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南京航空航天大学硕士学位论文武装直升机发射空空导弹综合火力飞

归档日期:07-08       文本归类:火力控制点      文章编辑:爱尚语录

  南京航空航天大学硕士学位论文武装直升机发射空空导弹综合火力飞行控制系统的设计与仿真姓名 丁冀平申请学位级别 硕士专业 模式识别与智能系统指导教师 姜长生20000301南京航空航天人学硕十学位论文摘要本文主要研究了空空导弹综合火力 飞行控制系统的没计、仿真和真现的问题 重点对空空导弹离轴发射方式下的

  南京航空航天大学硕士学位论文武装直升机发射空空导弹综合火力飞行控制系统的设计与仿真姓名 丁冀平申请学位级别 硕士专业 模式识别与智能系统指导教师 姜长生20000301南京航空航天人学硕十学位论文摘要本文主要研究了空空导弹综合火力 飞行控制系统的没计、仿真和真现的问题 重点对空空导弹离轴发射方式下的火控模型、“火 飞”耦台器、导弹的制导律的设计和 语言仿真平台的建立等进行了探讨。首先对被控对象之一的直升机模型的特性进行了简单介绍 建立了六自由度线性 动耦合运动方程护 接着 分析了在直升机上实现 对于飞控系统的要求 用经典 方法进行了设计 并与现有的增稳系统 相比较 同时还对另一被控对象——导弹的模型特性进行了 。。分析建立了导弹的非线性运动方程。 其次 建立了空空导弹离轴发射方式下的火控解算模型 运用 和神经网络方法进行了“火 飞”耦合器的设计 侗时还对导弹的制导律进行了分析和设计 得出了比例导引律设计的一般性结论。 再次我们以某型直升机和空空导弹为例 对所设计的 系统进行了数字仿真。『仿真结果表明 本文所设计的 系统是可行的。 ’最后 本文还根据课题的要求 运用 语言建立的空空导弹攻击系统的仿真平台 并实现了其中的部分功能。关键词综合火力 飞行控制系统 空空导弹 火控模型 离轴发射 比例导引 导弹发射包线 飞”耦合器仿真平台武装商升机空空导弹综合火力厂 行系统的设计与仿真 南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论本课题的选题背景及依据 武装直升机是装备有机载武器系统用于对地攻击、火力支援、空中格斗、侦察和护航的一种专用直升机。在现代战争中 武装直升机发挥着巨大的威力和不可替代的作用 这一点可以在越南战争 、阿富汗战争 年北约对南联盟军事打击中所取得的优异的作战能力中得以充分证实尤其是海湾战争是显示武装直升机在现代空地…体化战争中起着十分重要作用的 场战争 在此次战争中 武皱直升机起了很重要的作用 引起了各幽决策机构的霆视。随着现代军事技术的迅猛发展 现代战争已经发展成为空地一体化的战争 能否夺取最低层空间的制空权是保持地面部队机动的关键 也是决定地而战斗胜负的关键。武装直升机出于其具有活动范围大、不受地形地物的限制等特点 因此只要配备先进和强大的火力系统 则不仅能快速、准确地消灭地面的同标 而且还可以与敌方的武装直升机或固定翼飞机相对抗 是夺取超低空控制权最重要的武器系统 有着其它航空飞行器所无可替代的优越性。为此 武装直升机的导弹攻击控制系统的研究倍受关注 竞争十分激烈。目前列直升机空战的认识主要是 钱是直升机的一项使命但还不是主要使命 所有的武装直于 机在执行任何使命中都应该随时准备投入空战。在这种战术思想指导下 要求以执行对地攻击为主要任务的武装直升机还必须同时兼顺有空战能力 这也是当前武装直升机发展的一个重要趋势。