小微型巡飞弹设计

小微型巡飞弹设计

小型巡飞弹简介

巡飞子弹药（以下简称“巡飞弹”）是一种以现有武器投放或以火箭助推为初始动力，利用弹体上涡喷发动机为主动力，集战场侦察、监视和攻击于一体的战术武器。巡飞弹的出现标志着现代战争信息化趋势的日益明显，是导弹技术、无人机技术和数据通信技术发展的共同成果。作战中的巡飞弹能够快速进入目标区域并迅速展开巡航侦察监视、战斗毁伤评估、空中无线中继以及攻击目标等单一或多项作战任务。根据巡飞弹的外形特点及主要控制思想可以看出巡飞弹是传统弹药技术与航空技术交叉产生的高新技术武器系统，基本外形与无人机几近相似，但又有区别于无人机，作为当前精确打击类武器家族的新成员，集无人机与子弹药技术于一身。目前最为典型的是美国的攻击型巡飞弹“洛卡斯”（LOCASS），如图1所示。

Low Cost Autonomous Attack System (LOCAAS)

图 1 美国攻击型巡飞弹“洛卡斯”

巡飞弹的结构主要由载荷战斗部、制导装置、动力推进系统、控制装置（含弹翼）、稳定装置等组成。其中涉及到的高新技术包括小型低推力长航时动力技术、充气侧翼技术、信息通讯技术、制导与控制技术以及复合材料技术等。目前可见的巡飞弹形态迥异，一般在弹体中后部都有一对大展弦比的弹翼——折叠式弹翼或充气式弹翼。其主要战术技术性能是：巡飞游弋时间一般在 15 分钟至 12 小时之间，巡航飞行高度一般在 100~1000 m 之间，巡飞弹道段的飞行速度一般在 30~100 sm / 之间，弹体直径一般约为 80~330 mm ，弹身长度约为 0.5~1.5 m。

巡飞弹是先进无人机技术，常规弹药技术与巡航导弹技术相融合的产物，有许多优越之处。它可以像常规弹药一样，发射或投放方式多样，准备时间短，突防能力强，战术使用灵活；也可以像无人机一样，在击毁目标之前能够在目标上空进行自主巡航，侦察监视等作战任务；与巡航导航相比，巡飞弹的成本低廉，效费比高。正是基于这些优点，目前主流巡飞弹采用管式发射或子弹药形式投放，达到预订的飞行状态时实现“弹—机”转换，启动飞行动力和控制系统，在作战区域上空以类无人机形态巡航飞行，执行侦查等作战任务。

目前，巡飞弹的分类方式多种多样。如果按照作战功能来划分，巡飞弹可分侦察型、攻击型和电子战型等多种。侦察型巡飞弹装配昼/夜光电传感器等高性能侦察设备、数据通信设备，在目标上空执行战场侦察监视、支援、毁伤效果评估等任务；攻击型巡飞弹兼备侦察与攻击的双重功能，主要增加装配战斗部，在弹目交会的最佳时机对目标进行“巧妙”的精确打击；电子战型巡飞弹主要执行电子干扰或数据中继等作战任务。

小型巡飞弹的特点

根据巡飞弹的设计要求和战术特点，巡飞弹是一种能够在作战目标区上方进行“巡航飞行”、“自主攻击”等多种作战任务的弹药。这种新型弹药有机结合了无人机技术和传统弹药技术。因此，小型巡飞弹的主要特点具有无人机和导弹两面的特性。总的来说巡飞弹有两个突出的特点：一是很强的突防能力，发射阶段火炮或者母弹使巡飞弹具有很快的飞行速度，可以快速地进入目标区域，被拦截或者击毁的概率大大低于普通无人机；二是在目标区域内很长时间的滞空能力，巡航时可进行侦察等作战任务，比普通导弹更为有效地对付“时间-敏感”目标。

当巡飞弹经投放至目标区域进行巡航时，其无人机特性表现为巡飞弹的主要特点。其气动外形和控制系统与小型高速无人机非常相似。本课题主要研究样例巡飞弹在“巡飞游弋”阶段的动力学建模以及飞行控制系统设计。下面内容主要将巡飞弹的主要特性进行重点阐述。

1）体积小，姿态传感器配置的限制

按照控制方式的不同无人机分成遥控式、半自主式和自主式或者三者兼备四种。自主式无人机是无人机控制研究的重点，要实现飞行器的自动驾驶，能够实时测量飞行器在飞行过程中的各种参数的机载传感器是必不可少的。机械式的垂直陀螺是目前常用的一种测量飞行姿态的传感器，通过它可以获取高品质、高精度的无人机姿态角信号。巡飞弹等小型飞行器具备机体体积和机载能量较小、成本低的特点，而传统机械式垂直陀螺质量和体积相对较大、能耗较高，因此限制了其应用在巡飞弹及小型无人飞行器上。并且垂直陀螺的价格非常昂贵，同样也不适合应用在巡飞弹上。随着微电子技术的发展，目前科研人员研究开发出一种基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技术的姿态传感器用来测量无人机的姿态信号，解决了机械式垂直陀螺无法应用在巡飞弹等小型飞行器上的问题。基于 MEMS 技术的姿态传感器通常质量轻、体积小而且功耗很低，因此使得体积和功耗微小的姿态传感器应用在小型飞行器上。但是基于 MEMS 技术的姿态传感器在动态应用时解算算法复杂，测量系统的实时性很差。所测量的姿态角信号品质不好精度相对较低甚至有时会出现“毛刺”，并且在长时间使用的情况下会出现信号漂移和积累误差等缺陷，因此无法应用于对姿态信号可靠性要求较高的飞行控制系统中。同样基于 MEMS 技术的姿态传感器也不能使用在巡飞弹等小型飞行器上。

2）具有细长的气动外形，横侧向转动惯量小

导弹的气动力面包括翼面（主升力面）和舵面。翼面的配置有面对称配置和轴对称配置两种。根据翼面和舵面在弹身上的不同安装位置，战术导弹典型的气动布局有三种形式，如图2所示。