脉冲发动机提供控制力的火箭弹弹道修正理论及技术研究

论文摘要

在地面、海上和空中火力对抗与支援作战中,火箭炮起主要作用。它是我军压制兵器的主装备。随着向远程和超远程方向发展,必须解决火箭弹落点散布大的缺陷。为解决此问题,简易控制实现弹道修正理论及技术应运而生。本论文主要研究利用脉冲发动机提供的控制力,对火箭弹弹道进行修正的方法,达到火箭炮攻击目标快、准的目的。文中,在对火箭弹弹道修正方案分析前提下,首次提出落点预测制导律（IPFGL）,并用该制导律实现火箭弹的弹道修正。文中,根据弹道修正方案,确定了脉冲发动机安装位置和配置参数,给出脉冲控制力及力矩计算的简化模型,建立了火箭弹飞行弹道动力学模型。该动力学模型是由13个非线性微分方程组成的方程组。为了低成本、抗干扰的目标,本文首次提出在火箭弹上采用三分量磁强计和单轴微机械滚转陀螺组成的磁-惯性姿态探测系统。对该系统的工作过程进行了深入分析,建立了弹体飞行姿态解算数学模型,给出了姿态算法仿真流程图。仿真结果表明,姿态解算算法能够满足测量精度要求。对弹道动力学模型,用本文提出的落点预测制导律和Thanat Jitpraphai,BradleyBurchett等人提出的弹道航迹制导律（TT）及抛物线比例导航制导律（PAPNG）进行弹道修正效能对比。结果表明,落点预测制导律在纵向（射向）和横向两个方向上弹道修正效果明显优于其它两种制导律。在落点预测制导律中,首次提出建立目标坐标系,并利用目标坐标系求取落点偏差矢量。以某火箭弹为仿真计算模型,采用四阶Runge-Kutta法,一条弹道平均解算时间为2s,不能满足弹道修正系统快速性要求。为此,本文对动力学模型进行了合理的线性化并仿真,其结果与非线性化模型仿真结果进行对比分析表明,计算误差在小于0.1%情况下,一条弹道解算时间减少1倍。本文首次提出单个脉冲发动机修正能力函数（ABI）的概念,变量为火箭弹质心到目标点距离X,和脉冲控制力Fj。根据ABI和仿真实验,得到修正能力决策表,最后给出脉冲发动机最佳配置参数。综上所述,理论分析与仿真实验表明,本文提出的利用脉冲发动机提供控制力实现火箭弹弹道修正方法具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表目录
• 符号及缩略语表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及选题意义
• 1.2 弹道修正技术概述
• 1.3 利用脉冲发动机实现弹道修正技术的国内外研究现状
• 1.4 弹道修正执行机构研究现状
• 1.4.1 弹道修正弹发展的必要性及趋势
• 1.4.2 研究现状
• 1.4.3 四种控制执行机构分析与展望
• 1.5 姿态探测技术研究现状
• 1.5.1 惯性导航（INS）技术
• 1.5.2 卫星导航技术
• 1.5.3 地磁角测量技术
• 1.5.4 太阳方位角测量技术
• 1.5.5 无陀螺姿态测量技术
• 1.5.6 地磁传感器/微惯性器件（MIMU）组合定姿态
• 1.6 本文的研究内容及其主要创新点
• 2 弹道修正系统组成及工作原理
• 2.1 系统的组成
• 2.1.1 磁—惯性姿态探测
• 2.1.2 有控弹道实时解算单元
• 2.1.3 飞行弹体姿态解算单元
• 2.1.4 脉冲发动机点火控制单元
• 2.1.5 执行机构
• 2.1.6 弹载计算机
• 2.2 系统工作原理
• 2.3 小结
• 3 弹道修正动力学建模
• 3.1 模型中主要坐标系及控制力简化
• 3.1.1 坐标系
• 3.1.2 坐标系间的关系及其转换
• 3.1.3 几个角度之间的关系
• 3.1.4 控制力简化
• 3.2 弹道修正动力学模型
• 3.2.1 控制力计算及其转换
• 3.2.2 各力及力矩矢量的投影
• 3.2.3 有控制力的弹体飞行动力学模型
• 3.3 小结
• 4 磁—惯性姿态探测技术
• 4.1 概述
• 4.2 磁—惯性姿态探测系统基本组成及工作原理
• 4.2.1 基本组成
• 4.2.2 系统工作原理
• 4.2.3 地磁场数据获取方法
• 4.3 姿态解算数学建模
• 4.3.1 描述飞行体姿态的常用坐标系
• 4.3.2 数学模型
• 4.4 仿真与结果分析
• 4.4.1 仿真模型说明
• 4.4.2 仿真结果分析
• 4.5 小结
• 5 用落点预测制导律实现火箭弹弹道修正的理论与技术研究
• 5.1 主要影响射击精度的因素分析及仿真实验条件
• 5.1.1 影响射击精度的主要因素
• 5.1.2 弹道仿真实验条件
• 5.1.3 弹道仿真步骤
• 5.2 用弹道航迹制导律（TT）的弹道修正控制方案
• 5.2.1 基本原理
• 5.2.2 偏差矢量（e|-）的获取方法
• 5.3 用抛物线比例导航制导律（PAPNG）的弹道修正控制方案
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 偏差矢量（A|-）的获取方法
• 5.4 脉冲发动机点火控制逻辑
• 5.5 TT和 PAPNG两种制导律修正效能仿真对比分析
• 5.5.1 TT制导律修正效能仿真分析
• 5.5.2 PAPNG制导律修正效能仿真分析
• 5.5.3 TT制导律与PAPNG制导律修正效能对比分析
• 5.6 用落点预测制导律（IPFGL）的弹道修正控制方案
• 5.6.1 概述
• 5.6.2 基本原理
• 5.6.3 偏差矢量（E|-）的获取方法
• 5.6.4 修正能力决策表
• 5.6.5 脉冲发动机点火条件
• w的确定及意义'>5.6.6 s_w的确定及意义
• 5.6.7 仿真计算与修正效能分析
• 5.7 三种制导律（TT、PAPNG、IPFGL）下射击精度对比分析
• 5.7.1 概述
• 5.7.2 射击精度比较和分析
• 5.8 落点预测制导律工程实用的研究
• 5.8.1 落点预测制导律解算实时性分析
• 5.8.2 有控六自由度非线性弹道方程组的线性化
• 5.9 脉冲发动机最优配置参数确定
• 5.10 小结
• 6 弹载计算机原理样机设计
• 6.1 弹载计算机组成及工作原理
• 6.2 弹载计算机需求分析
• 6.3 核心器件的选择
• 6.4 弹载计算机关键硬件设计
• 6.5 弹载计算机监控程序设计
• 6.6 小结
• 7 结论
• 7.1 论文的主要工作及创新点
• 7.2 对下一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录