CN111220034B - 一种可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法 - Google Patents

Abstract

一种可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，该方法要求突防弹头具备一定的探测、识别和跟踪来袭动能拦截器的能力，在此基础上，利用拦截器轨控发动机点火之后，无法进行再次点火的弱点，根据来袭拦截器的相对运动信息，前后通过多次机动变轨迫使拦截器提前开机，待其能量耗尽再实施机动突防。该项突防技术能够克服固定程序机动大范围盲目机动的弱点，具有突防效率高、燃料消耗少的特点，可成为远程弹道导弹提高中段生存能力的重要突防技术手段。

Description

一种可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法

技术领域

本发明属于信息学科领域，涉及弹道导弹中段飞行的导弹突防技术。针对敌方大气层外动能拦截器的“灵巧”式躲避，达成有效突破对方拦截的目的。

背景技术

弹道导弹的机动突防是应对拦截系统拦截、提高弹道导弹飞行过程中生存能力的有效手段。当前，弹道中段的机动突防主要考虑在EKV(即大气层外动能拦截器)末制导段内利用EKV过载易饱和的弱点实施突防。这种和EKV比拼机动性能的突防策略，对突防轨控发动机要求太高，工程上实现起来难度较大。从仿真计算的结果来看，通常创造10m脱靶量时，必须要达到EKV最大过载的一半，机动突防变成了与拦截器比拼机动能力的“拼蛮力”对抗。目前的中段机动突防方法主要有以下几种：

一是按照固定程序实施机动。即弹道导弹在中段飞行时，其弹道大多被设计成固定程序，何时机动、向哪个方向机动，都是事先设计好的，无法根据反导系统的部署灵活选择机动时机和机动方式，突防效果有限。

二是通过迫使拦截器产生“制导盲区”实现突防。主要是突防弹头在EKV末制导段实施机动，通过机动将使视线角转率产生较大变化，通过迫使拦截器产生“制导盲区”，使拦截器因过载限制而造成脱靶。这种机动突防方式，对于突防弹头机动性能要求很高，需加装大功率突防轨控发动机。

三是使拦截器红外导引头失去目标实现突防。利用大气外动能拦截器(EKV)对目标探测距离有限的技术性能弱点，在突防弹头被EKV红外导引头锁定之前实施变轨机动，使得两者相对距离减小至EKV红外导引头最大探测范围以内时突防弹头位于EKV红外导引头视场之外。由于EKV末制导时间很短，拦截对抗双方速度很快，在得不到红外导引头实时测量信息的情况下，EKV的姿轨控系统将无法正常工作，从而实现成功突防。这种方式对于机动时机和方向的把握要求很高，需要本身比拦截器看得更远，并实时掌握拦截器机动信息。

针对当前机动突防各种机动方式的实际，为降低成功突防对突防轨控推力要求，结合固液混合轨控发动机研究进展，本发明设计了一种破坏拦截弹中末制导交接班条件，避免在EKV末制导段内直接比拼机动性能，具有自主突防能力的机动规避技术。

该机动突防技术要求机动弹头具备一定的探测、识别和跟踪来袭动能拦截器的能力，在此基础上，利用拦截器轨控发动机点火之后，无法进行再次点火的弱点，根据来袭拦截器的相对运动信息，前后通过“三次机动”迫使拦截器提前开机，待其能量耗尽再实施机动突防。该项突防技术能够克服固定程序机动大范围盲目机动的弱点，具有突防效率高、燃料消耗少的特点，可成为远程弹道导弹提高中段生存能力的重要突防技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其利用拦截器轨控发动机点火之后，无法进行再次点火的弱点，根据来袭拦截器的相对运动信息，前后通过多次机动迫使拦截器提前开机，待其能量耗尽再实施机动突防。该项突防技术能够克服固定程序机动大范围盲目机动的弱点，具有突防效率高、燃料消耗少的特点，可成为远程弹道导弹提高中段生存能力的重要突防技术手段。