同时直升机的空战往往是一种遭遇战 碰到就打、打了就跑。完全不同于固定翼飞机咬住不放、穷追到底的缠绕战。凶此 对武装直升机尤其是要具有空战能力的武装直升机来说 机动’睫、灵活性足两项非常重要的指标。机动性、灵活性高的直升机可以充分利用贴地飞行隐蔽自己 利用机动飞行躲避敌方的攻击 同时能迅速地捕获目标 尽快地占据最有利的攻击位置 从而提高武装直升机的生存率和攻击力。现代立体战争中 武装直升机与普通战斗机发生遭遇战的可能性极大 直升机的飞行速度比战斗机慢得多 这是直升机的弱点 但是武装直升机的机动灵活性优势使它足以与普通战斗机相抗衡。武装直升机的活动范围主要在低空 低空战斗的性质决定了直升机对普通飞机的优势。在地形复杂地带 直升机可以采用『贴地飞行滞地表穿插于树木之间 从而降低被探测到的可能性 同时也提高了自己攻击的突然性 而普通飞机则不具有这些特点。另外 直升机在低速范围内具有良好的转弯能力 在转弯速率相同的时 直升机的转弯半径比普通飞机小得多。与敌机相遇时 面武装直升机发射空空导弹综合火力飞行控制系统的设计与仿真直升机还具有良好的减速性能 在遇敌方飞机相遇时 直升机可以尽快减速转弯、调头获得机动优势 先敌进行瞄准设计或规避逃跑。武装直升机高度的机动灵活性再加上先进的航空电子综合系统、适当的武器配置和特有的隐身性能 这些所有的一切为直升机在未来的空战中必将占据非常重要的地位 起着决定性的作用。另据报道 美国最先进的 均装有对地和空空导弹攻击控制系统并利用电传操纵系统实现系统的控制。它可以利用头盔瞄准具瞄准目标。当瞄准目标时 机上各种武器均可对目标实旋突然袭击 大大提高了攻击的快速性和准确性。俄罗斯智能型多用途直升机卡一 不仅自身有优良的机动性、武器和自防卫能力 而且具有多机协调、指挥、管理能力 能迅速搜索、识别目标 指挥整个机群实现对敌攻击 攻击的快速性和准确性同样很高。我国武装直升机的研制直到 年代处才开始刚刚起步 同时由于当时我国还没有数字式电传操纵控制增稳系统 仅能从原理上进行初步的研究 因而整体研究水平相对落后 而目前我国在武装直升机的导弹攻击控制系统方面的研究更是鲜有报道。因此在这样的背景下进行武装直升机导弹攻击系统的研究是有其现实意义和巨大的应用价值的。今后武装直升机的发展方向是综合化、智能化 我们只有紧紧跟踪国际先进技术 才能缩短同先进国家之间的差距。 技术的发展概况 综合火力飞行控制 是美国七十年代中期开始提出的一个航空火力控制新概念 其基本思想是通过火 飞耦合控制器把火控系统与飞控系统综合为一个闭环的自动化的武器投放系统。该系统用火控系统输出的瞄准偏差自动或半自动地操纵飞控系统 代替或辅助驾驶员操纵飞机 从而控制飞机的航迹与姿态 不但能实施精确的控制 而且能把驾驶员从繁重的工作负担中解放出来 集中精力注重关键的空战决策工作 从而提高攻击机的战斗力和生存力。美国在综合火力 飞行控制技术方面 一直走在世界各国的前面 已先后实施了原理研究、工程模拟研究和在火 飞实际条件下验证 概念的可行性研究计划 先后在 飞机上进行了试飞验证随着第四代高性能作战飞机的发展 武器火力控制系统与飞行控制系统的综合技术日趋成熟 使得瞄准攻击过程进入自动化 人工智能专家系统开始应用于火力控制过程和飞行操纵。美国对 的研究 可以分成以下几个主要的研究阶段 研究计划研究计划 研究计划 研究计划第 页南京航空航天大学硕士学位论文 研究计划我国的 研究工作于八十年代开始了原理研究 探索了各种可能的设计方法。从八十年代末开始了自动化攻击系统原理研究、综合飞行武器控制原理研究 九十年代初进行了角速度轰炸系统原理研究。