弹道修正弹技术发展综述

王中原,史金光,常思江,李 岩,陈 琦,易文俊,王旭刚

(南京理工大学 1.能源与动力工程学院;2.瞬态物理国家重点实验室,江苏 南京 210094)

1 弹道修正弹技术原理和内涵

对于炮弹,提高其射程、改善射击密集度,是对其研究的重要内容,追求“远、准、狠”,是永恒的研究主题[1-6]。

炮弹射击时,根据当时射击条件(气象、设计初速等)和作战任务(目标距离等),由射表或理论计算可确定出对应的射击诸元和飞行弹道(理论落点诸元等),但实际发射及飞行过程中存在众多围绕设计值和射击条件的随机误差,如炮口初速和初始扰动、弹道上随机风、弹丸外形与结构参数误差、弹上如有增程装置时对应的作用误差(如底排减阻或火箭增速)等。在这些随机误差的影响下,每发炮弹的实际飞行弹道均不同于射表确定或理论计算所得的平均弹道,但通常围绕此平均弹道分布,也可将包含这些随机误差的实际弹道称为随机弹道[7-9]。给射弹带来散布的上述误差(变化范围)越大,炮弹落点散布越大,密集度越差。

为了改善炮弹地面密集度,多年来,弹药和火炮领域的研究者们一直致力于减小或控制影响散布的主要随机误差[10-14],但时至今日,仍未有根本性突破。

随着技术发展,研究人员另辟蹊径:对随机误差影响下的随机弹道进行实时落点预报,并采用简易控制机构对后续弹道进行一次或若干次简易(非闭环控制)修正,以调节飞行弹道靠近理论弹道中心,从而大幅度提高地面密集度。由此,弹道修正弹技术应运而生[8-18]。

与普通无控炮弹的飞行弹道相比,弹道修正弹技术的原理为:对一定射击条件下炮弹的一段飞行弹道参数进行在线测量及数据处理,据此实时预报出此发弹后续飞行弹道诸元(如落点位置等),获知它同预定弹道诸元(如预定落点)间的偏差,并进行比较,逻辑解算并确定出控制信息,通过弹上控制机构,在后续弹道上的适时位置进行一次或若干次简易(开环)控制,修正飞行弹道向预定弹道(落点)位置逼近,实现大幅度提高炮弹密集度的目的[9-23]。如果弹上控制机构只能调节纵向弹道,则为一维弹道修正;如除了纵向外,还能调节横向弹道,则为二维弹道修正[24]。

对炮弹实时测出一段飞行弹道参数;根据这段飞行参数和一定的射击条件,快速准确地预报出后续飞行弹道并进行修正指令的逻辑解算;弹上的控制机构能对弹道进行简易调节控制。以上为弹道修正技术的“三要素”[25-29]。

与制导炮弹(可对飞行弹道进行连续的闭环控制)相比,弹道上简易控制(一次或若干次开环的弹道误差匹配调节)成本低是弹道修正弹的“灵魂”和发展生存的核心原则。

2 弹道修正弹技术研究发展概况

根据现有报道,关于弹道修正弹技术的研究,国外始于上世纪80年代,主要代表国家有苏联、美国、南非、瑞典、法国、英国等,我国始于上世纪90年代初[5,8,12,17]。综合国内外研究资料,对弹道修正弹技术研究所涉及的内容及简况大致介绍如下。

围绕弹道修正弹技术“三要素”,根据不同的弹道参数测量装置或不同的弹上控制机构引出不同体制的弹道修正弹。

2.1 测量装置

对于弹道参数在线测量,主要的探测装置有卫星定位装置、雷达、弹载传感器装置(如加速度传感器)等。卫星定位装置测量方法是近二十年,随全球卫星定位系统技术的发展而被普及应用。其特点是:测量精度较高,测量信息时段较长,可保障炮弹实现自主弹道修正控制。采用一些弹载传感器测量弹道参数也是近些年随着弹载传感器小型化、抗高过载技术发展而出现的,它的特点是测量装置小巧,可利用较长时段的测量信息,抗电磁干扰性相对较好等。采用(地面)雷达进行弹道测量是较为传统的技术方案,其特点是测量精度相对较高,弹上涉及器件少,工作可靠,抗干扰性相对较好,成本相对较低。