本发明的技术解决方案是：

一种可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其特殊之处在于：该方法要求突防弹头具备一定的探测、识别和跟踪来袭动能拦截器的能力，在此基础上，利用拦截器轨控发动机点火之后，无法进行再次点火的弱点，根据来袭拦截器的相对运动信息，前后通过多次机动变轨迫使拦截器提前开机，待其能量耗尽再实施机动突防。

上述可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其是旨在破坏陆基中段拦截弹GBI/大气层外动能拦截器EKV中末制导交接班条件的多次变轨机动规避突防方案，其特征在于，所述多次机动变轨包括三次机动变轨，具体是：

第一次机动变轨在GBI自由飞行段开始时进行，旨在产生迫使中制导轨控发动机提前开机的足够大零控脱靶量；

第二次机动变轨在GBI中制导即将结束时进行，旨在产生足够破坏GBI中末制导交接班条件的零控脱靶量；

第三次机动变轨在EKV末制导结束、发动机燃料耗尽时进行，以产生成功突防所需的脱靶量。

上述所述突防弹头的第一次机动变轨，产生迫使中制导轨控发动机提前开机的足够大零控脱靶量，具体是：GBI用于中制导的第三级轨控发动机由于采用固体燃料，当零控脱靶量小于GBI中制导最大机动距离情况下，GBI会在耗尽关机之前将EKV送入零控拦截流型弹道附近，实现中末制导的成功交接；如果突防弹头第一次机动变轨产生的零控脱靶量大于GBI中制导最大机动距离，GBI为实现中末制导的成功交接，将不得不采用预测拦截点的拦截制导方法提前进行中制导，这样在GBI中制导结束后，至EKV末制导开始前，将有一段无控飞行时间。

上述突防弹头的第二次机动变轨，产生足够破坏GBI中末制导交接班条件的零控脱靶量具体是：突防弹头利用这一无控飞行时间窗口，实施机动，在EKV末制导开始前，产生大于EKV最大机动能力的零控脱靶量，以破坏GBI/EKV中末制导交接班条件；

突防弹头沿着原弹道飞行，从M₁开始变轨，经过M₁M₂机动变轨飞行后，关机，沿着M₂P₂新轨道飞行；拦截器经过计算，发现P₂是最佳拦截点，如果拦截器不实施机动，将至少产生P₁P₂的偏差，故于I₂点开始机动；

其中，M₁为突防弹头机动点；M₁M₂为突防弹头机动轨道；M₂P₂为突防弹头机动后新轨道；P₂为最佳拦截点；P₁P₂为偏差；I₂为拦截器机动点。

上述突防弹头的第三次机动变轨，产生成功突防所需的脱靶量具体是：在存在较大零控脱靶量的情况下，EKV仅靠末制导段的机动无法消除零控脱靶量，对于剩下的零控脱靶量偏差，只能靠EKV末制导结束后的剩余飞行时间来解决；

突防弹头再次利用EKV处于无控飞行的时间窗口，实施机动，产生成功突防所需的脱靶量实现突防；

拦截器经过I₁I₂机动后，轨控发动机熄火，沿着I₂P₂飞行；

突防弹头，沿着M₂P₂飞行一段时间，从M₃开始再次机动变轨，经过M₃M₄持续机动后，再次熄火，突防弹头沿着M₄P₃飞行；P₃P₂即为脱靶量；

显然，只要P₂P_B≥10m就能够实现成功突防；

其中，I₁I₂为拦截器机动轨道，I₂P₂为拦截器机动后新轨道；M₃为突防弹头第二次机动点；M₃M₄为突防弹头第二次机动轨道；M₄P₃为突防弹头第二次机动后新轨道；P₃P₂为脱靶量；P₂P_B为实际脱靶量。

