场，无线电天线主瓣或者激光引信光轴与弹轴的夹角Ω为引信探测倾角，锥体母线为引信启动距离R，它决定了引信探测的敏感区，是引信启动特性高低的重要参数。

图1 舰空导弹引信探测模型

2.2 战斗部破片动态飞散模型［12］

导弹在静止时刻，战斗部发生爆炸所形成的战斗部破片（或杆条）飞散区，称为静态飞散区。导弹在飞行时，战斗部发生爆炸后，在破片静态飞散速度上叠加导弹速度后所形成的破片飞散区称为战斗部破片动态飞散区。非定向战斗部破片的静态飞散区相对于导弹纵轴对称，且绕弹轴360°方向均匀飞散，因此同引信探测场一样，在弹体坐标系中表示破片飞散区最为方便。

静态飞散区和动态飞散区在弹体坐标系内的关系图如图2所示。图中，Z点表示战斗部中心；φ0为破片静态飞散角；φ1为动态飞散角；v0为破片静态初速；v1为动态初速。

图2 破片静态飞散区和动态飞散区关系图

3 仿真界面设计与流程介绍

根据试验中弹目外弹道特征参数和战斗部技术参数，建立弹目交会段模型，并对缺失的终点弹道参数进行推算补偿，通过炸点时刻和战斗部爆炸威力的有效杀伤区，实现目标毁伤模拟，在考虑试验测量点位置校正后，光测、遥测数据可互相对应分析，从而可达到试验分析效果。导弹与目标的空间位置坐标主要来源于实际的飞行试验数据，这里飞行试验数据包括光测与遥测数据。遥测数据能提供导弹位置、速度和姿态等参数及目标位置和速度等参数，而光测数据可以提供比遥测数据精度更高的弹目参数信息。

3.1 操作系统及界面

导弹与目标交会段快速分析系统基于VB语言进行实现。该操作系统主要包含两大模块：一是后台仿真计算模块，二是主界面操作显示模块。后台仿真计算模块在后台对试验数据进行仿真计算，主界面操作显示模块在前台模拟弹目交会过程，对结果进行显示。后台仿真计算模块采取利用遥测和光测数据拟合重建遭遇段弹目运动轨迹计算方法，通过建立引信探测模型，研究飞行试验引信启动点及通过建立战斗部破片飞散模型，研究飞行试验导弹战斗部对目标杀伤区域。主界面主要包括导弹型号、弹目位置、交会参数、战斗部参数、目标参数、拟合与仿真等的输入，窗体界面的设置，图像图形的调整以及毁伤效果的模拟，如图3所示。

图3 弹目交会段仿真界面

3.2 弹目交会段分析流程

在实际飞行试验弹目遭遇过程中，引信探测到目标，然后启动，再经过引战配合延时，战斗部爆炸。由于遥测参数记录引信启动时间，引战配合延时可根据设计规律进行计算，只要得知引信在目标的启动点，即可根据弹目遭遇模型和战斗部破片飞散模型模拟出弹目交会过程及导弹起爆的毁伤效果。通过读取弹目位置文件，并对试验中导弹及目标各种主要参数的输入，模拟出飞行试验中弹目交会过程，具体流程如图4所示。

图4 舰空导弹交会段仿真流程

4 仿真验证与结果分析

某型舰空导弹经过多次试验，根据某次试验影像显示，导弹与目标均正常起飞至弹目遭遇后，战斗部起爆，目标坠落。导弹遥测数据显示，导弹飞行过程中，引信工作正常且在弹目遭遇时进行报警输出，适时引爆了战斗部。在对试验数据进行完全处理后，对弹目交会系统进行以仿真验证。

4.1 初始条件输入

仿真系统弹目交会段初始参数见表1。

表1 初始参数

本次仿真验证中，取vm=900m/s，φm=50.5°，θm=25.8°，φ1=118°，φ0=85°，v0=2100m/s，rm=20m，lt=9m，wt=7m，vt=215m/s，φt=6.7°，θt=8.6°，T爆炸=19.170±0.005s，T0=10：30：10.000s，导弹及目标空间位置由光测给出，以表格形式导入系统。

4.2 结果模拟分析

输入初始参数后，模拟得到的弹目交会段和战斗部毁伤效果，如图5所示。导弹与目标正常交会，从图中能够直观的看出导弹和目标的空间分布位置、运动轨迹及战斗部杀伤区所覆盖的面积。需要说明的是，对于导弹战斗部起爆的模拟，图中起爆位置为最后光测时间的位置，假设该位置为战斗部起爆点，可以直接的看出导弹战斗部杀伤区未能对目标造成有效的杀伤。此时，遭遇段该时刻为19.15s，弹目距为23.95m。而通过与引信报警的时间比对后发现，在该时刻战斗部确实并未起爆，没有对目标进行杀伤。

图5 弹目交会模拟

出现上述现象的原因是在实际的飞行试验中，导弹对目标起爆瞬时的数据在光测数据中无法进行体现，也就不能继续展示后续弹目遭遇及战斗部对目标毁伤的过程。

为更好的掌握弹目交会及毁伤过程，对弹目运动进行延时模拟。调整拟合与仿真设置，将弹目交会续延时间设置为40ms，逐点运行速度设置为500ms/点，进一步模拟弹目运动及导弹对目标毁伤效果，如图6所示。从图中可以看出，导弹与目标正常交会，导弹战斗部起爆后，其杀伤区与目标区域有重叠，在一定程度上表明，导弹对目标进行了杀伤。根据软件系统界面显示，此时遭遇段的时间为19.168s，弹目距为10.85m，结合实际试验数据可知，战斗部爆炸时间为T爆炸=19.170±0.005s，通过与爆炸时间参数比较及结合实际试验结果，可以得出该过程导弹战斗部对目标进行了有效杀伤。

图6 弹目交会延时模拟

5 结语

本文采用VB语言，根据舰空导弹弹目遭遇段相对运动关系以及引信工作原理，建立了舰空导弹弹目交会段模型，通过弹目交会段外弹道测量的弹目位置参数，采用弹道插值和弹道推延方法模拟弹目交会过程；同时通过战斗部毁伤威力与杀伤区分析，直观模拟了导弹起爆的毁伤效果。通过对交会过程模拟，得到导弹在特定时间是否对目标造成有效杀伤的判定依据，在弹目交会末端，更加方便直观对舰空导弹引战配合性能进行分析，为舰空导弹试验结果的快速判读与试验效果的评估提供有力的数据支持。另外，本文为舰空导弹飞行试验遭遇段弹目交会分析、战斗部毁伤效果分析等试验结果评定与导弹性能评估工作中提供理论指导及应用价值。