在上述弹道测量方法中,由于弹载传感器(单独)测量精度相对较差,实际中采用的较少。目前,国内外在弹道修正弹上主要采用雷达或卫星定位装置进行测量。在雷达测量系统中,通常将雷达置于地面火炮附近,对炮弹的一段飞行弹道进行测量后,由火控实时进行弹道预报、弹道修正逻辑解算、形成控制指令,并由地面装置向弹上的指令接收装置发送指令,整个信息处理过程简洁,弹上相关器件少,抗干扰能力强。但许多信息处理在地面实施,因此采用雷达测量系统的弹道修正弹一般为被动式弹道修正[27-34],且通常在一部地面雷达保障下,当火炮以一定射速连续发射多发炮弹时,受资源限制,雷达无法全程跟踪所有炮弹,只能对每发炮弹在一段时空域内实施跟踪(除非雷达具有对多发弹同时跟踪的能力),与卫星测量装置相比,这些都是雷达测量的不足之处[35-38]。在卫星测量系统中,发射前将相关信息(目标位置、气象、星历等)装定进炮弹,发射出去后弹上卫星定位系统工作,弹上计算机根据卫星测量数据进行数据处理及弹道预报,形成修正指令[39-42]。其优点是可利用的测量弹道信息较多,精度较高,不足之处是弹上器件较多(相对而言占用空间多,结构复杂),成本略高[43-46]。因此,2种用于弹道测量的方法各有特点。就发展趋势和工程应用便利性而言,雷达测量体制研究发展的更早些,今后卫星测量体制应更为普及。

2.2 控制机构

弹道修正弹技术中,弹载控制机构主要有阻力环(或阻力伞)[47-48]、脉冲发动机[19,35]、扰流片(或导流片、限位舵等)[14,34,49-50]等。

1)阻力环。

阻力环机构如图1所示。阻力环机构一般置于炮弹头部(前端),根据指令在弹道上适时展开,形成一个高于弹体表面的圆环,使炮弹阻力增大,调节飞行弹道,为保持结构简单,阻力环张开后通常不收回。它的特点是结构简单、作用可靠与均匀性相对较好。国外报道有展开阻力伞(展开后类似伞状的柔性体)、扇形展开阻力环等机构,但因它们外形均匀一致性相对较差,实际中很少被采用。阻力环控制机构只适用于一维纵向弹道修正技术,且其张开后只能使飞行弹道调节得更近,故采用阻力环控制机构是基于“打远修近”原理,它对应要牺牲一点原无控弹最大射程[18,28,51-55]。

图1 阻力环机构

2)脉冲发动机。

脉冲发动机一般置于弹体(圆柱段)周向,均匀对称分布,并相应编号,其布置图和装置分别如图2和图3所示。脉冲发动机组根据指令在弹道上某处适时点火,启动某个脉冲发动机作用,调节飞行弹道。它的特点是控制机构结构简单、易实现。脉冲发动机控制机构一般用于二维弹道修正。脉冲发动机一般不安装于弹体几何纵向上,原因:①与弹上的一些增程装置(如火箭、底排等)之间匹配复杂;②置于纵轴只进行一维修正,其简洁、高效性远不如阻力环机构。

图2 脉冲发动机布置图

图3 脉冲发动机装置

3)扰流片。

弹上扰流片(或限位舵)一般置于弹头部,其具体机构如图4所示。弹旋转时,有的扰流片起到增大阻尼力矩、调节弹丸转速及偏流的作用;有的扰流片可在一定限位角上转动来调节气动力(矩)以修正弹道。扰流片具体类型不同,可作用调节范围也不同,控制作用能力差异较大。