上述可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，该方法中的技术指标包括：

(1)机动所产生的脱靶量大于10米；

(2)成功突防所需的过载降低一个数量级(相对于目前的一次机动躲闪式突防方案)；

(3)在给定燃料消耗条件下，所产生的机动躲避次数不多于3次。

本发明的有益效果是：

(1)综合利用了EKV的红外导引头探测距离有限、机动过载有限和轨控发动机只能开机一次且持续工作时间有限等战术技术性能弱点，避免了直接在EKV末制导段与EKV比拼轨控发动机机动性能，可显著降低成功突防对突防弹头机动过载的要求；

(2)充分利用了GBI长达数分钟的大气层外无控滑行飞行的弱点，通过实施小推力、短时段机动，能以较小能量耗损产生较大零控脱靶量，从而提高了突防效率；

(3)在提高突防性能的同时，减小对命中精度的影响；

(4)技术门槛相对较低，易于工程实现。与智能诱饵、电子干扰机及雷达红外综合隐身技术等其它技术突防手段相比，机动规避式突防不需要改变弹上硬件；与在EKV末制导段内实施大推力瞬时冲量机动方案相对，无需安装大推力固体发动机，且所耗燃料较小，易于工程实现。

附图说明

本发明共有5幅附图。

图1为突防弹头与拦截弹相对运动弹道示意图。

图2为拦截器在末制导段内机动拦截突防弹头运动关系示意图。

图3为突防弹头多次机动变轨示意图。

图4为传统机动突防方案下成功突防所需过载示意图。

图5为机动规避突防方案下成功突防所需过载示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

1.大气层外动能拦截器拦截作战特点分析

对大气层外动能拦截器拦截作战性能弱点归纳总结如下。

1)大气层外动能拦截器对目标的探测距离有限

大气层外动能拦截器和助推器分离后，在末制导段只能依靠自身的探测设备对目标弹头进行探测，探测距离仅数百公里。在EKV无法实时探测到目标相对距离信息的情况下，只能依靠此前对目标当前飞行信息的估计来维持自身的飞行状态。如果突防弹头在EKV视线距离以外实施某种机动，EKV是无法及时获取目标状态信息的，也就无法及时引导自身校正飞行状态。

2)大气层外动能拦截器的持续机动能力有限目前飞行器的轨控发动机主要有二种：分别为液体燃料发动机和固体燃料发动机。前者推力较小，可控制推力的大小并灵活开关机，因此可多次使用；后者推力大，但其推力的大小和持续时间是不可控的，发动机工作时间短，并且只能一次性使用。EKV由于采用固体燃料发动机。因此，持续工作时间短，故EKV在末制导段的最大可机动能力是很有限的，约为1000m。

3)大气层外动能拦截器无控飞行给突防弹头实施机动突防提供很好的机会EKV在与助推火箭分离后，即进入了无控飞行阶段，此时，EKV仅受重力作用。由于EKV进入无控飞行之前，GBI为保证对目标具有较高的拦截成功率，已经将EKV送入了零控拦截弹道，因此，只要进攻弹不改变飞行状态，就可以实现成功拦截。但是，当进攻导弹进行变轨机动时，EKV受发动机可持续工作时间限制和EKV红外导引头探测视场有限等条件的限制，是无法相应的进行变轨机动的，这给突防弹头利用EKV的无控飞行阶段实施变轨机动规避提供了良好的机会。

2.多次变轨机动规避突防原理。

图1是突防弹头与拦截器相对运动的弹道示意图。其中，图1中点为原拦截点(即突防弹头不机动时，拦截器仅凭中制导就必然能够拦截的点)，点为EKV末制导段选择的拦截点(即突防弹头实施机动后，拦截弹相应机动，选择拦截的点)。

