● 摘要
本文提出了一种空中发射弹道式多用途战术导弹的概念方案，并对实现该方案的一些关键技术进行了探讨。研究的目的是为了探索新的战术导弹武器设计思路，用新方法实现对现代战争中的高价值目标的有效打击。 高价值目标受到的防护很严密，传统的战术导弹武器对这类目标攻击难度很大，武器搭载平台的战场生存面临着严峻的考研。新的概念方案将地面固定目标、海面大型目标和空中大型低机动性目标统一划归为低机动性目标范畴，作为多用途战术导弹的作战对象。通过采用跳跃机动弹道使导弹获得很远的射程和很强的突防能力，依靠恰当的制导控制方法实现对各种目标的追踪和打击。为实现上述目标，本文主要探讨了三大方面的问题：跳跃式机动弹道的实现、总体方案的优化设计和攻击效果评价。 通过飞行程序的设计验证了跳跃机动弹道的可行性，结果证明只要飞行程序设计合理，在简单气动外形和无动力情况下，弹道式弹道也可以实现跳跃机动，并且所有设计约束均能保持在可行范围内。 本文应用多学科优化设计(Multidisciplinary Design Optimization—MDO)方法对总体方案实施优化设计。以导弹发射质量最小为设计目标，将全系统划分为结构、质量、弹道、气动和动力五个分系统，并使用不同的分析工具进行了系统分析，建立了各系统的学科分析模型。根据系统特点，确定了17个系统级设计变量和质量、射程、最大舵偏角、最大飞行速度、轴法向飞行过载6个设计约束，通过iSIGHT平台将各学科分析模型集成在统一的MDO设计框架下，采用多岛遗传算法与序列二次规划梯度算法相结合的混合优化策略，对总体方案进行了优化设计，最终找到了可行的总体最优方案。 为了解决分析工具不同带来的优化效率低下的问题，本文为CAD参数化建模的高精度系统构造了替代模型。为了保证替代模型的精度，本文采用了一种新颖的现代实验设计技术，即拉丁化近正交海默斯利序列取样方法，进行实验设计，并应用量化的指标将该方法与传统的拉丁方正交设计方法进行了对比，结果证明新方法在取样均匀性和正交性方面均有较大幅度的改善。本文应用支持向量回归机对采样数据进行学习，构建了精度较高的替代模型。使用验证数据集对模型进行验证，结果表明支持向量回归机在高维度、小样本条件下表现出了很强的学习能力和很好的泛化性。本文基于替代模型进行了相同的设计优化，通过与原优化结果对比，证明替代模型精确可靠，同时验证了替代模型在提高MDO设计效率方面的巨大作用。由于最优方案对参数波动很敏感，因此本文在最优方案基础上进行了稳健性设计，以提高系统对设计参数波动的承受能力。本文采用了两种稳健性设计方法：面向 的稳健性设计方法和基于最差敏感区域(Worst Case Sensitivity Region—WCSR)的稳健性设计方法。这两种方法都找到了稳健解，均可以承受设计参数5%的波动而保证性能不失效。基于WCSR的方法具有更轻的发射质量和更远的射程，因而该方法的解被确定为系统基线方案。 本文通过对导弹的制导控制系统进行设计与分析评价导弹的攻击能力。本文为导弹设计了基于广义比例导引的制导系统，以脱靶量为指标，研究了导弹在三维空间中对不同目标的攻击能力。结果表明，由于前期飞行采用了跳跃式机动弹道，导弹积累的动能和势能足以保证导弹对很大范围内的目标进行攻击。本文设计了基于BP神经网络的非线性控制系统，验证了导弹在全弹道范围内具有足够的控制能力实现制导指令的跟踪，保证导弹沿导引弹道飞向目标。将控制系统、制导系统和弹体三维动力学模块相连接，组成了制导控制回路，并对空中机动目标进行了攻击仿真，结果表明在全攻击弹道上，控制系统能够准确、快速的跟踪指令，导弹击中目标时具有较小的脱靶量。 通过本文的研究，探讨了一种新的战术导弹概念，尝试了新的设计方法，找到了实现这种概念的总体方案，为战术导弹武器设计提供了新的思路。MDO技术的应用实现了设计过程的自动化，替代模型及其相关技术的应用大大提高了设计效率，稳健性设计方法则克服了确定性设计方法的不稳健性。研究结果表明研究对象具有防区外发射能力、弹道机动的高突防能力和良好的攻击能力，可以在很远的距离上对地面固定目标、海面大型目标和空中低机动性目标进行有效打击，因而可以对现代战争中如指挥控制中心、航空母舰和空中预警机这样的高价值目标产生有效威慑。