图4 扰流片机构图

就上述介绍的各弹载控制机构而言,阻力环机构引起的原炮弹结构改变而带来的影响小,飞行环境适应性好(如修正过程中仍可高转速飞行),机构简易,作用可靠,是目前应用最多、技术相对成熟的修正机构;脉冲发动机虽可实现结构上简易,但当炮弹转速较高时脉冲发动机作用力方向(沿弹体周向分布)不易被准确控制,脉冲作用力的均匀一致性和对炮弹结构的适配性也不易被掌控,炮弹易出现飞行失稳,为达一定修正能力及避免引起飞行失稳,常对脉冲发动机在炮弹上的位置要求较严,因此作为弹道修正弹技术的控制机构,脉冲发动机在实际应用中的高效性并不理想;而弹载扰流片等控制机构则涉及许多不同具体结构,因而差异性较大。对于一些固定不动的小扰流片,要么是弹道修正能力有限,要么是飞行中其对弹道的作用力影响不易掌控(甚至引出新的弹道误差),因此实际应用效果不佳;而对于一些可进行限位偏转的扰流片(类似于简易舵),则结构较为复杂,有的设计成弹前体相对于后体可高速转动,以达到控制其修正力方向,目前仍处于技术实用化研究阶段,但若技术方案过于复杂,实现困难且成本偏高,则会背离了弹道修正弹技术的发展原则。

就弹道修正技术中的一维弹道修正和二维弹道修正技术而言,一维弹道修正研究早于二维弹道修正研究,前者相对简单,技术成熟度高,后者相对复杂,技术成熟度要低[24,28-29,56]。近年来,底排减阻、火箭底排复合增程等技术的上弹应用,给炮弹射程方向带来的散布影响要远大于横向的散布影响,进行一维弹道修正,保障上述增程弹的良好应用效果且有效控制其成本显得尤为迫切和必要,这也是当下弹道修正弹技术研究发展现状。

比较国内外开展过的各类二维弹道修正技术途径可知,较为实用、可行的方式主要有二类[44,56-63]:①在一维弹道修正机构基础上增加减旋翼片(扰流片),其原理是通过弹道上适时弹出减旋片来增大极阻尼力矩,调节旋转炮弹偏流大小来实现横向弹道修正,此修正方式的优点是结构简洁、作用可靠、易实现,不足是横向修正能力较弱[64-65];②在弹体上设计一简易(可限位偏转)的舵片(扰流片),弹前体可相对弹后体高速旋转(所谓“双旋弹”),通过控制弹前体相对后体的相对转速及简易舵的偏转方向来实现二维弹道修正,这类修正方式的优点是理论上修正能力较强,缺点是技术途径较为复杂,弹上涉及飞行位置、滚转姿态测量,转速控制部件较多,成本相对高,目前技术尚在研究中[56,61]。

关于一维弹道修正技术和二维弹道修正技术研究、应用的发展关系,应当立足于弹道修正技术的原理、要素和发展原则及炮弹性能发展需求牵引来综合考虑。从技术发展和应用的定位来说,弹道修正弹是介于普通无控弹和制导炮弹之间的弹种,其目标是针对随机误差造成的散布在弹道上进行有限次开环简易修正,改善地面密集度,核心“灵魂”是简易、低成本;从需求牵引看,对于50～60 km射程范围内的炮弹,特别是带有一些增程装置的炮弹,改善其纵向地面密集度性能需求更为迫切,这些状况是从事弹道修正技术研究人员应关注的,只有当对应的二维弹道修正技术所涉及的所有弹道参数测量机构和修正控制机构的部件简易可靠,对炮弹结构影响小,成本远低于制导炮弹,且易于工程化应用,研究应用二维弹道修正技术才会进入快速发展轨道。

3 弹道修正弹技术研究和应用中主要涉及的理论和技术问题

传统无控炮弹是通过减小随机误差来控制散布,与此相比,弹道修正技术的创新点在于:根据一段实测飞行弹道参数,在线辨识出部分随机误差对随机弹道的影响,并预报出后续弹道和预定弹道差,通过若干次简易控制,使实际弹道逼近预定弹道落点,大幅度提高地面密集度,而其成本比无控弹高出不多,且远低于制导炮弹,弹道修正弹同制导炮弹在打击目标和使用类别上可以互补,故弹道修正弹技术具有极好的发展应用空间。近二十年来,技术应用有了长足进步。现将弹道修正技术应用研究中主要涉及的一些理论、技术问题,甚至认知上容易混淆的一些问题,总结归纳如下。