拦截器的拦截策略：对于拦截器而言，考虑到自身轨控发动机只能一次性点火，为防止在自身轨控发动机停止工作之后，突防弹头会利用碰撞拦截之前拦截器又将处于无控飞行状态而再次实施变轨机动，故拦截器会尽量把轨控发动机关机之后至拦截之前的剩余飞行时间压缩至最短。把控制在拦截器的最大机动能力之内(约1000m)，就可以确保在关机前对目标实施拦截。

突防弹头的突防策略：对于突防弹头而言，利用拦截器轨控发动机点火之后，无法进行再次点火的弱点，通过“多次机动”迫使拦截器提前开机，待其能量耗尽再实施机动。

依据和原理：拦截器开机时刻取决于零控脱靶量，突防弹头可通过制造较大零控脱靶量调动其开机时刻。

其证明过程如下：

图2是拦截器针对突防弹头机动变轨飞行后，实施机动拦截的示意图。假设突防弹头从M点开始改变原弹道MP₁轨迹，沿弹道MP₂飞行；P₁点为拦截器选择的拦截点，IP₁为拦截器的原弹道，拦截器相应从I点开始机动沿IP₂机动，产生的零控脱靶量为R_{miss_1}(R_{miss_1}≈P₃P₂)。

设拦截器轨控发动机推力产生的机动加速度大小为a_I，方向与P₃P₂方向成α角度，将其的运动分解成沿拦截器原弹道方向和P₃P₂方向；拦截器轨控发动机的最大持续工作时间为ΔT_max，在零控脱靶量P₃P₂大于拦截器最大机动距离的情况下，拦截器机动到A点其燃料已经耗尽，但只能消除零控脱靶量的P₂P_A，在ΔT_max时间段内，EKV沿P₃P₂方向所机动的距离为AA′。

拦截器在A点关机后，拦截器经轨控发动机以a_I的机动加速度在P₃P₂方向持续加速ΔT_max段时间后，产生的机动速度为ΔV_A。

ΔV_A＝a_I·cosα·ΔT_max (2)

令拦截器在与突防弹头相碰撞前的剩余飞行时间t_Is内，拦截器将继续机动飞行a_I·ΔT_max·t_Is的距离，以消除剩下的零控脱靶量P₃P_A。

P₃P_A＝a_I·cosα·ΔT_max·t_Is (3)

t_Is与R_{miss_1}存在如下关系：

显然，零控脱靶量R_{miss_1}越大，产生剩余飞行时间t_Is就越大；t_Is越大，突防弹头所能产生的脱靶量就越大。令突防弹头轨控发动机产生的最大机动加速度为a_M，成功突防所需脱靶量为10m，只要

就可确保成功突防。

3.小推力变轨智能机动方案描述

本发明提出一种旨在破坏陆基中段拦截弹/大气层外动能拦截器(GBI/EKV)中末制导交接班条件的“多次变轨”机动规避突防方案：

第一次机动变轨在GBI自由飞行段开始时进行，旨在产生迫使中制导轨控发动机提前开机的足够大零控脱靶量；

第二次机动变轨在GBI中制导即将结束时进行，旨在产生足够破坏GBI中末制导交接班条件的零控脱靶量；

第三次机动变轨在EKV末制导结束、发动机燃料耗尽时进行，以产生成功突防所需的脱靶量。

图3是拦截器选择一定前置角开始末制导，突防拦截双方的运动关系示意图。结合图3所示的多次机动变轨示意图描述突防弹头的变轨策略。

(1)突防弹头第一次机动变轨，产生迫使中制导轨控发动机提前开机的足够大零控脱靶量。GBI用于中制导的第三级轨控发动机由于采用固体燃料，当零控脱靶量小于GBI中制导最大机动距离情况下，GBI会在耗尽关机之前将EKV送入零控拦截流型弹道附近，实现中末制导的成功交接。如果突防弹头第一机动变轨产生的零控脱靶量大于GBI中制导最大机动距离，GBI为实现中末制导的成功交接，将不得不采用预测拦截点的拦截制导方法提前进行中制导，这样在GBI中制导结束后，至EKV末制导开始前，将有一段无控飞行时间。

