基于航炮的近距空戰(zhàn)仿真結(jié)束判定方法

吳文海, 張楠, 周思羽, 孔繁峨, 葉希貴

(1.海軍航空工程學(xué)院青島分院 三系, 山東 青島 266041;2.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 洛陽 471009)

基于航炮的近距空戰(zhàn)仿真結(jié)束判定方法

吳文海1,2, 張楠1, 周思羽1, 孔繁峨2, 葉希貴2

(1.海軍航空工程學(xué)院青島分院 三系, 山東 青島 266041;2.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 洛陽 471009)

為改進(jìn)當(dāng)前基于航炮的近距空戰(zhàn)仿真中過于簡化的結(jié)束判定方法,首先分析了航炮攻擊的特點(diǎn)和主要影響因素,然后基于空戰(zhàn)中各個(gè)因素對航炮攻擊的影響分析,構(gòu)建了航炮攻擊效率與影響因素間的關(guān)系函數(shù),提出了一種新的仿真結(jié)束判定方法。在不同空戰(zhàn)想定條件下,對新方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了仿真比較,結(jié)果表明新仿真結(jié)束判定方法準(zhǔn)確、實(shí)用,更能有效檢驗(yàn)機(jī)動(dòng)決策的效果。

近距空戰(zhàn); 航炮; 仿真; 結(jié)束判定方法

引言

按照交戰(zhàn)距離不同,空戰(zhàn)可以分為近距空戰(zhàn)和中遠(yuǎn)距空戰(zhàn)[1-2]。隨著隱形、電子干擾等技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,空戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜,使得依賴于雷達(dá)制導(dǎo)的中遠(yuǎn)距空戰(zhàn)武器受到了很大削弱,空戰(zhàn)將很可能進(jìn)入近距目視格斗階段[3]。航炮是近距空戰(zhàn)中的主要武器之一,已經(jīng)在以往的歷次空戰(zhàn)中展示了它的價(jià)值[4],在可預(yù)見的將來,航炮依然是近距空戰(zhàn)中最具靈活性、可靠性和有效性的武器,具有不可替代的地位和作用[5]?；诤脚诘慕嗫諔?zhàn)仿真是空戰(zhàn)仿真的重要環(huán)節(jié),對未來空戰(zhàn)具有非常重要的意義。

本文系統(tǒng)分析了影響航炮攻擊效率的因素,提出了一種新的基于航炮攻擊區(qū)和戰(zhàn)機(jī)抗毀傷特性的近距空戰(zhàn)結(jié)束判定方法,以改進(jìn)當(dāng)前近距空戰(zhàn)仿真中過于簡化的評估方法。

1 航炮攻擊的特點(diǎn)

航炮作為一種近距格斗性自動(dòng)武器,其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在[6]:沒有最小攻擊距離的限制;不受電子對抗、曳光彈等干擾的影響;不依賴機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)。

使用航炮進(jìn)行攻擊的理想條件為:目標(biāo)機(jī)進(jìn)入航炮射程;載機(jī)和目標(biāo)機(jī)在相同的機(jī)動(dòng)平面;載機(jī)縱軸與目標(biāo)機(jī)速度方向滿足射擊前置角的要求[6]。所以,影響航炮殺傷力的主要因素可以概括為載機(jī)與目標(biāo)機(jī)相對態(tài)勢、雙方機(jī)動(dòng)方式等。需要指出的是:由于單枚彈丸通常不能將目標(biāo)機(jī)擊落,航炮常需要一定時(shí)間的連續(xù)射擊以對目標(biāo)機(jī)造成有效殺傷。射擊時(shí)間長短由單枚彈丸的殺傷效率、航炮的射速、雙方運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和空戰(zhàn)態(tài)勢等決定。

2 研究現(xiàn)狀及分析

目前,基于航炮的近距空戰(zhàn)仿真多采用過于簡化的指標(biāo)作為空戰(zhàn)結(jié)束的判定方法,且難以用于多機(jī)空戰(zhàn)的情形。

