CN115342691B - 一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器。通过仿生翅果使其产生稳定自旋并减速下落；采用主翼和襟翼构成单翼布局提供主要升力和自旋力矩；通过控制襟翼摆动变化来实现减速、滑翔与下潜三种滞空模式的交替；采用周期控制襟翼摆动产生周向不平衡力实现滑翔机动；采用集群组网协同搜索与分配跟踪任务来实现对目标的精确打击。本发明单翼布撒器可以自组网变换队形、自适应环境机动变化、协同搜索目标、分配攻击任务、跟踪目标、自我隐身。

Description

一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器

技术领域

本发明涉及集群智能弹药技术，具体涉及一种仿生翅果的单翼式布撒器。

背景技术

一般装甲车辆的顶部防护较为薄弱，现代智能灵巧弹药通常选择对其顶部进行攻击。末敏弹则为一种典型的攻顶弹药，现有末敏弹大多采用导旋降落伞的方式来使其稳定下落并旋转扫描。由于伞降末敏弹的机动性较差，且很容易受到环境风的干扰，其通常采用射击距离较远的爆炸成型战斗部，进而导致弹体质量较大，弹道灵活性难以提高，容易被识别并反制。

中国专利201410361342.6中公开了一种《末敏弹智能伸缩翼》，其采用可伸缩翼片来实现对弹体的减速。但其翼片只能沿弹体径向伸缩变化，且未设置导旋结构和扫描探测结构，不具备飞行灵活性和集群要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集群化的智能攻顶弹药，通过仿生自然界枫树种子翅果设计一种单翼式自旋布撒器，可从上空对地面目标集群进行打击。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器，其特征在于：由若干个布撒器个体构成集群，通过领航飞机携带至目标上空并集群投放，由于布撒器个体仿生自然界枫树种子翅果的气动布局，布撒器个体在下落时会迅速自动产生自旋并减速下降；该布撒器集群中设有实时队形“队长”，“队长”与领航飞机和其他布撒器个体通信，每个布撒器个体都能被指定为“队长”，各个布撒器个体间通过组网通信；所述领航飞机用于搜索目标，控制集群队形变化和机动变化；所述布撒器集群能够自组网变换队形、自适应环境机动变化、协同搜索目标、分配攻击任务、跟踪目标、自我隐身。

所述布撒器个体包括襟翼、襟翼控制器、机身、弹体、弹体控制器、电子系统、机身配重块、敏感器、敏感器控制器、主翼、襟翼配重块、主翼配重块。

所述机身在自旋下落时保持水平；弹体、弹体控制器、电子系统、敏感器、敏感器控制器均安装在机身上。

所述襟翼、机身和主翼上分别对应设有襟翼配重块、机身配重块和主翼配重块，通过调节其质量大小和安装位置，进而为布撒器个体匹配合适的动力学和运动学特性，保证布撒器个体的工作稳定性；

所述主翼和襟翼均为平板翼，固定在机身的同侧，且襟翼位于主翼上方，两者翼型根据仿生翅果飞行原理设计，用于提供主要的升力和自旋力矩，保证布撒器个体在任何姿态下均能迅速进入自旋并稳定减速下落；所述主翼与机身固定连接并设有翼片倾角β，即自旋水平面Ω₁与主翼平面Ω₂的夹角，用于提高布撒器个体旋转稳定性；所述襟翼控制器用于控制襟翼相对主翼摆动产生襟翼摆动角γ，即主翼平面Ω₂与襟翼平面Ω₃的夹角，并且保证主翼与襟翼沿相交线贴合，进而实时控制和改变翼片的气动力和气动力矩，保证布撒器个体稳定下落；通过控制襟翼摆动角γ来实现布撒器个体的机动性能。

所述电子系统用于控制布撒器个体的集群、探测和机动；对于集群包括组网通信、协同搜索、姿态解算、任务分配功能；对于探测，包括目标识别、坐标定位、扫描控制功能；对于机动，包括飞行控制、环境监测功能。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明布撒器个体采用仿生自然界枫树种子翅果的气动外形和质量分布设计，无论投放初始姿态如何，均可以迅速进入自旋状态并稳定减速下落。