突防弹头的第二次机动变轨，产生足够破坏GBI中末制导交接班条件的零控脱靶量。突防弹头利用这一无控飞行时间窗口，实施机动，在EKV末制导开始前，产生大于EKV最大机动能力的零控脱靶量，以破坏GBI/EKV中末制导交接班条件；

突防弹头沿着原弹道飞行，从M₁开始变轨，经过M₁M₂机动变轨飞行后，关机，沿着M₂P₂新轨道飞行；拦截器经过计算，发现P₂是最佳拦截点，如果拦截器不实施机动，将至少产生P₁P₂的偏差，故于I₂点开始机动；

其中，M₁为突防弹头机动点；M₁M₂为突防弹头机动轨道；M₂P₂为突防弹头机动后新轨道；P₂为最佳拦截点；P₁P₂为偏差；I₂为拦截器机动点。

(3)突防弹头的第三次机动变轨，产生成功突防所需的脱靶量。在存在较大零控脱靶量的情况下，EKV仅靠末制导段的机动无法消除零控脱靶量，对于剩下的零控脱靶量偏差，只能靠EKV末制导结束后的剩余飞行时间来解决。突防弹头再次利用EKV处于无控飞行的时间窗口，实施机动，产生成功突防所需的脱靶量实现突防。

拦截器经过I₁I₂机动后，轨控发动机熄火，沿着I₂P₂飞行；

突防弹头，沿着M₂P₂飞行一段时间，从M₃开始再次机动变轨，经过M₃M₄持续机动后，再次熄火，突防弹头沿着M₄P₃飞行；P₃P₂即为脱靶量；

显然，只要P₂P_B≥10m就能够实现成功突防；

其中，I₁I₂为拦截器机动轨道，I₂P₂为拦截器机动后新轨道；M₃为突防弹头第二次机动点；M₃M₄为突防弹头第二次机动轨道；M₄P₃为突防弹头第二次机动后新轨道；P₃P₂为脱靶量；P₂P_B为实际脱靶量。

4.小推力变轨智能机动主要技术指标

(1)机动所产生的脱靶量大于10米；

(2)成功突防所需的过载降低一个数量级(相对于目前的一次机动躲闪式突防方案)；

(3)在给定燃料消耗条件下，所产生的机动躲避次数不多于3次。

5.与传统机动方式的效果对比分析

当前的机动突防原理：利用EKV过载易饱和，“制导盲区”，进行“躲闪”。机动时机，选择在快要碰撞前1.5s～3s(相距约21km～42km)；机动方向，考虑了轴向(沿突防弹头速度方向做加速或减速机动)、法向(在射击平面内垂直于速度方向机动)、横向(垂直于射击平面机动)三种机动方向。EKV采用基于预测前置角方式实施拦截。达到成功突防所需的最小机动过载约需EKV最大过载(4g)的一半，参见图4。

参见图5，采取本发明的机动突防方式，假设中制导前无控飞行时间取为120s，末制导前的无控飞行时间约30s，中制导最大机动能力取为4km；EKV轨控发动机最大持续工作时间约为7秒，最大过载约4g，最大机动距离约960m。突防轨控发动机如果能提供8m/s²，在拦截弹二级关机后持续工作15s，将在拦截弹中制导前产生14.4km零控脱靶量；待拦截弹三级发动机关机后，突防轨控发动机再次开机，持续工作5.8s，将在拦截弹头末制导开始前产生1394m零控脱靶量；待拦截弹头轨控发动机关机，突防轨控发动机第三次开机，工作1.58s，可产生10m脱靶量。

Claims (5)

1.一种可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其特征在于：该方法要求突防弹头具备一定的探测、识别和跟踪来袭动能拦截器的能力，在此基础上，利用拦截器轨控发动机点火之后，无法进行再次点火的弱点，根据来袭拦截器的相对运动信息，前后通过多次机动变轨迫使拦截器提前开机，待其能量耗尽再实施机动突防；

