制导弹药数字化仿真平台设计

制导弹药数字化仿真平台设计

庞振东  ,薛海光,  ,李永平  ,武鑫 , ,姜新元 ,李想

黑龙江北方工具有限公司

摘要：随着社会经济快速发展，目前国内外学者对视景仿真技术的研究已经在很多方面得到了应用，比如制导武器的飞行仿真、作战使用等。但其多采用的方法是数值仿真、半实物仿真和试验仿真，并不能直观、高效地将原理或数据呈现出来。如果能够在视景仿真的基础上，建立一种把原理、数据、仿真结果等功能实时展现出来的仿真平台，就可以给制导武器的仿真、研发提供一个更为有用的研究方案。

关键词：制导弹药；数字化；仿真平台；设计

引言

制导弹药设计、制造完成后，需要在靶场进行大量的现场试验，但由于现场试验数量和试验环境等条件的限制，有可能得不到准确的试验数据，从而导致制导弹药的研制周期延长、研制费用增长。目前，伴随着计算机技术的迅猛发展，数字化设计、数字化仿真技术日渐趋于成熟，将其应用于制导弹药工程领域可以有效地解决上述问题。对此，本课题在弹药学、弹道学的基础上，开发了一种适用于多种弹药的数字化仿真平台，该仿真平台可以对制导弹药的全过程飞行进行仿真。

1仿真过程优化加速处理

1.1弹目模型简化

在炮弹模型的建模过程中，本文首先根据模型的外形精细度来调整构成模型的三角形面片的数目与大小。然后对构成模型的三角形数据进行合并简化，这个过程主要针对弹身等位置，合并这一部分共面的三角形面片，减少模型的顶点数与三角形的数量，从而缩短了模型的绘制时间，加快了图形生成速度。

1.2模板缓存技术

模板缓存技术主要是基于普通图像帧即为单幅图像的本质，且根据相邻图像帧互相之间变化并不大的特点，在动画帧的绘制过程中，保持画面中静止的部分不变，仅仅绘制变化的部分。

1.3显示列表技术

这个技术主要是一种优化技术，显示列表主要由一系列的相关函数调用语句所组成，在使用过程中调用显示列表等同于调用列表中的函数，批处理技术在一定程度上和显示列表技术有异曲同工之妙。而立即方式是OpenGL立即进行函数调用。这种方法虽然能够保证实时绘制效果，但不能满足对图形进行快速渲染和动态交互控制等要求，因此在某些场合下并不太实用。而显示列表则可以实现上述两种功能。该技术在本系统中的应用主要有：

矩阵运算：炮弹模型的平移、旋转以及缩放过程要不停的进行矩阵变换，将基本的矩阵变换算法写在显示列表中，那么程序在预编译时就预先对其进行计算并保存计算的结果，在系统运行的时候直接使用预先保存的结果数值，加快程序的运行，减少大量的没必要的重复性计算工作。实体建模：由于在仿真场景中需要一些重复的模型，比如大树、山川等，在显示列表中包含特定的模型创建函数，在需要模型的时候直接调用显示列表就可以方便的绘制对应的模型。

多组显示列表：为了加强炮弹的仿真效果，可以通过使用多组显示列表来动态模拟炮弹尾焰的喷射效果，多组列表分别自由控制尾焰的颜色和形状。根据这些随机数据对显示列表进行编程处理，得到相应的控制文件。然后将控制文件导入到FLASH存储器，通过读取存储在其中的控制指令来控制显示列表的改变。通过多个显示列表之间的转换，来动态改变尾焰颜色和形状。在炮弹飞行的时候，使用多个显示列表来模拟尾焰可以达到炮弹在飞行的过程中不断发射尾焰的效果。

2仿真平台数学模型构建

2.1全弹结构特征数计算模型

弹箭结构特征数是表征弹箭基本结构的重要物理量，这些物理量是气动参数计算、外弹道设计计算的必要数据。为便于建立全弹结构特征数计算模型，给出下述定义：全弹——弹所有组成部分的总称；空体——全弹除去推进剂后，剩下全部机构的总称。弹箭在空中运动时，影响结构特征数的主要因素为推进剂和翼（舵翼，弹翼，尾翼）。推进剂燃烧时，全弹质量和转动惯量变小，质心位置前移。翼张开时，全弹质量不变，质心位置和转动惯量改变。

