飞航导弹导引头结构设计与弹体气动热仿真
摘要：在现代战争的不断发展下，精确打击导弹逐渐成为战争中的核心战略。近年来，我国在精确制导武器技术方面均取得了突破性进展，但是和国外发达国家相比，还存在一定的劣势，在未来战争中，对于精确制导技术的要求越来越高，因此，需要对精确制导技术进一步研究和提升。本次研究中针对飞航导弹引导结构设计与弹体气动热仿真进行研究，旨在通过对飞航导弹引导结构设计设计与研究，探讨精确制导技术的发展和进步，在研究中完成了对导弹引导结构方案的选取和讨论，并对引导机构中的主要结构零件进行计算与设计。并在最后，对导弹结构建立模型，利用仿真软件，对弹体气动热仿真分析，以期通过本次研究能够为我国精确制导技术发展和应用提供参考和借鉴。
关键词：精确制导；导弹；引导结构；结构设计；气动热仿真
Design of navigation missile guidance structure and aerothermal simulation of missile body
Abstract：With the continuous development of modern war, precision strike missile has gradually become the core strategic and tactical weapon in the war. The development of precision guidance technology determines whether the weapon can "see clearly and hit accurately". In the future war, the precision guidance technology is becoming more and more demanding, therefore, we need to further research and improve the precision guidance technology. In this study, the design of the guidance structure of the missile and the aerodynamic thermal simulation of the missile body are studied, aiming at discussing the development and progress of precision guidance technology through the design and research of the guidance structure of the missile. In the study, the selection and discussion of the program of the missile guidance structure are completed, and the calculation and design of the main structural parts of the guidance mechanism are carried out. At last, the model of missile structure is established, and the aerodynamic thermal simulation analysis of missile body is carried out by simulation software, in order to provide reference for the development and application of precision guidance technology.
Key words: precision guidance; A missile; Guide structure; Structure design; Aerothermal simulation
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
在现代战争条件下，对武器系统精度提出了更高的要求。在战场上，一件武器的精确与否，往往关系到一场战争中的主动，乃至最终的胜利。因此，精确打击型子弹的研发已经成为世界上最重要的军事力量。20世纪90年代以后，随着微电子技术和制导技术的发展，各种弹药的导引和改进都取得了长足的进步，特别是在自动跟踪和控制弹道方面取得了长足的进步。它的准头远高于普通子弹，因此战斗力也得到了大幅提升。以大口径炮弹、迫击炮、小口径防空弹为主要研究对象，大大提高了传统武器的射击精度。近年来，随着区域冲突的加剧，打击恐怖主义的力度越来越大，打击那些没有效率的目标变得越来越迫切。近年来，小型化、高精度和高精度弹头的研制受到了越来越多的关注。小尺寸精确制导弹药因其体积小、质量轻、造价低等特点，特别适用于低成本高精度地打击低价值的目标。随着小型化、智能化、精确化等技术的发展，为小型化、高精度的导弹奠定了基础。精确打击和高效拦截超高声速飞行器，一直是人们追求的目标。精确制导导弹是借助导航和控制系统，对飞弹进行定位和相对运动，以克服飞弹受到的干扰，从而完成对飞弹的控制。因此，在高超声速飞行中，如何对其进行有效的引导和控制，是一项十分重要的工作。