这些研究设计飞机、飞行控制系统 包括目标探测技术和各种武器弹道处理技术 涉及的内容相当广。但是这些研究离实战应用尚有一定的差距。 本课题的国内外发展概况美国的武装直升机计划源于 年代的越南战争 在最初的几项综合控制计划中都没有对空空导弹攻击模态进行研究 仅在综合飞行 武器投放计划中才考虑了制导武器一导弹的发射。过去对空空导弹攻击的研究仅限于计算导弹的允许发射区域问题 攻击的瞄准操纵过程由飞行员来完成。但是 导弹的攻击与机炮的攻击一样 也存在占位时间、瞄准时间的要求 如果由飞行员的操纵来完成攻击瞄准 则将大大地影响攻击机的作战效能。因此 将导弹攻击的瞄准、发射实现自动化或半自动化的工作具有十分重要的意义。武装直升机作为一种装备有机载武器系统的专用直升机 可以进行对地攻击、火力支援、空空格斗、侦察护航、战地救护、反潜扫雷等任务 在现代战争中 武装直升机发挥着巨大的威力 己成为现代战争必不可少的装备。随着制导、电子技术日益成熟 导弹的命中率越来越高 现代空战中 它已代替其它机载武器 成为了空战中的主要武器 相信在 世纪这一数字化战场上导弹发挥的作用会越来越大。由于直升机的固有特点 具有比固定翼飞机更为复杂的气动特性使直升机的动特性不稳定 特别是低速飞行和悬停时尤为明显 这使其对电子反馈的依赖性比固定翼飞机更高 另直升机是依靠旋转翼产生升力、推进力和操纵力 这使它能具有一系列的特殊的飞行状态 例如 悬停、垂直起落、自旋等 另为适应现代战争的要求 应对直升机的发射空空导弹的原理及直升机空空导弹的火控系统进行研究 以提高直升机的飞行性能 作战能力及生存能力 为未来武装直升机及空空导弹的研制、发展奠定基础 提供发展方向。国外的武装直升机空空导弹攻击系统研究趋势有 、直升机的保形外挂技术 高密度内挂技术 保形外挂技术是使其机身外表面相切或半埋的悬挂法 而高密度内挂技术是为适应新出现的隐身飞机内挂技术的要求而提出的 它可以有效的利用武器舱的容积 增大载弹量。其关键技术有 机身相切 半埋外挂和武器舱高密度内挂技术 舱内旋转 外伸挂架 模式化发射 弹射多功能挂架 高效无污染弹射能源 切梢晰叠弹翼气动外型布局武器 无弹翼尾部控制扁平弹体 武器 载机安全分离技术等 页武装直升机发射空空导弹综合火力飞行控制系统的设计与仿真 、先进的悬挂物管理系统技术 系统的前身是早期独立工作的机电式射击控制盒和电动投弹器 现在 悬挂物管理系统已丛模拟型变成了数模混合型 现正向数字型发展。关键技术有 使挂点接口、飞机接口、人机接口及其标准化 悬挂物管理处理器及其计算机语言和软件 悬挂物的管理和控制。 、发展新一代近距离格斗的空空导弹技术 近距离格斗的空空导弹已经历了三代的发展 现已进入第四代。其关键技术有 推力矢量控制 抗红外干扰 定向引爆 越肩发射等。。、超视距发射后不管的空空导弹技术 它是在 年代初问世的波束制导、尾部攻击的空空导弹的基础上发展起来的 年代末出现了脉冲多普勒体制雷达末制导与中段指令复合制导 具有视距发射后不管和多目标攻击能力的新型导弹 其关键技术有 先进的隐身气动外型技术 智能引爆技术和大威力战斗部 智能干扰技术等。 、智能化系统的应用 现代控制理论、计算机科学、微电子技术、人工智能的发展 使控制理论向更高层次一一智能控制发展 智能控制已进入广泛的理论研究和应用领域 在航空领域的应用有 飞行员助手系统 话音控制 为飞行员提供新的人机接口 使作战飞机按飞行员的命令作好战斗准备 转入作战状态并控制武器的投放 神经网络及专家系统的应用 在作战飞机上用于目标跟踪 作战态势平定及作战方案的拟定 自动机动攻击等。