导弹制导原理

导弹制导原理北航精确制导技术研究中心主讲教师：张庆振2第一章概论现代战争，从某种意义上说是科技水平的较量，武器的先进性虽然不能最终决定战争的胜负，但用高科技手段装备的精良武器在某个局部战争中确实能起到关键作用，任何人决不能忽视科技手段在现代化战争中发挥的越来越重要的作用。与以往的战争相比，现代战争的突出特点是进攻武器的快速性、长距离、高空作战能力强。对于机动能力很强的空中目标或远在几百、几千公里的非机动目标，一般的武器是无能为力的，即使能够勉强予以攻击，其杀伤效果也十分差。要对付这种目标，需要提高攻击武器的射程、杀伤效率及攻击准确度，导弹就是一种能够满足这些要求的先进武器。3导弹与普通武器的根本区别在于它具有制导系统。制导系统的基本任务是确定导弹与目标的相对位置，操纵导弹飞行，在一定的准确度下，导引导弹沿预定的弹道飞向目标。导弹命中目标的概率主要取决于制导系统的工作，所以制导系统在整个导弹系统中占有极重要的地位。且随着科学技术的发展和相对导弹武器命中精度要求的提高，制导系统在整个导弹系统中的地位会越来越重要。本课程即是一门主要介绍导弹制导技术的专业基础课程。第一章概论4§1.1导弹概述一．火箭与导弹5一．火箭与导弹火箭与火箭武器：火箭是依靠自身动力装置（火箭发动机）推进的飞行器。火箭可根据不同的用途而装有各种不同的有效载荷，当火箭的有效载荷为战斗部系统时，就称之为火箭武器。火箭武器可分为两大类：一类称为无控火箭武器，如火箭弹，其飞行轨迹不可导引控制；另一类是可控火箭武器，其飞行轨迹由制导系统导引、控制。6一．火箭与导弹导弹：导弹是一种飞行武器，它载有战斗部，依靠自身动力装置推进，由制导系统导引、控制其飞行轨迹，并将其导向目标。显然，可控的火箭武器是导弹。但并不是所有的导弹都是可控火箭武器。主要是因为导弹的动力推进装置不一定是火箭发动机。依靠空气中氧助燃的喷气发动机或组合型发动机也可以作为导弹的动力装置（如大部分巡航导弹的动力装置为组合型发动机，且以喷气发动机为主）。不论导弹的动力装置是何种发动机，但导弹之所以称为武器，就是因为载有战斗部。7一．火箭与导弹导弹的组成：一般讲导弹由五部分组成:(1)推进系统(2)制导系统(3)战斗部(4)弹体系统(5)供电系统（弹上电源）8一．火箭与导弹（1）：推进系统推进系统以发动机为主体，为导弹提供飞行动力，保证导弹获得需要的射程和速度。导弹常用的发动机有火箭发动机（固体、液体火箭发动机）、空气喷气发动机（涡轮喷气和冲压喷气发动机）、以及组合型发动机（固—液组合，火箭—冲压组合发动机）。9有的导弹，如面对空导弹、反坦克导弹用两台或单台双推力发动机，其中一台用来起飞助推，使导弹从发射装置上迅速起飞和加速，因此也称为助推器。另一台作为主发动机，用来使导弹维持一定的速度飞行，以便能追击目标，因此称为续航发动机。远程导弹、洲际导弹，其飞行速度要求在火箭发动机熄火时达到每秒数千米。因而需要用多级火箭才能完成每级火箭都要用一台或几台火箭发动机。10一．火箭与导弹（2）制导系统制导系统是导引和控制导弹飞向目标的仪器和设备的总称。为能够将导弹导向目标，一方面需要不断地测量导弹实际运动状态与理论上所要求的运动状态之间的偏差，或者测量导弹与目标a相对位置与偏差，以便向导弹发出修正偏差或跟踪目标的控制指令;另一方面还需要保证导弹稳定飞行，并操纵导弹改变飞行姿态，控制导弹按所需要的方向和轨迹飞行而命中目标。完成前一个方面任务的部分是导引系统，完成后一个方面任务的部分是控制系统。两个系统集成在一起就构成制导系统。制导系统可以完全装在弹上，如自寻的制导系统。但也有的导弹，弹上只装控制系统，导引系统则装在地面指挥站或载舰、载机上，如面对空导弹等。11一．火箭与导弹（3）战斗部战斗部是导弹上直接毁伤目标，完成其战斗任务的部分，由于大多置于导弹头部，故习惯称为导弹头。