旨在破坏陆基中段拦截弹GBI/大气层外动能拦截器EKV中末制导交接班条件的多次变轨机动规避突防方案，其特征在于，所述多次机动变轨包括三次机动变轨，具体是：

第一次机动变轨在GBI自由飞行段开始时进行，旨在产生迫使中制导轨控发动机提前开机的足够大零控脱靶量；

第二次机动变轨在GBI中制导即将结束时进行，旨在产生足够破坏GBI中末制导交接班条件的零控脱靶量；具体是：突防弹头利用GBI中制导结束后，至EKV末制导开始前的无控飞行时间窗口，实施机动，在EKV末制导开始前，产生大于EKV最大机动能力的零控脱靶量，以破坏GBI/EKV中末制导交接班条件；

第三次机动变轨在EKV末制导结束、发动机燃料耗尽时进行，以产生成功突防所需的脱靶量；具体是：在存在较大零控脱靶量的情况下，EKV仅靠末制导段的机动无法消除零控脱靶量，对于剩下的零控脱靶量偏差，只能靠EKV末制导结束后的剩余飞行时间来解决；

突防弹头再次利用EKV处于无控飞行的时间窗口，实施机动，产生成功突防所需的脱靶量实现突防。

2.如权利要求1所述可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其特征在于，所述突防弹头的第一次机动变轨，产生迫使中制导轨控发动机提前开机的足够大零控脱靶量，具体是：GBI用于中制导的第三级轨控发动机由于采用固体燃料，当零控脱靶量小于GBI中制导最大机动距离情况下，GBI会在耗尽关机之前将EKV送入零控拦截流型弹道附近，实现中末制导的成功交接；如果突防弹头第一次机动变轨产生的零控脱靶量大于GBI中制导最大机动距离，GBI为实现中末制导的成功交接，将不得不采用预测拦截点的拦截制导方法提前进行中制导，这样在GBI中制导结束后，至EKV末制导开始前，将有一段无控飞行时间。

3.如权利要求2所述可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其特征在于，

所述突防弹头的第二次机动变轨中，突防弹头沿着原弹道飞行，从M₁开始变轨，经过M₁M₂机动变轨飞行后，关机，沿着M₂P₂新轨道飞行；拦截器经过计算，发现P₂是最佳拦截点，如果拦截器不实施机动，将至少产生P₁P₂的偏差，故于I₂点开始机动；

其中，M₁为突防弹头机动点；M₁M₂为突防弹头机动轨道；M₂P₂为突防弹头机动后新轨道；P₂为最佳拦截点；P₁P₂为偏差；I₂为拦截器机动点。

4.如权利要求3所述可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其特征在于，

所述突防弹头的第三次机动变轨，拦截器经过I₁I₂机动后，轨控发动机熄火，沿着I₂P₂飞行；突防弹头，沿着M₂P₂飞行一段时间，从M₃开始再次机动变轨，经过M₃M₄持续机动后，再次熄火，突防弹头沿着M₄P₃飞行；P₃P₂即为脱靶量；

显然，只要P₂P_B≥10m就能够实现成功突防；

其中，I₁I₂为拦截器机动轨道，I₂P₂为拦截器机动后新轨道；M₃为突防弹头第二次机动点；M₃M₄为突防弹头第二次机动轨道；M₄P₃为突防弹头第二次机动后新轨道；P₃P₂为脱靶量；P₂P_B为实际脱靶量。

5.如权利要求1～4任一所述可控机动弹头小推力多次变轨智能规避方法，其特征在于，该方法中的技术指标包括：

(1)机动所产生的脱靶量大于10米；

(2)成功突防所需的过载降低一个数量级，相对于目前的一次机动躲闪式突防方案；

(3)在给定燃料消耗条件下，所产生的机动躲避次数不多于3次。

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