对于空空导弹攻击而言 一般应控制攻击机的占位和机身指向 这里仅讨论控制飞机的机身的指向即瞄准问题 同时计算导弹的发射条件。整个系统的工作原理为 电跟踪器和提供攻击机雷达给出的测量信息通过目标状态估计器给出目标的运动的精确估值 攻击机自身的传感器提供攻击机的状态信息 它们输入给火力控制系统 火控系统解算出瞄准偏差信息送给火力 飞行耦合器 飞耦合控制器产生的控制指令送至飞行控制系统飞行控制系统产生操纵指令 操纵飞机机动 完成对目标的瞄准。同时国外关于直升机综合火力 飞行控制系统的研究最早出现于 的直升机的综合控制系统中。但是大多数在考虑空空导弹攻击系统时通常都只限于计算导弹的允许发射包线的问题 至于其中的瞄准过程则全部由飞行员来操纵完成。随着导弹在现代空战中地位的重要性 导弹攻击的综合火力 飞行控制 问题显得十分有重要意义。 本课题的研究目的和内容本课题既属于预研性课题 主要为发展我国的武装直升机导弹攻击系统和 系统进行原理性研究 以便能为我国的武装直升机的发展尽自己的弥薄之力。同时本课题又是一个工程应用性很强的课题 尤其在仿真平台的建立上、控制律和控制第 页南京航空航天大学硕士学位论文算法的选择上十分强调工程实现方面的要求。总的说来 本课题的研究主要包括理论研究和工程实现两个方面 大致又可以细化为以下几个方面的工作 分析和讨论了武装直升机飞行控制系统的特点和性能要求 建立了基于直升机的小扰动线性方程 同时用 控制方式进行了纵向和横向飞行控制系统的设计 并进行了仿真 直升机空空导弹模型进行了研究与仿真。这一部分主要分析了现代武装直升机空空导弹的模型、飞控系统以及其操纵特性和稳定特性 结合国内外武装直升机的发展现状 对直升机挂载、发射空空导弹技术及空空导弹系统的最新动态进行了分析 对武装直升机导弹 系统的原理进行了研究 建立了武装直升机空空导弹的火控解算模型、设计了“火 飞”耦合器和火控系统 并对其中的典型空战攻击状态进行了 空空攻击仿真根据课题的要求 需采用 语言建立武装直升机空空导弹攻击系统的仿真平台。因此 在课题研究过程中 首先对整个仿真系统进行了分析 完成了仿真平台总体设计 对系统的功能模块进行了划分 并运用 语言实现了其中的直升机模型仿真、飞行控制系统仿真等模块。 本课题的创新点本课题主要针对武装直升机空空导弹攻击系统的原理和仿真进行了研究 并在此基础上对基于网络的多机实时仿真平台的设计进行了初步的研究和设计。归纳起来 本课题的创新点主要有以下几个方面 对于武装直升机的空空导弹火控系统的研究目前国内尚无这方面的研究报道 因此这势必成为本课题的一个最大的创新点。 建立了导弹的前置离轴发射和后置离轴发射的火控解算模型。提出了对于离轴发射导弹攻击的综合火力 飞行控制 系统的设计方法 并通过仿真验证了所设计的系统。 传统的仿真都是基于 的仿真 这必将会阻碍多机仿真的实现 在本课题的研究过程中 提出了基于网络多机仿真的 语言仿真平台的构想 并进行了初步的研究和实现。第 页武装直升机发射空空导弹综合火力 飞行控制系统的设计与仿真第二章与直升机空空导弹攻击系统相关模型的研究【摘要】本章首先介绍了课题中所涉及到的几种常用坐标系以及它们之间的转换关系 然后针对某型武装直升机建立了六自由度小扰动耦合线性运动方程 并对直升机的操纵性和稳定性进行了仿真 结果表明 未加控制系统的直升机稳定性较差 即使加装了增稳系统 也不能满足先进武装直升机孚弹攻击系统对直升机的性能要求 因此必须设计飞控系统。同时 本章还对武装直升机空战中所用导弹的模型及特性进行了分析。 