(2)本发明布撒器个体仅采用单个致动器控制襟翼摆动，从而实现减速、滑翔、下潜三种滞空模式的转换，具有结构简单、控制方便、灵活性强、机动性能好等优点。

(3)本发明布撒器个体在减速模式下仿生自然界翅果的下落方式，滑翔模式下仅襟翼轻微摆动，下潜模式近似自由落体；三种滞空模式具有噪声小，仿生性能好、隐蔽性能好、反侦察能力强等优点。

(4)本发明布撒器个体可携带弹体种类多，使用方便，无需人工控制，可对地面装甲和武装人员进行攻击，也可作为负载平台对指定地点进行载荷部署，可承担多种任务，使用范围较广。

附图说明

图1为本发明一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器结构组成图。

图中：1-襟翼，2-襟翼控制器，3-机身，4-弹体，5-弹体控制器，6-电子系统，7-机身配重块，8-敏感器，9-敏感器控制器，10-主翼，11-襟翼配重块，12-主翼配重块。

图2为本发明布撒器个体自旋状态正视图。

图3为本发明布撒器个体襟翼摆动示意图。

图4为本发明布撒器个体下潜模式示意图。

图5为本发明布撒器个体滞空模式转换示意图。

图6为本发明布撒器集群作战过程和工作状态示意图。

图7为本发明布撒器集群常用集群队形，包括矩形、三角形、一字型。

图8为本发明布撒器集群队形调整示意图。

图9为本发明布撒器个体襟翼摆动角说明图。

图10为本发明布撒器个体襟翼控制与滑翔方向关系示意图。

图11为本发明布撒器个体襟翼周期循环控制函数示意图。

以上图中：Ω₁-自旋水平面，Ω₂-主翼平面，Ω₃-襟翼平面，A₁-弹体弹轴，A₂-敏感器扫描轴，R-布撒器自旋轴，O-布撒器质心，α₁-弹体攻角，α₂-敏感器扫描角，β-翼片倾角，γ-襟翼摆动角，γ₁-第一襟翼摆动角，γ₂-第二襟翼摆动角，γ₃-第三襟翼摆动角，λ-布撒器实时方位角，λ₁-襟翼循环控制起始方位角，γ(λ)-襟翼周期循环控制函数，θ-滑翔方向角。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图和工作原理，对本发明一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器做进一步详细说明。

本发明一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器，由若干个布撒器个体构成集群，通过领航飞机携带至目标上空并集群投放，由于布撒器个体仿生自然界枫树种子翅果的气动布局，布撒器个体在下落时会迅速自动产生自旋并减速下降；该布撒器集群中设有实时队形“队长”，“队长”与领航飞机和其他布撒器个体通信，每个布撒器个体都能被指定为“队长”，各个布撒器个体间通过组网通信；所述领航飞机用于搜索目标，控制集群队形变化和机动变化；所述布撒器集群能够自组网变换队形、自适应环境机动变化、协同搜索目标、分配攻击任务、跟踪目标、自我隐身。

如图1所示，本发明一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器，所述布撒器个体包括襟翼1、襟翼控制器2、机身3、弹体4、弹体控制器5、电子系统6、机身配重块7、敏感器8、敏感器控制器9、主翼10、襟翼配重块11、主翼配重块12。

所述机身3在自旋下落时保持水平；弹体4、弹体控制器5、电子系统6、敏感器8、敏感器控制器9均安装在机身3上；

所述襟翼1、机身3和主翼10上分别对应设有襟翼配重块11、机身配重块7和主翼配重块12，通过调节其质量大小和安装位置，进而为布撒器个体匹配合适的动力学和运动学特性，保证布撒器个体的工作稳定性；