文獻(xiàn)[7-8]中構(gòu)造的判定方法為:定義一個(gè)位于載機(jī)前方的錐形區(qū)域,錐頂為載機(jī),并設(shè)置允許開火的誤差限角α、最小距離rmin和最大距離rmax,構(gòu)成“允許開火區(qū)域”,當(dāng)目標(biāo)機(jī)進(jìn)入此區(qū)域,且持續(xù)的時(shí)間達(dá)到設(shè)定的航炮瞄準(zhǔn)時(shí)間,則判定目標(biāo)機(jī)被擊落,如圖1所示。

圖1 航炮允許開火區(qū)域

這種方法判定標(biāo)準(zhǔn)過于粗糙,沒有詳細(xì)分析航炮的使用條件和攻擊特點(diǎn),與空戰(zhàn)實(shí)際差距較大。同時(shí),僅以滿足攻擊條件的時(shí)刻作為判定擊落目標(biāo)機(jī)的條件,不能反映出空戰(zhàn)中雙方的對抗過程。

文獻(xiàn)[9]在上述判定方法基礎(chǔ)上,定義了“準(zhǔn)備攻擊區(qū)域”,如圖2中陰影部分所示。并引入了計(jì)分機(jī)制,當(dāng)目標(biāo)機(jī)位于準(zhǔn)備攻擊區(qū)域和允許開火區(qū)域時(shí),分別按設(shè)定計(jì)分,當(dāng)分值累積達(dá)到預(yù)定值,則判定目標(biāo)機(jī)被擊落。

圖2 航炮準(zhǔn)備攻擊區(qū)域

由于加入了計(jì)分機(jī)制,判定結(jié)果更為合理。但該方法未考慮異面機(jī)動(dòng)等因素對航炮效能的影響,也未考慮航炮安全射擊距離等因素。

3 基于航炮空戰(zhàn)仿真的判定方法

航炮擊落目標(biāo)機(jī)判定方法:定義航炮的殺傷效率D,有效射擊時(shí)間t,目標(biāo)機(jī)的強(qiáng)度S,則滿足以下約束時(shí),判定目標(biāo)機(jī)被擊落:

(1)

3.1 航炮殺傷效率評估模型

航炮的殺傷效率取決于載機(jī)與目標(biāo)機(jī)的相對態(tài)勢、雙方運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。主要的影響因素有:載機(jī)與目標(biāo)機(jī)的距離、速度矢量和機(jī)動(dòng)平面。

3.1.1距離因素對航炮殺傷效率的影響

彈丸射出后,受到自身重力和空氣阻力等因素的影響,其殺傷力和命中精度隨距離的增加而降低。距離因素對航炮殺傷效率的影響可表示為:

(2)

式中,Rmax為航炮最大有效射程;R為載機(jī)與目標(biāo)機(jī)距離;q1∈(0,1),為最大有效射程處的殺傷指數(shù)。

從式(2)可知,當(dāng)R=0時(shí),DR=1;隨著R的增大,DR逐漸減小,當(dāng)R=Rmax時(shí),DR=q1;當(dāng)R>Rmax時(shí),超出航炮的最大有效射程,取DR=0。

3.1.2速度矢量對航炮殺傷效率的影響

空戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)表明,載機(jī)速度矢量與目標(biāo)機(jī)速度矢量夾角θv越小,航炮殺傷效率越高[4],如圖3所示。隨著θv和vD的增大,目標(biāo)機(jī)在載機(jī)彈著點(diǎn)區(qū)域停留時(shí)間變短,瞄準(zhǔn)難度增加,殺傷效率變低。速度矢量對航炮殺傷效率的影響Dvθ表示為:

(3)