由于导弹所攻击的目标性质和类型不同，相应的要求导弹配置有毁伤作用不同，结构类型不同的战斗部，如爆破战斗部、杀伤战斗部、聚能战斗部、化学战斗部、生物战剂战斗部以及核战斗部。12一．火箭与导弹（4）弹体弹体是导弹的结构主体，是各舱、门、空气动力翼面、弹上机构及一些零组件联接而成的，具有良好的气动外形的壳体，用以安装战斗部、制导系统、动力装置、推进剂及供点系统（弹上电源），以及空气动力翼面（包括产生升力的弹翼），产生操纵力的舵面，以及保证稳定飞行的安定面（尾翼）。对弹道式导弹，由于弹道大部分在大气层外飞行，主动为只作程序转向飞行。因此没有弹翼或根本没有空气动力翼面。13一．火箭与导弹（5）供电系统（弹上电源）供电系统负责给弹上各分系统供给正常工作所需要的电能，主要包括电源，各种配电、变电装置等。常用的电源有电池，如银锌电池、镍铬电池等、发动机带动的小型发电机，如有的巡航导弹采用涡轮风扇发动机带动小型发电机作为弹上电源。还有的导弹，如个别有线制导的反坦克导弹，弹上没有电源，由地面电源供弹上使用。14§1.1导弹概述二．导弹的分类15二．导弹的分类尽管一般把导弹分成五大系统，但不同的导弹个各分系统有着很大的区别。为了便于研究，通常将它们进行分类。导弹的分类方法很多，但每一种方法都应该概括地反映出它们的主要特征。通常划分导弹类别的依据主要有按照发射点和目标位置的不同、按照作战使命、按照结构与弹道特征、按照射程、按照所攻击的目标等。下表是各种分类的一个概括：16表1-1:常用的导弹分类方法(1)按照发射地点和目标所在的位置分类地对地导弹岸对舰导弹舰对舰导弹潜对潜导弹舰对地导弹舰对空导弹地对空导弹潜对空导弹远程全天候导弹空对舰导弹全天候攻击导弹潜对地导弹舰对潜导弹空对地导弹空对潜导弹近距格斗导弹全天攻击导弹(1)17表1-1:常用的导弹分类方法(2)按照作战使命分类(2)战略型导弹战术型导弹18表1-1:常用的导弹分类方法(3)按照结构与弹道分类(3)有翼式导弹弹道式导弹巡航式导弹其他有翼导弹19表1-1:常用的导弹分类方法(4)按照射程远近分类(4)近程导弹(射程≦1000km)洲际导弹(8000km)中程导弹(1000～3000km)远程导弹(3000～8000km)20表1-1:常用的导弹分类方法(5)按所攻击的目标分类(5)攻击固定目标的导弹攻击活动目标的导弹反卫星导弹反坦克导弹反舰(潜)导弹反飞机导弹反弹道导弹21二．导弹的分类在上表中，发射点和目标的位置可以在地面、地下、水面、水下（潜艇）和空中（飞机、导弹）、空间（卫星、空间站），一般约定地面（包括地下），水面（包括水下）统称为面。从进攻一方讲，战略型导弹是指攻击敌方导弹或核武器发射基地、军事指挥部门、军用机场、港口、防空和反导基地、重要军需仓库、工业和能源基地、交通和通讯枢纽、政府部门等战略目标，完成战略打击的导弹。远程面对面导弹，空对面导弹属于战略导弹。此外，从防守一方讲，用于保卫重要城市和具有战略意义的要地，设施的远程面对空导弹也属于战略导弹。22二．导弹的分类战术型导弹主要指用于地面、空中、海域作战的完成某个具体战役的战术目标任务的导弹。其类型很多。有翼式导弹除飞航（巡航）导弹外，分类表中列出的面对空、空对面、空对空导弹，以及其他攻击活动目标的导弹均属于有翼导弹。按照射程分类的，近、中、远程导弹和洲际导弹一般只适用于弹道式导弹和巡航导弹。还有一些特殊用途的导弹，如诱饵导弹，反雷达（反辐射）导弹等没有明确列入分类表中。实际上它们已包含在上面的分类表中，只不过是由于用途特殊而另有名号罢了。23§1.2导弹制导的一般原理导弹之所以能够准确地命中目标，是由于能按照一定的导引规律对导弹实施控制，控制导弹的飞行。根本点是改变导弹飞行（速度）方向，而改变飞行方向的方法就是产生与导弹飞行速度矢量垂直的控制力。在大气层中飞行的导弹主要受发动机推力P、空气动力R和导弹重力G作用。这三种力的合力就是导弹上受到的总作用力。