激光引信在防空导弹高效引战配合中的应用研究
0 引 言
随着科学技术的发展,防空导弹**系统在拦截各类入侵目标时面临的压力不断增大,高速、大机动、隐身类目标应用智能技术后不仅大大压缩了防御方的反应时间和拦截空域,还明显降低了拦截成功率[1]。徐俊峰等[2]讨论了一种发挥可瞄准战斗部定向优势的引战配合技术方案。董康生等[3]讨论了不同弹目交会情况对激光成像引信引战配合的影响。张斌[4]分析了防空导弹多种类目标特性并提出了高效引战配合技术发展途径。这些技术研究推动了防空导弹高效引战配合技术的发展,也为激光引信的应用探索了方向。
激光引信具有抗电磁干扰能力强、定角/测距精度高和系统体积小等优点,目前已在防空导弹中得到应用,特别是相干探测[5]、偏振探测[6]、双色探测[7]、干扰仿真[8]等技术明显改善了激光引信易受烟雾、雨、雪、海面或者地表背景等干扰的缺点,促使其应用领域不断扩大。
文中以防空导弹多通道周视激光引信为背景,分析了影响引战配合设计的因素,通过典型引战系统总体方案下的引战配合仿真计算,对比分析了单发杀伤概率在有无激光引信信息条件下的变化情况,为防空导弹引战系统和激光引信总体设计提供技术支撑。
1 防空导弹引战配合影响因素分析
防空导弹引战配合规律研究**系统规定杀伤空域和制导精度等限定条件下,引信启动区与战斗部杀伤区协调的问题,保证导弹对目标的有效毁伤,满足**系统对单发杀伤概率的指标要求。引战配合规律与引信启动特性、战斗部毁伤特性、脱靶量、脱靶方位、弹目相对速度、弹目交会角等因素密切相关。下面分别对平行交会条件、非平行交会条件进行分析。
1.1 平行交会条件
防空导弹拦截目标在理论平行交会条件下的引战配合情况如
对于已知目标,可以通过分析研究获得散射特性和易损特性,最优引战配合就是控制战斗部破片动态飞散带命中目标易损中心,最佳引战延时τ可表示为:
由公式(1)可知,不考虑引信视场倾角和战斗部破片静态飞散角在工程产品上的不一致性,则最佳引战延时与脱靶方位无关,实际拦截过程中只需测得脱靶量ρ和弹目相对速度Vr即可准确计算。
1.2 非平行交会条件
防空导弹拦截目标的实际情况几乎都是非平行交会条件,导弹和目标的攻角和侧滑角均需考虑,并且脱靶方位θ也将对最佳引战延时τ产生影响,如
2 激光引信对引战配合的影响因素分析
在防空导弹引战配合设计时需要综合考虑**系统、导弹总体、引信和战斗部的性能参数影响,一般来说,具有拦截导弹类目标能力的防空导弹也就要求近炸引信具备全向探测能力。激光引信通过在周向均匀布置多套激光收发系统即可实现全向无盲区探测,在总体设计中,除最大作用距离、视场倾角、视场宽度、抗干扰性能等主要技术指标外,从高效引战配合角度还应关注弹目距离Rmt及其误差Re、引信启动角φa及其误差φe、脱靶方位θ及其误差θe、目标类型识别能力等。
2.1 弹目距离
弹目距离Rmt可用于调整式(1)中脱靶量ρ对引战延时的影响,显然Re越小越好,文中主要讨论Rmt的影响。
由
2.2 引信启动角
引信视场倾角和战斗部破片静态飞散角的设计主要考虑适应弹目相对速度变化,以使防空导弹在弹目遭遇段及时探测目标,并在识别确认后控制战斗部起爆毁伤目标。为了确保引信探测识别的准确性和可靠性,引信启动角φa一般大于视场倾角φf,也就是存在引信固有延时。
激光引信相比于无线电引信而言,视场宽度更小且几乎无旁瓣,引信启动角误差φe也即引信启动区散布明显更小,在引战配合规律确定后,各种弹目交会条件下都能控制战斗部破片更高概率地命中目标易损部位。相反地,战斗部破片就会偏离目标易损部位,引信启动角误差越大,偏离越大,毁伤效果也就越差。
2.3 脱靶方位
周视多通道激光引信综合判断各探测通道回波信号的有无即可识别目标脱靶方位,通道数越多,误差也就越小,通过采用线阵探测器多元回波信号比幅方法可将脱靶方位识别误差减小至10°以内,有利于精确控制战斗部起爆方位,也为非平行交会条件下的最佳引战延时实现提供了可能。
2.4 目标类型
当前防空导弹**系统需要对付的目标种类越来越多,大型目标如轰炸机、预警机、加油机等,中型目标如战斗机、高空无人机、直升机等,小型目标如各类导弹、炸弹、小无人机等。这些目标在外形尺寸、运动特性和雷达散射特性等方面存在较大差异,但又有所交叉,比如隐身战斗机F-22的RCS仅为0.01 m2左右,比普通导弹类目标还小。虽然防空导弹**系统通过各类探测手段可以获得入侵目标的高度、速度、加速度、运动轨迹等参数并通过信息融合对目标进行分类,但在复杂环境下的准确度难以保证。