2.2弹箭气动工程计算方法

弹箭空气动力系数计算的方法有多种，其中计算精度和准确度较高的是风洞试验和实弹实验，但因其实验成本高昂、实验过程复杂、实验周期长等问题，风洞试验和实弹实验大多用在弹箭详细设计阶段和产品定型阶段。在弹箭的早期设计阶段，为初步快速地确定弹箭的气动力外形，大多利用工程计算法和数值计算法快速估算气动力系数。

数值计算法主要是利用FLUENT、CFD等仿真软件、设置弹体和流场的边界条件、将弹体划分为很多网格、采用数值离散方法，通过计算机模拟来计算弹箭的空气动力系数，这种方法耗时长，且运算量大，对计算机性能有较高的要求。工程计算法对流场的速势计算公式进行了简化，将解析法、经验和半经验公式、修正方法等相结合来计算空气动力系数。这种方法运算量小，计算速度快，对计算机性能没有太高的要求，同时以工程实际中的大量实测数据为基础，其计算结果具有一定的真实客观性，因此，该方法背广泛地应用在弹箭的初步设计中。目前，国内应用最广泛的工程气动参数快速计算方法为DATCOM法。

2.3弹箭飞行力学模型

第一，建立了全弹结构特征数计算模型。在计算全弹结构特征数时，将复杂的推进剂药型等效为简单圆柱装药，依据推进剂初始质量、初始赤道转动惯量、初始极转动惯量不变的假设，计算得到了推进剂的等效圆柱尺寸。在对时间推力曲线积分的基础上，依据几何燃烧定律，建立了推进剂燃烧时的结构特征数模型。然后在此模型上，考虑翼片张开变化的情况，建立了全弹结构特征数计算模型。第二，分析了弹箭气动计算的常用方法，经比较分析，确定了使用DATCOM计算气动的方案。第三，建立了弹箭6自由度刚体弹道模型。依据弹箭外弹道学理论，定义了用于描述弹箭在空中运动的6组不同坐标系，并推导出其相互间的转换关系；最后分析了作用在弹箭上的力和力矩，结合弹箭运动的一般方程，建立了弹箭6自由度刚体弹道模型。

3优化导弹数字化装配技术质量控制的途径

3.1创建导弹数字化装配技术质量控制与管理规范

导弹数字化装配技术的质量控制工作需要在科学严谨的质量标准和管理规范的保障下开展，在保证硬件和软件技术发展的基础上，相关部门和机构还要加大对质量标准与管理规范的制定与完善力度，为质量控制工作提供基础性保障。在航空航天和导弹制造行业不断发展的前提下，相关部门与机构要通过对数字化技术与导弹制造行业的综合调研，分析制定符合该行业的技术标准和质量管理规范，为导弹数字化装配技术的有效发展提供前提。同时，相关机构和部门要不断加大技术研发力度，不断提升数字化装配技术的专业性与技术性。

3.2关注数字装配技术的整体性和细节性

数字化装配技术的质量控制要从产品结构和装配工艺与流程多方面着手，既要从细节处关注产品零件的质量性，又要从装配工作的整体性出发，实现对生产装配周期的有效控制。一方面，在装配零部件与产品结构上要综合考量装配周期、质量以及成本等多项因素，实现最优化的产品结构。另一方面，在装配工艺的选择方面，要根据导弹产品的具体特征与性质进行选择，选择最适合产品的装配工艺。同时，要针对装配工作的实际状况进行全方位的质量控制，保证数字化装配模型建立的准确性与实际性。

结语

建立全弹结构特征数计算的普适模型。对制导弹药数字化仿真平台进行功能扩展。弹箭制导是一个复杂的多变量问题，在接下来的工作中，还应进行弹道规划功能模块开发，飞行过程控制功能模块开发，卫导功能模块开发，组合导航功能模块开发和制导率功能模块开发。进一步优化制导弹药数字化仿真平台的人机交互界面。目前仿真平台布局较为紧凑，没有对交互界面进行分区设置。因此，在接下来的工作中，应对界面进行优化设计，改进仿真平台的易用性。

参考文献

[1]侯淼,阎康,王伟.远程制导炮弹技术现状及发展趋势[J].飞航导弹,2017(10):86-90.

[2]李向东等.弹药概论[M].北京:国防工业出版社,2017.

[3]金龙.制导炸弹视景仿真系统研究[D].中北大学,2015.