3.1 弹道测量、控制机构和修正维数

综合考虑各方面因素,较为实用简洁的弹道参数测试方式主要为雷达测量及卫星定位装置测量,从方便性且有利于弹道修正过程中弹道解算对飞行参数的利用看,今后选用卫星定位装置测量方式居多;从有利于弹道修正弹参数辨识以及提高弹道预报精度角度,希望对每发弹飞行参数测量的时间加长且越靠近弹道后段越好,但测试的弹道段过长、过后,又存在可能错过需要的修正时机和修正能力不足等情况,实际中可以根据不同弹的弹道特性,分析出对应不同射程所需修正能力的范围,在此范围内射程较近时可以早启动弹道解算,射程较远时可以晚启动弹道解算。

关于修正维数和控制机构,综合考虑各类随机误差对地面散布的影响、技术复杂性与成熟度、同原武器弹药的适配性、效费比等因素,广泛应用的还是阻力环体制的一维弹道修正弹技术。至于今后发展的远程、超远程弹药,因其价值较高,性能要求高,还是主要考虑发展制导炮弹。

关于阻力环修正控制机构,实际应用中重点要把握以下两个方面。

①小型高效。

阻力环机构越小,所占空间越小,对原弹体结构影响也越小,但机构过小,展开的阻力环(外露)面积也小,则增阻有限,影响修正能力。由弹箭气动特性可知,超音速弹箭飞行时其弹头部外形变化对气动阻力影响显著,故通常将阻力环机构置于弹头部某处。

②阻力环张开外形的均匀一致性。

阻力环张开后,其外形保持均匀、对称(相对弹几何纵轴,最好全环无缝)非常重要,这不仅可增大增阻效率,最主要是可以使增加的气动力合力尽可能保持与弹几何纵轴同轴,不会引起弹道上新的误差源。

3.2 弹道预报理论与技术

弹道修正技术中的一个核心问题是弹道预报,这也是弹道修正技术出现后给外弹道学研究提出的新问题。它包括:弹道预报的定义,与通常的外弹道理论计算的差异,弹道预报常用理论方法及主要难点等。

众所周知,对于一确定的火炮武器及其发射的炮弹,都有其对应的设计状态参数或经试验对比确定的平均弹道参数。通常的外弹道理论计算涉及外弹道模型及模型计算中的全套参数。

外弹道模型是在一定假设条件下(如地球地表假设、炮弹刚体假设、坐标系假设、作用在弹上的各类力系假设等),根据炮弹飞行动力学理论建立的飞行运动方程组(如质心运动方程组、刚体弹道方程组等,一般为微分方程组形式),方程组中的变量为弹道诸元。

炮弹的外弹道理论计算是指采用一具体外弹道运动模型,在一套确定的状态参数下(无论是设计值还是试验确定的平均值),进行外弹道(微分)运动方程组诸元数值计算。计算所得的弹道是一条可在炮弹发射前就计算好的理论弹道,它代表了炮弹在上述射击和飞行状态参数下的平均弹道状况。

理论计算的飞行弹道同实际弹道的偏差主要来源于两方面:一是外弹道模型与实际情况之间存在误差,如建立模型时的一些假设、简化等;二是涉及模型计算用的条件状态参数存在误差。目前,对普通弹箭的外弹道模型的研究相对较成熟,大量对比分析和试验结果表明,一般情况下后者是造成理论弹道计算误差的主要原因。

无论如何管控,在实际发射和飞行过程中,每一个状态参数都会与预先确定值(或平均值)之间有小的误差,即随机误差,这造成实际飞行弹道诸元围绕预先计算的弹道诸元变化,出现差异,这个实际飞行弹道也可称为随机弹道。当然,在各随机误差中,有一些是影响弹道的主要误差源,如对地面散布而言,初速、空气阻力、随机风等误差是主要因素。因此,虽然预先无法计算随机弹道,但一发炮弹发射出去后,实际飞行的弹道诸元已经体现出随机误差的影响,之前的随机误差已成为确定误差值[39-41]。因此,通过实时测量炮弹的一段飞行弹道的诸元参数,设法辨识出已确定的主要误差参数对弹道的影响,并当量成某主要影响弹道的特征参数(如阻力系数),据此对后续飞行弹道进行计算,这一过程为弹道预报[46,51,66]。

弹道预报的后续弹道已(部分)考虑了先前弹道主要随机误差的影响,因此它比理论计算弹道更接近实际弹道。

因此,理论计算弹道是指在预先确定的一套(条件)状态参数下,计算的飞行弹道;弹道预报是在理论计算弹道的基础上,根据一段实测飞行弹道诸元,在线辨识一些主要误差对弹道特征的影响,并由此预报后续飞行弹道诸元。弹道预报是同随机弹道密切关联的。