因为目标类型对引战配合设计的影响非常重要,所以基于多源信息融合的识别策略不断发展[12]。在周视激光探测体制中,各类空中目标和烟雾、雨、雪等干扰在形态、体积等方面存在较大差异,其形成的回波信号特征也有所不同。如反舰导弹类目标为细长型,只能进入一两个探测通道;直升机和固定翼飞机类目标尺寸较大,同时能进入3个以上探测通道;烟雾、雨、雪等悬浮颗粒物为弥漫型,最多能同时进入所有探测通道。激光引信据此可以设计目标类型识别准则,不仅能够剔除部分干扰,还能在**系统的基础上提高识别准确率[13],继而针对不同目标类型优化设计引战配合规律,提升防空导弹的整体作战性能。
3 周视激光引信引战配合设计及仿真
3.1 引战系统总体方案
一种八通道激光引信如
3.2 引战配合仿真计算
选取10条典型弹道条件(如
表 1. 典型交会条件的仿真参数
Table 1. Typical encounter parameters for simulation
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经统计,引入激光引信测得的弹目距离信息可使单发杀伤概率提高2.4%~10.2%,引入激光引信测得的脱靶方位可使单发杀伤概率提高2.1%~5.8%。若系统将BGM-109误判为飞机类目标,将导致单发杀伤概率降至0左右;若系统将F-22误判为导弹类目标,将导致单发杀伤概率下降50%左右。而辅以激光引信目标识别算法,或应用成像激光引信技术则可进一步降低误判概率。
4 结 论
防空导弹因其对目标的无盲区探测和抗复杂电磁干扰的需求牵引了周视多通道激光引信的发展,文中在分析激光引信对引战配合设计影响的基础上设计了一种引战系统总体方案,通过典型弹道条件的引战配合仿真计算,对比了有无激光引信探测信息条件下的单发杀伤概率,实现了对目标的高效毁伤。由于常见的激光引信并无弹目相对速度测量功能,还无法实现早晚到的判别,但在应用相干探测体制或与多普勒体制无线电引信复合等技术手段后可进一步提高引战配合效率,具备更广阔的应用前景。
[3] 董康生, Dong Kangsheng, 曹林平, Cao Linping, 韩统, Han Tong. Application research on laser imaging fuze in air-to-air missiles[J]. Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition), 2013, 14(2): 42-46.
[7] 任宏光, Ren Hongguang, Yu Haishan, 于海山, 霍力君, Huo Lijun. Anti-interference of dual- wavelength laser fuze[J]. Journal of Detection & Control, 2015, 37(1): 1-4.
[8] Frederic Schwenger, Endre Repasi. Simulation of laser beam reflection at the sea surface[C] Proc of SPIE, 2011, 8014: 80140R.
[9] 张志鸿, 周申生. 防空导弹引信与战斗部配合效率和战斗部设计[M]. 北京: 中国宇航出版社, 1994: 616.Zhang Zhihong, Zhou Shensheng. Fuze Warhead Codination Efficiency Warhead Design of Air Defense Missile[M]. Beijing: China Astronautic Publishing House, 1994: 616. (in Chinese)
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蔡克荣, 余曜, 高志林, 蒋涛, 申卫民, 高瑞林. 激光引信在防空导弹高效引战配合中的应用研究[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(4): 0403002. Kerong Cai, Yao Yu, Zhilin Gao, Tao Jiang, Weimin Shen, Ruilin Gao. Research on application of laser fuze for efficient fuze-warhead coordination in the air-defense missile[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(4): 0403002.