导弹受到的作用力可分解为平行导弹飞行方向的切向力和垂直于导弹飞行方向的法向力，切向力只能改变导弹飞行速度的大小，法向力才能改变导弹飞行方向，法向力为零时，导弹作直线运动。导弹的法向力由推力、空气动力和导弹重力决定，导弹的重力一般不能随意改变，因此要改变导弹的控制力，只有改变导弹的推力或空气动力。24§1.2导弹制导的一般原理在大气层内飞行的导弹，可由改变空气动力获得控制，有翼导弹一般用改变空气动力的方法来改变控制力。在大气层中或大气层外飞行的导弹，都可以用改变推力的方法获得控制。无翼导弹主要是用改变推力的办法来改变控制力，因无翼导弹在稀薄大气层内飞行时，弹体产生的空气动力很小。25§1.2导弹制导的一般原理下面我们以改变导弹空气动力的方法为例说明导弹飞行控制原理。导弹所受的空气动力可沿速度坐标系分解成升力、侧力和阻力，其中升力和侧力是垂直于飞行速度方向的；升力在导弹纵对称平面内，侧力在导弹侧平面内。所以，利用空气动力来改变控制力，是通过改变升力和侧力来实现的。由于导弹的气动外形不同，改变升力和侧力的方法也略有不同。26§1.2导弹制导的一般原理现以轴对称导弹为例来说明。轴对称导弹一般具有两对弹翼和舵面，在纵对称面和侧对称面内都能产生较大的空气动力。如果要使导弹在纵对称平面内向上或向下改变飞行方向，就需改变导弹的攻角a（导弹纵轴与速度方向之间的夹角），攻角改变以后，导弹的升力就随之改变。27§1.2导弹制导的一般原理作用在纵对称平面内的导弹受力图如图1.1所示。各力在弹道法线方向上的投影可表示为：sincosyFYPG式中θ为弹道倾角，Y为升力导弹所受的可改变的法向力为：sinYPyN由牛顿第二定律、圆周运动律可得如下关系式：yFma即:2cosyvNGm式中v为导弹的飞行速度，m为导弹的质量ρ为导弹的曲率半径。28§1.2导弹制导的一般原理而曲率半径又可表示成//dSdtvddtdS=d式中，S为导弹运动轨迹，则有：cosyNGmv即：cosyNGmv29§1.2导弹制导的一般原理由此可以看出，要使导弹在纵对称平面内向上或向下改变飞行方向，就需要利用操纵元件产生操纵力矩使导弹绕质心转动，来改变导弹的攻角。攻角改变后，导弹的法向力也随之改变。而且，当导弹的飞行速度一定时，法向力越大，弹道倾角的变化率就越大，也就是说，导弹在纵对称平面内的飞行方向改变得就越快。同理，导弹在侧平面内的可改变的法向力为平面内的控制力sinzNZP30§1.2导弹制导的一般原理由此可见，要使导弹在侧平面内向左或向右改变飞行方向，就需要通过操作元件改变侧滑角β，使侧力z发生变化，从而改变侧向控制力。显然，要使导弹在任意平面内改变飞行方向，就需要同时改变攻角和侧滑角，使升力和侧力同时发生变化。此时，导弹的法向力NX就是NY和NZ的合力。(如图1.2所示)31§1.3导弹制导系统§1.3.1导弹制导系统的一般组成32§1.3.1导弹制导系统的一般组成导弹制导系统包括由探测系统，控制指令形成，到操纵导弹飞行的所有设备，也就是通常所说的飞行控制系统。这些设备的作用是使导弹保持在理想弹道附近飞行。如图1.3所示。33§1.3.1导弹制导系统的一般组成++δλ舵机回路-姿态稳定回路Х制导回路-θzy图1.3导弹制导系统的一般组成34§1.3.1导弹制导系统的一般组成从功能上可将制导系统分为导引系统和控制系统两部分。导引系统通过探测装置确定导弹相对目标或发射点的位置形成导引指令。探测装置对目标和导弹运动信息的测量，可以用不同类型的装置予以实现。例如，可以在选定的坐标系内，对目标或导弹的运动信息分别进行测量，也可以在选定的坐标系内，对目标与导弹的相对运动信息进行测量。探测装置可以是制导站上的红外或雷达测角仪，也可能是装在导弹上的导引头。导引系统根据探测装置测量的参数按照设定的导引方法形成导引指令，指令形成之后送给控制系统，有些情况要经过相应的坐标转换。35§1.3.1导弹制导系统的一般组成控制系统直接操纵导弹，要迅速而准确地执行导引系统发出的导引指令，控制导弹飞向目标。控制系统的另