有关弹道预报采用的方法,常常根据可测飞行弹道参数的信息状况(如可测诸元、可测弹道时间段等)、对后续预报弹道的要求等,选择相应的方法,其理论基础仍是外弹道理论与相关运动方程组模型等[67]。目前常见的弹道预报方法主要有如下两类。其中，外推方法相对简单，卡尔曼滤波与弹道预报方法相对复杂。

3.2.1 外推方法

以测量的这段弹道的参数为基础,进行主要气动力系数(如阻力和升力系数)符合,并从所测弹道段上某点为起始点向后解算弹道方程组作为弹道预报推算:

X=G(t,ti,xi)

(1)

式中:i=1,2,…,m;G为弹道模型;X为水平距离;ti为所测弹道段上对应时刻;xi为所测弹道诸元;m为测量弹道诸元数。

(2)

上述对实测的一段飞行弹道参数(已体现部分随机误差对其影响),选用某弹道特征参数进行符合,并用它当量代表误差影响,而由弹道方程组直接进行后续计算作为弹道预报,特点是简单、计算快速,不足是预报弹道精度不高,仅对一些射程不大或预报后在后续弹道的较短时段内的精度尚可。

3.2.2 卡尔曼滤波与弹道预报方法

由对各类弹道预报方法的研究和对比分析看,综合考虑预报精度、计算时间、简洁性等因素,实际中应用较多、效果较好的是选用某一重要弹道参数(通常选炮弹阻力系数),在所测弹道段上,通过卡尔曼弹道滤波方法来当量符合随机误差对飞行弹道的影响,并进行后续弹道预报[11,26,27,33]。

卡尔曼弹道滤波方法主要是根据实测的一段飞行弹道参数快速准确地辨识出该弹的弹道特征参数[38,55,68-69]。这里以阻力系数的符合系数kcx和升力系数的符合系数kcy作为弹道特征参数为例,介绍卡尔曼滤波与弹道预报方法的主要流程。

一维弹道修正弹的弹道方程为

(3)

阻力环控制方程为

(4)

式中:Fx2,Fy2,Fz2为作用在弹丸上的合外力在弹道坐标系x2y2z2中的投影,在计算Fx2和Fy2时需要使用阻力系数符合系数kcx和升力系数符合系数kcy,kcx和kcy为待辨识的参数;Mξ,Mη,Mζ为作用在弹丸质心处的合力矩在弹轴坐标系ξηζ中的投影;FD为阻力环张开后增加的阻力;ΔCx为阻力系数增量。其他符号及坐标系定义等参见文献[1]。卡尔曼滤波基本方程如下。

预测方程为

(5)

(6)

(7)

滤波方程为

(8)

卡尔曼滤波增益为

(9)

误差方差阵为

Pk=(I-KkHk)Pk/k-1

(10)

式中:Φk为基本矩阵,H为量测矩阵,Qk为过程噪声方差矩阵,Rk为量测噪声方程矩阵,其他各符号定义可参见文献[70]。

在利用卡尔曼滤波辨识弹道特征参数的过程中,不涉及阻力环机构作用。因此,在构建一维修正弹弹道滤波模型时,将参数kcx和kcy分别置于阻力系数和升力系数之前作为乘子,并补充如下微分方程:

(11)

则状态变量取为

X=(vθaψ2xyzωξωηωζ
φaφ2γkcxkcy)T

(12)

将弹箭动力学方程(3)改成状态空间形式:

(13)

式中:fi(i=1,2,…,14)为方程(3)和方程(11)对应的右端函数。对方程(13)进行线性化,可得:

(14)

式中:F为动力矩阵,其元素fi(i=1,2,…,14)对应每个状态变量的偏导数。

在求出了动力矩阵F的具体表达式后,可求得弹道滤波系统的基本矩阵Φk:

Φk≈I14×14+F14×14·Δt

(15)

式中:I14×14为单位矩阵,Δt为卡尔曼滤波的采样间隔。

假设可直接或间接测得的弹道参数为

Z=(vθaψ2xyz)T

(16)