式中,φ為航炮校準(zhǔn)精度角,即密集著彈區(qū)域邊緣與航炮軸線的夾角,其由航炮自身精度和技術(shù)人員安裝、校準(zhǔn)水平?jīng)Q定;vD為目標(biāo)機(jī)速度;θv為雙方速度矢量夾角;q2∈(0,1),為兩速度矢量夾角為90°時(shí)的殺傷指數(shù)。

從式(3)可知,當(dāng)θv為0°或180°時(shí),Dvθ=1;隨著θv向90°接近,Dvθ逐漸減小,當(dāng)θv=90°時(shí),Dvθ=q2。

圖3 載機(jī)與目標(biāo)機(jī)的速度夾角

3.1.3機(jī)動(dòng)平面夾角對航炮殺傷效率的影響

機(jī)動(dòng)平面是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi),飛機(jī)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡所處的空間傾斜平面[10]。如果認(rèn)為飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)是無側(cè)滑的,則機(jī)動(dòng)平面是由縱向過載和法向過載確定的平面,即飛機(jī)的對稱平面,飛機(jī)質(zhì)心的速度矢量位于此平面上。其可由飛機(jī)的速度方向與加速度方向確定。

機(jī)動(dòng)平面控制對載機(jī)進(jìn)行瞄準(zhǔn)有重要意義[11],當(dāng)載機(jī)與目標(biāo)機(jī)在同一機(jī)動(dòng)平面,且機(jī)頭指向目標(biāo)機(jī)時(shí),航炮殺傷效率最高;如果雙方不在相同的機(jī)動(dòng)平面,則很難瞄準(zhǔn)和擊中目標(biāo)。如圖4所示,載機(jī)A的速度方向vA和加速度方向aA確定了其機(jī)動(dòng)平面CA;目標(biāo)機(jī)D的速度方向vD和加速度方向aD確定了其機(jī)動(dòng)平面CD。兩平面法向量rA和rD的夾角即為兩平面夾角θc。

θc對航炮殺傷效率的影響Dc表示為:

(4)

式中,q3∈(0,1),為雙方機(jī)動(dòng)平面相互垂直時(shí)的殺傷指數(shù)。

從式(4)可知,當(dāng)θc=0°時(shí),Dc=1;隨著θc的增大,Dc迅速減小,當(dāng)θc=90°時(shí),Dc=q3。

3.1.4載機(jī)航炮的殺傷效率

綜合上文研究結(jié)果,可得航炮的殺傷效率為:

D=DRDvθDcd

(5)

式中,d為載機(jī)在最理想的條件下使用航炮攻擊目標(biāo)機(jī)的殺傷效率。

3.2 目標(biāo)機(jī)強(qiáng)度的確定方法

目標(biāo)機(jī)的強(qiáng)度主要與機(jī)體結(jié)構(gòu)、材料和管線路布局等因素有關(guān)[12]。假定在最理想的攻擊條件下,載機(jī)可以在t0時(shí)間內(nèi)擊落目標(biāo)機(jī),則目標(biāo)機(jī)的強(qiáng)度值S為:

S=dt0

(6)

3.3 開火條件及有效射擊時(shí)間的確定方法

為避免爆炸碎片擊傷載機(jī)或吸入載機(jī)進(jìn)氣道等情況發(fā)生,定義航炮最小射程(最小安全射擊距離)[5]。當(dāng)滿足

Rmin≤R≤Rmax,αa≤φ

(7)

時(shí),才認(rèn)為滿足開火條件,并將持續(xù)滿足開火條件的時(shí)間記為射擊時(shí)間t。式中,Rmin和Rmax分別為航炮的最小及最大射程;αa為視線角;φ為航炮的校準(zhǔn)精度角。

4 算例與仿真分析

本文采用文獻(xiàn)[13]中的空戰(zhàn)對策模型,分別仿真目標(biāo)機(jī)直線運(yùn)動(dòng)、蛇形機(jī)動(dòng)和雙方對策機(jī)動(dòng)三種情形,各初始條件如表1所示。判定方法的參數(shù)取φ=10°,Rmax=1 200 m,Rmin=100 m,q1=0.7,q2=0.5,q3=0.1,t0=0.7 s。