1.2 精确制导技术发发展现状
在精确制导武器中，导航制导系统的研制是实现“视距准确”目标的关键。近几年，精密制导武器的导航与末段制导技术有了突破性进展。在此基础上，提出了一种基于卫星的非独立导航方法。近年来，随着人工智能技术的兴起，惯性导航、全源定位和视觉辅助导航等新型导航技术得到了快速发展。在末段制导领域，随着有源导引头的不断完善和优化，该系统正在朝着高分辨成像、多模式复合抗干扰、模块化和智能化的方向发展。从整体上看，我国精密制导武器的发展已经处在一个新旧技术交替和作战思想转变的关键时期。要紧密监控作战需要，瞄准国际前沿，在关键技术上取得突破，在新一轮的精确制导武器研制上取得跨越式发展。
（1）红外导引头
精确制导技术的升级与改良，仍将是未来发展的主要方向，提升其在光波与无线电频率上之功能，以提升其搜寻与追踪之效能。（1）美国先进的中远程空空导弹（AMRAAM），日本的AAM-4 B，以及俄罗斯的R-77M型空空导弹，均对其进行了改进，使其检测范围增加了一倍，并使其具有更强的抗干扰性和反隐性。（2）在对空导弹领域，美国改进了“标准3”型2 A型空对空导弹的红外线导引头，把新的目标威胁特性加入到弹道数据库中，大大提高了导弹的探测距离、探测速度和定位精度。另外，为了改善其动力学特性，美国陆军还将一种新型的隔离和振动隔离技术应用于防空导弹的红外导引头。
（2）成像导引头
成像导引头制导具有较高的分辨率和较强的抗干扰能力。随着科技的进步，其已被越来越多地用于精确制导武器。传统的红外线成象技术2019年6月，欧洲 Embrion公司发布了一款基于石墨烯的光检测器，该检测器相对于目前使用的硅基、锗基、锗基等半导体（InGaAs）感光检测器，其检测范围较大（400纳米可见光、1800纳米红外），具有较高的灵敏度、较好的成象性能，且成本下降了30%左右。利用偏光成像技术可以改善光导头部的成像质量。利用超构曲面窗口技术，可以有效地解决雷达在抗反射成像方面存在的隐形掠过问题，从而推动光电导引头向高性能、抗干扰和多功能化方向发展。无源红外相控阵成像是一种利用微纳透镜构成的光学相控阵，极大地降低了对光电探测设备的需求，为实现高精度制导武器的小型化、长距离、高质量成像打下了坚实的基础。无制冷红外成象技术是一种长波长无制冷的红外检测器，它由无定形硅、氧化铝等材料组成。该系统的当量温度差（NETD）低于50 mK，其探测灵敏度与致冷型相近。该方法具有成本低，结构紧凑，功耗低等特点，在小型化、高精度的制导武器中有着广阔的应用前景。美国网络火箭弹系统（United Netflix Fire Save System）的巡逻攻击弹药， JAGM,SDB2，以色列的长钉 SR，以及欧洲导弹组织（European Response Group）的 MMP反坦克导弹，均采用了无制冷红外线成像制导技术。
（3）多模复合导引头
多模式组合导引头能够充分发挥各频段的检测与互补优势，实现多模式组合导引头的信息融合，提升其在复杂战场环境下的自适应能力、抗干扰能力以及目标辨识能力。多模式组合导引头是一种新型的高精度的新型导引头。双波段复合材料，有源-被动雷达复合材料，雷达-红外双模复合材料，激光/毫米波/红外三模复合材料，是目前研究的热点。
波兰空军于2016年10月展示了它的“皮拉尼亚”陆基巡航导弹，它采用了红外线/紫外线双模态成像导引头，利用两个频带之间的能量对比，提高了导引头对真、伪目标的分辨能力，以及对隐形目标的检测能力。韩国自行研制的“双模态”反潜导弹（LAH-AGM）于2017年6月完成了对该导弹的试验，该导弹具有可视/红外双模态导引能力。该系统不仅可以充分发挥可见光影像的高分辨、丰富影像的精细度，同时还可以充分发挥红外影像的全天候特点，使其对战场环境的适应性、抗干扰性更强。在2019年三月，日本从挪威买下了一枚装备在F-35上的 JSM导弹。在此基础上，利用中、长波段双色导引头，利用多源信息融合技术，实现对舰船、陆地等目标的有效检测与识别，并有效增强其对太阳光、假目标等干扰的抵抗能力。
近几年中，我国正在加大对战术系统的顶层设计力度，并逐步弥补了导航和制导方面的差距。近年来，智能自主导航技术的不断发展，极大地增强了武器装备在复杂战场环境中的适应能力。另外，基于弹载末段导引头的单一抗干扰性，基于新体制、新结构和新算法的组合导引也日益成熟。通过对多源信息的融合，实现了对目标的检测、识别与跟踪。从总体上看，精密制导武器的导航和末段制导正在朝着系统化、智能化、自主和复合的方向发展。
第二章 飞航导弹引导结构方案设计
2.1 飞航导弹引导结构方案设计
红外导引头用于制导导弹引导机构，具有结构简单、视野大、线阵面积大、抗干扰性好、适应范围宽、对任意角度日照不产生虚警等优点。该方法具有成本低，精度高，体积小等优点。因为取消了随动系统及惯导平台，所以它所占的空间很小，质量也很轻。
对于飞航制导导弹而言，更小的体积可以提高其飞行的速度，或者可以增加更多的飞行燃料达到更远的飞行距离，所以机构设计的更简单对于飞航制导导弹的相关性能等参数有很重要的作用。
2.2 引导结构的运动形式分析
引导机构的电子元件载体的扰动可分为六种，三种为旋转，三种为平动。而转动自由度则是指在不同的位置上，改变了目标的位置，从而对目标的成像质量以及视距的稳定性造成了不同程度的影响。为了解决这个问题，目前常用的方法是利用陀螺仪稳定平台来实现对其的隔离；本文提出了一种基于平动自由度的平面运动模型，并对其进行了角位移的自由隔振。在孤立载体改变姿态时，陀螺仪稳定平台是其中的核心，它的优劣将直接影响到整个成像系统的最终效果。