则弹道滤波系统的量测方程可以表示为

Z=h(X)+n=H·X+n

(17)

式中:H为量测矩阵,n为量测噪声。

由于状态变量X为14×1维矩阵,Z为6×1维矩阵,故量测矩阵H为6×14维矩阵,n为6×1维矩阵。

量测噪声n的方差矩阵为

(18)

式中:σ为测量值的标准差。

另外,与状态方程相对应的还有过程噪声方差矩阵Qk,在应用中,通常忽略弹道模型与实际飞行状况的误差,故一般取Qk=O14×14。

根据实测的飞行弹道参数,卡尔曼滤波算法采用预报和校正交替实施的方式,快速辨识出弹道特征参数,将测量数据段最后一点的状态变量最优估计值作为弹道预报的起点,对弹道方程组进行数值积分,预报出该发射弹后续的直至落点的弹道。采用卡尔曼弹道滤波方法进行弹道预报的特点是预报精度较高,不足之处是计算量较大[71-72]。

3.3 一维弹道修正弹技术工程应用中常见问题分析

3.3.1 射程扩展量处理问题

工程应用中,通常选择的射程扩展量比对应射程上的纵向散布(极差)间距的一半稍大,对应的一维修正弹射表应包含各射距上的射程扩展量表。

3.3.2 射表与射程标准化问题

对于确定状态的火炮与弹药,根据任务要求(射程等)和条件,用来确定射击诸元(如射角)及相关弹道参数等的资料为射表。

一维弹道修正弹阻力环型的射表是在普通炮弹射表基础上,增加了射程扩展量表,它给出了不同距离上对应的射程扩展量,通常表中还给出此射程扩展量对应的阻力环开环时间、落点参数等。

射程扩展量表征的是阻力环在某时刻张开所对应的弹道纵向修正距离,为一相对距离差,即同一射击和飞行环境条件下,阻力环不张开时落点与某时刻张开后落点间的距离差。经分析,在不同环境条件(如初速、气象条件)下,不同时刻阻力环张开对应的射程修正量变化不大,故一维弹道修正弹的射程扩展量一般可不考虑非标条件的影响。

关于一维弹道修正弹的射程标准化问题,仍对应某射击条件下的目标点(即修正后的落点),同普通无控弹一样,进行射程标准化。

3.3.3 认知上应注意的问题

与普通炮弹相比,弹道修正弹是通过测量一段实际飞行弹道的参数,在线分析随机误差对弹道的影响,将影响辨识出并用某弹道特征参数来表征,进行后续弹道预报,获知与预定弹道的差,由弹上作用机构进行一次或若干次简易弹道调节来提高密集度,所以它不是普通无控弹,虽可归为信息化弹药,但因在飞行控制原理、可调节各类误差对飞行弹道的影响及能力等方面有别,不应将弹道修正弹与制导炮弹归为一类。同理,将飞行弹道上已采用闭环连续控制的弹药称为弹道修正弹也是不妥的。

在上述修正信息处理的过程中,关于随机误差影响的考虑是有限的,即仅针对测量的一段弹道,不能包含全部随机误差以及对全飞行弹道的影响,而且是当量成某一弹道特征参数来表征,实际上需应用更多弹道特征参数表征,如初速、阻力系数、气象条件,这更符合实际情况,但辨识困难;更主要的是,所进行的弹道调节是开环弹道修正,无法像制导炮弹那样不断进行闭环控制,因此与普通无控弹相比,只能在原炮弹散布基础上加以改善(本质上说,它仍是不同飞行段对应不同作用阻力的一般炮弹),仍只能用地面密集度来反映其射击精度,而非用准确度来反映,且弹道修正弹的修正能力是有限的,特别对于近程时,修正能力非常有限。理论上应将各类误差对飞行弹道的影响均加以修正,使炮弹更准确地飞行至实际目标点,但这是不切实际的。

弹道修正弹的密集度与其对应的无控炮弹密集度紧密相关,如对应无控弹密集度太差(表明各类误差大,则前述弹道预报对部分误差源影响的辨识及当量处理的效果也差),且可能造成在某些射程上修正能力不足,从而导致修正弹密集度变差,所以实际中对无控弹密集度要有一定要求,才能达到有效提高修正弹密集度的目的,一般可提升密集度到原来的几倍。