表1 仿真初始條件設(shè)置

分別基于文獻(xiàn)[7-8](方法1)、文獻(xiàn)[9](方法2)和本文的判定方法(方法3)進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5～圖7所示。

仿真結(jié)果表明,當(dāng)目標(biāo)機(jī)不機(jī)動(dòng)或只作簡單機(jī)動(dòng),即航炮的射擊條件較好時(shí),三種判定方法差別不大。但當(dāng)目標(biāo)機(jī)作較為復(fù)雜的機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí),前兩種方法在捕獲目標(biāo)機(jī)的同時(shí)即判定擊落,這與空戰(zhàn)實(shí)際并不符合。而采用本文的判定方法,雙方經(jīng)過一系列激烈纏斗,各進(jìn)行多次射擊,最終載機(jī)將目標(biāo)機(jī)擊落,同時(shí)目標(biāo)機(jī)也對載機(jī)造成了一定程度的損傷。試驗(yàn)編號3中,方法3情況下,載機(jī)向目標(biāo)機(jī)開火2次,總殺傷值為0.71;目標(biāo)機(jī)向載機(jī)開火4次,總殺傷值為0.14,遠(yuǎn)小于載機(jī),這是由于目標(biāo)機(jī)開火時(shí)的殺傷效率遠(yuǎn)低于載機(jī),攻擊多次卻不能造成足夠高的殺傷值,充分體現(xiàn)了航炮的使用特點(diǎn),與空戰(zhàn)實(shí)際一致。

圖5 空戰(zhàn)仿真曲線(目標(biāo)機(jī)勻速直線運(yùn)動(dòng))

圖6 空戰(zhàn)仿真曲線(目標(biāo)機(jī)蛇形機(jī)動(dòng))

圖7 空戰(zhàn)仿真曲線(雙方?jīng)Q策機(jī)動(dòng))

5 多機(jī)近距空戰(zhàn)判定方法

(8)

6 結(jié)束語

空戰(zhàn)結(jié)束判定方法是機(jī)動(dòng)決策研究中的重要一環(huán),對檢驗(yàn)決策的有效性非常重要,但長久以來一直未引起研究者的重視。本文從航炮的使用條件和攻擊特點(diǎn)出發(fā),提出了基于航炮的近距空戰(zhàn)仿真結(jié)束判定方法,并仿真了多種空戰(zhàn)情況,顯示了本文提出的判定方法的合理性和優(yōu)越性。未來還可以繼續(xù)研究q1,q2,q3的取值,使新的判定方法進(jìn)一步完善。

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(編輯：崔立峰)

Researchonmethodofendingjudgmentinthedogfightsimulationusinggun

WU Wen-hai1,2, ZHANG Nan1, ZHOU Si-yu1, KONG Fan-e2, YE Xi-gui2

(1.The Third Department, Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute, Qingdao 266041, China;2.Science and Technology on Electron-Optic Control Laboratory, Luoyang 471009, China)

Aimed at improving the simplified method of ending judgment in the dogfight simulation using gun, this paper analyzed the attack characteristic of the gun and influence factors in close-in air-combat, designed the relationship function of the gun’s efficiency and influence factors based on the analysis for each of them, established a new method of ending judgment, simulated and compared this new method with traditional ones under different air combat background. The results indicate that this new method is more accurate and practical, especially in evaluating the effects of maneuvering.

dogfight; gun; simulation; method of ending judgment

E844

A

1002-0853(2012)06-0569-05

2012-04-01;

2012-08-20; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2012-11-23 14∶02

航空科學(xué)基金資助(20115185004)

吳文海(1962-)，男，江蘇泰興人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫_制導(dǎo)與飛行控制。