几种常用坐标系及其相互转换关系研究航空火力控制问题 必须要研究目标直升机、导弹、攻击直升机的相对运动 为此就得选定适当的坐标系。至于选择何种坐标系则要根据具体的航空火力控制问题的实质和特点来确定 以便使得火力控制问题能得以简化。这里将要介绍与直升机及其火控系统相关的常用坐标系 本文所介绍的坐标系是基于英美坐标系的 常用坐标系定义、地球坐标系 坐标系的原点 取在地心上 轴沿地轴指向地球北极 。轴在地球赤道面内按右手定则确定其方向 该坐标系与地球相固连随地球自转。如果忽略地球自转的影响 地球坐标系的三轴均指向惯性空间不变方向 可以近似地看成是惯性坐标系。 、地理坐标系 。坐标系的原点 。选在地球表面上或大气层中的某一点上 在航空火力控制问题中 通常是选在瞄准投射瞬间攻击直升机质心上 五轴指向地心 轴沿该点的切线指向北向 按右手定则确定 。轴沿该点纬线的切线指向东向 此坐标系称为该点的“北、东、地”地理坐标系。地理坐标系的 。轴就是地垂线 。平面就是该处的子午面。该坐标系是测量飞机姿态和航向的基准坐标系。地理坐标系也随地球自转当忽略地球自转的影响 可以近似看作是惯性坐标系。 、绝对坐标系 空气坐标系 。这是研究航空射击火力控制问题常用的一种坐标系。该坐标系与空气固连 随风而动 它可以比拟为固连与自由气球上的坐标系。坐标系的原点 。取在瞄准射击瞬间发射点处的空气团上 。轴指向地心 轴则处在和。轴相垂直的水平面上 其方向用右手定则确定。绝对坐标系与空气固连 而与攻击直升机运第 页南京航空航天大学硕士学位论文动无关。空对空射击时 目标、导弹、攻击直升机相对于空气的运动速度都可以在此坐标系中直接测量 因此称它为绝对坐标系。 、相对坐标系 平移坐标系 相对坐标系是研究航空射击火力控制问题最常用的一种坐标系。这一坐标系比较抽象瞄准射击瞬间它与绝对坐标系相互重合 但它并不与空气相固连 而是以射击瞬间攻击直升机的速度矢量 相对与绝对坐标系等速直线平移。不论攻击直升机在射击之后如何机动运动 如何变化 相对坐标系 。的三轴线始终与绝对坐标系 。三轴线保持平行 且与攻击直升机的姿态、运动无关。 、飞机坐标系 飞机坐标系又称飞机机体坐标系。由于导弹是从飞机上发射的 因此攻击直升机的机体坐标系常成为解算航空火力控制问题、测量运动参数的基准坐标系。原点 取在攻击直升机质心上 轴沿飞机纵轴指向飞机飞行方向 轴在飞机对称面内 由座舱盖指向座椅方向 轴用右手定则确定 指向飞机右侧机翼。 、飞机速度坐标系 。简称速度坐标系 坐标系原点 。取在飞机质心上 。轴为攻击直升机速度 。方向。以飞机坐标系为基准坐标系 采用 、瞄准线坐标系。和跟踪线坐标系 。瞄准坐标系 。坐标原点 。取在瞄准线上即取在目标线、目标距离矢量 。方向上 瞄准坐标系以飞机坐标系为基准坐标系 采用 其中。为目标方位角 。为目标俯仰角。考虑跟踪误差时 引出跟踪线坐标系 。。坐标原点 。轴取在跟踪线上跟踪线坐标系以飞机坐标系为基准坐标系 采用 方式转过角度 盹。其中 为跟踪方位角 。为跟踪线俯仰角。 。又称为光环方位角、光环俯仰角。、武器线坐标系 。武器坐标系的坐标原点 。取在投射点上 。轴与武器轴线一致 即是弹丸相对初速矢量 。方向一致。 、雷达坐标系 。雷达坐标系坐标原点 。取在天线的发射中心上 。轴沿天线轴方向。雷达坐标系 。以飞机坐标系为基准坐标系 采用 方式转过瓯角度以为天线安装角。 、平显坐标系

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