本文介绍了一种新型的陀螺仪稳定平台结构，并对其性能进行了分析。具体采取什么样的架构，取决于系统的功能要求，以及系统的精确度。以下是对每一种结构的利弊的简单描述和分析。
（1）两轴两框架结构
两轴两架的稳定结构，主要是指在由俯仰架构成的伺服系统的垂直定向架和俯仰架（一般用作内架）上，再与陀螺仪共同构成稳定的电路，以此来抑制干扰力矩，实现视线稳定。这是目前使用最多的稳像系统，它的技术已经相当成熟。其特点是控制简单，体积小，重量轻，但是其不足之处也不可忽略。
（1）精确度不高。在小载荷、高精度、高稳定性的情况下，它的效果十分显著。但是，随著光电侦察机的不断发展，其平台架构愈来愈复杂，干扰项也愈来愈多。以现有两种构架平台的设计及加工水平，难以在构架上实现高稳定度。
（2）对视觉盲区的追踪。由于采用了两种不同的框架结构，使得在俯仰框架转动90度左右的情况下，该框架的方位跟踪速率趋于无限大，造成了“搜索盲点”。下文将对此进行更多的描述，在此仅作简短的描述。
（3）图象的畸变。但由于两幅影像仅具有两个方位、俯仰方向的自由度，且没有侧向、侧向等因素的影响，仅能抑制侧向干扰，不能有效抑制侧向干扰，造成影像发生旋转。在运动过程中，由于运动过程中出现了很大的旋转，因此对运动物体的识别有很大的影响。
（2）三轴三框架结构
三轴三框架结构通过在顶端增设横辊来弥补二轴两框架结构的缺点。这样，三轴三框架的机构就有了方向，横摇，纵摇三个自由度。这样，就能有效地抑制卷轴方向的干扰，并能有效地消除图象旋转带来的影响。另外，该系统还能有效地消除目标的盲区，并能在某些情况下实现对空中目标的跟踪。但相对于两个坐标，两个坐标系，缺陷也是显而易见的。但由于其结构比较复杂，其尺寸和质量较大，各构架间的耦合力矩也较大。这就导致了该系统的非线性特性，使其控制变得困难。
３、两轴四框架结构
双轴线四轴线的结构，即在轴线上分别设置内、外环形框架。内外环架都有自己的朝高架。外环架的移动是通过内环架的移动来控制的，这样就可以减少在光电系统的视距上由于高度移动而引起的载流子的阻力。内环形框架的作用是减小外环形框架所引起的残余干扰，进而提高制导导弹的探测距离和跟踪精度。这种新型结构的控制系统，由于其本身的结构各自独立，彼此没有干扰，所以新型内环结构与外环结构的控制系统实现较为简单。外环框架的跟踪环是一个粗糙的跟踪环，它以执行低频大范围的跟踪指令为主。内环坐标系下的跟踪环是为了对外环坐标系下的运动轨迹进行补偿而形成的精跟踪环。内环机架系统中，双轴低角转动是影响双轴四机架对准稳定性的重要原因。
相比于三轴三框架结构具有以下几点优点：
1）在飞航导弹正常工况下，框架的自锁现象会因为内环框架的结构问题从而消除，进而可以增大制导导引头的跟踪范围，降低了框架的几何约束与惯量的耦合作用，提高了框架的视距与视距的控制特性，提高了框架的稳定性与稳定性，最后提高整体性能。
2）内环控制系统的视距稳定准确度和跟踪准确度是决定因素。同时，内环框架载荷很小，可以达到很高的测量速度和很高的测量精度。尽管双轴四框式结构有很多优点，但是它的结构复杂，体积大，重量大，使用范围有限。
2.3 引导结构的运动方案设计
在实际使用中，导引头的尺寸不宜过大，而弹体的滚动振动幅值不宜过大。旋转对成像质量的影响不大。所以，在实践中，一般都是采用三轴三框架的设计。按其传动形式可分为直接传动、连杆传动、不完全环形传动和带齿传动四种。但是，不论哪一种驱动形式，双轴双框架式制导导弹的随动系统，其运动与动力学基础是一致的。最后，本文以双轴双框架式直驱式导引头伺服装置为例，对该装置的结构及工作原理进行了较为详尽的分析，为后续的研究奠定了基础。
三轴三框架导引头之伺服系统，其构成架构。从本质上讲，这是一种多参数调节、多环反馈的多目标控制系统。内、外框架构成了该体系的纵摇、横摇、横摇机构，它们之间由轴承相连，并能互相转动。其中，直流力矩马达，光电感应器，角度感应器，影像跟踪器，动态调谐陀螺，以及方位/俯仰角框架。在每个框架的轴线上，都装有一个高精度的角位感应器和一个直流转矩马达。
本文的红外导引结构为了精简结构，在导引部分设计了两个框架，一个旋转台阶轴连接光学成像系统和两个旋转圆盘。结构简单可以增加其使用的稳定性并且降低相关使用成本。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 精确制导技术发发展现状 1
第二章 飞航导弹引导结构方案设计 3
2.1 飞航导弹引导结构方案设计 3
2.2 引导结构的运动形式分析 3
2.3 引导结构的运动方案设计 5
第三章 飞航导弹引导结构主要机构设计 5
3.1 红外导引头结构设计 6
3.2 弹体镜头建模 7
3.3 导流罩建模 8
3.4 中框建模 8
3.5 外框建模 10
3.6 光学成像模块建模 11
3.7 轴承的设计 12
3.8 装配体 12
3.9 减速器的选择 13
第四章 飞航导弹导引头的弹体气动热仿真 17
4.1 模型的构建 17
4.2 网格划分 17
4.3 边界条件设置 17
4.4 模拟结果及分析 17
第五章 结论 18
5.1 课题成果 18
5.2 存在的问题 18
5.3 收获与体会 18
参考文献 19
致谢 21
参考文献
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