对于弹道修正弹,考虑随机误差对弹道的影响,并加以辨识,预报弹道,进行弹道修正。目前考虑的部分随机误差主要是与炮弹飞行强相关的误差,如初速误差、空气动力误差等,而对火炮射击条件误差(如射击过程中射角变化)所引起的飞行弹道变化,尚难以进行弹道辨识(因目前弹道辨识中还认为射角等条件不变),这对一些处于剧烈运动平台上的火炮,在行进中发射且射角条件变化明显时,弹道修正的效果会受到影响,其弹道修正密集度要差于火炮平台无剧烈运动下射击时的修正效果。

在弹道修正技术研究及其应用中,还有不同定义区分,如弹道修正弹、弹道修正引信等。实际上,为了将弹上修正机构小型化,或是针对具体炮弹结构布局及外弹道特性来设计其修正机构,并布置于弹上某部件处,都属于弹道修正技术,定义如何不是根本问题。

3.4 弹道修正弹技术未来研究展望

弹道修正弹是一类介于普通无控炮弹与制导炮弹之间的新型弹药,也属于信息化弹药,其核心是低成本、高效费比。对于今后弹道修正技术研究的方向,若相应的修正控制机构(或弹道测量、控制方式等)过于复杂,致使全弹成本过高或非常接近制导炮弹成本,则是不合适的。弹道修正弹与制导炮弹,应该在成本上、简易性上互补,这是发展的前提。

弹道修正弹技术的难点主要有:

①设计小型高效且适配炮弹结构与飞行弹道环境的修正控制机构;

②弹道特征参数辨识及快速准确的弹道预报;

③弹载弹道修正部件抗高动态环境。

弹道修正弹技术未来应朝着不断提高高效性、适应炮弹发射飞行环境、低成本等方向研究,结合目前技术研究现状和不足,今后可以重点关注内容如下。

①研究更加小型高效的阻力环修正机构。

受结构限制,目前阻力环的弹道修正能力比较弱,特别是在近程(由于飞行时间短)修正范围受到限制;若修正能力强,弹道修正时机可后移,能更充分利用弹道测量信息,使弹道预报精度大幅提高。因此,低成本、小型高效修正机构的研究将会是一个重点,如可折叠、大伸缩比、可变档(可选择不同外露伸缩面积比)的阻力环机构。

②多元弹道特征参数辨识技术。

由实测的一段飞行弹道参数,辨识出误差对飞行弹道的影响(理论上讲,对于发射出去的飞行炮弹,一些随机误差已成为确定状态参数),并在线辨识出对应影响的弹道特征参数,如初速、空气动力系数、气象条件等,进而可准确预报弹道,是弹道修正技术的一个核心问题。目前的理论研究和技术应用水平,仅限于当量成某一个弹道特征系数来表征,这在理论上只是一种近似处理。因此,今后开展多元弹道特征参数辨识理论的研究是很有意义的。

③对运动平台引起的射击条件误差影响辨识。

通常,火炮平台在运动状况下发射时,尽管平台采取了一些伺服技术,但仍会造成射击条件(如射角)的改变,从而带来误差。对于目前研究的弹道修正理论与技术,在飞行弹道参数误差影响的测量及弹道特征参数辨识中,关于射击条件改变的影响及误差辨识等研究还较少,这影响了弹道修正弹技术在这样一些发射条件下的实际应用效果。今后将根据实测飞行弹道(可以测试更多的弹道信息),除了分析弹的误差影响,还应同时引入射击条件(射角等)误差的分析比对,使弹道预报的适应范围更广,这方面的研究对扩大弹道修正弹技术的应用范围,提高应用效果,是十分有意义的。

4 结束语

追求炮弹精确打击,大幅度提高地面密集度,始终是研究人员奋斗的方向。近年出现的弹道修正弹,是介于普通炮弹和制导炮弹之间的新生产物,低成本、高效费比是其核心,在作战使用上和制导炮弹互补,有良好的发展和应用前景。

本文结合国内外相关文献报道,结合多年研究经历,就弹道修正弹理论与技术的原理、发展状况、技术特点及工程应用中可能会出现的一些技术问题等,进行了分析、比较,对发展研究中应注意的问题提出了建议,对未来该技术发展作了展望,希望为相关研究人员提供帮助。