所述主翼10和襟翼1均为平板翼，固定在机身3的同侧，且襟翼1位于主翼10上方，两者翼型根据仿生翅果飞行原理设计，用于提供主要的升力和自旋力矩，保证布撒器个体在任何姿态下都能迅速进入自旋并稳定减速下落；所述主翼10与机身3固定连接并设有翼片倾角β，即自旋水平面Ω₁与主翼平面Ω₂的夹角，用于提高布撒器个体旋转稳定性；所述襟翼控制器2用于控制襟翼1相对主翼10摆动产生襟翼摆动角Y，即主翼平面Ω₂与襟翼平面Ω₃的夹角，并且保证主翼10与襟翼1沿相交线贴合，进而实时控制和改变翼片的气动力和气动力矩，保证布撒器个体稳定下落；通过控制襟翼摆动角γ来实现布撒器个体的机动性能；

如图2～图3所示，所述弹体4包括但不限于使用聚能弹或榴弹；当使用聚能弹时，应考虑弹轴的影响，即弹体弹轴A₁与布撒器个体自旋轴R相交成一定夹角即为攻角α₁，弹体攻角α₁由弹体控制器5控制；所述弹体4承担布撒器个体的主要质量，通过调节布撒器个体中各个部件的质量配比，使弹体4的质心位于弹体弹轴A₁与布撒器个体自旋轴R的交点，且与布撒器个体质心O重合，并且保证在改变攻角的情况下，布撒器个体仍然可以保证旋转稳定性；

所述敏感器8包括但不限于与使用光学、声学传感器；当使用点扫描敏感器时，应考虑扫描轴的影响，即敏感器扫描轴A₂与布撒器个体自旋轴R可近似相交成一定夹角即为扫描角α₂，敏感器扫描角α₂由敏感器控制器9控制；所述敏感器扫描角α₂与弹体攻角α₁近似在同一平面内变化；在布撒器个体自旋下落时，通过控制扫描角α₂，可以实现对地面目标区域的螺旋式扫描搜索；在需要攻击目标时，控制弹体弹轴A₁和敏感器扫描轴A₂同轴固定，即敏感器扫描角α₂与弹体攻角α₁相同，当敏感器8扫描到目标的同时击发弹体4，即可实现对目标的打击；当使用其他类型敏感器时，则相应进行扫描探测控制；

所述电子系统6用于控制布撒器个体的集群、探测和机动；对于集群，应包括组网通信、协同搜索、姿态解算、任务分配功能；对于探测，应包括目标识别、坐标定位、扫描控制功能；对于机动，应包括飞行控制、环境监测功能；

如图4～图5所示，本发明一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器，所述布撒器个体有减速模式、滑翔模式、下潜模式三种滞空模式，不同滞空模式之间的转换通过控制襟翼摆动角γ来实现；

所述减速模式，即在一定范围内固定襟翼摆动角γ；由于布撒器个体仿生翅果的结构，主翼10和襟翼1不在同一平面，翼片会产生旋转力矩，进而使布撒器个体自旋并降低下落速度，这种自旋状态具有一定的自稳定性；不同襟翼摆动角γ对应布撒器个体有不同的转速和落速；

所述滑翔模式，即控制襟翼摆动角γ根据自旋周期进行在一定范围内的周期性摆动；由于不同襟翼摆动角γ会产生不同的气动合力和合力矩，因此在滑翔模式下，周期变化的襟翼摆动角γ会使布撒器个体产生某一确定方向的周向不平衡合力，进而使布撒器个体在自旋减速下落的同时水平移动，实现滑翔；

所述下潜模式，即增大襟翼摆动角γ，使主翼10与襟翼1近似垂直；此时会因襟翼升力不足引起布撒器个体自旋失速，由于质量多集中在弹体4部位，布撒器个体会停止自旋并近似自由落体垂直下落，两个相互垂直的翼片也可以避免布撒器个体因惯性旋转；在恢复襟翼摆动角γ后，布撒器个体会再次进入自旋状态并稳定减速下落；在下潜模式下，由于布撒器个体失速下落并停止自旋，因此将无法探测目标和射击；

所述减速模式可以有效提高布撒器个体的滞空时间，提高集群与搜索能力；所述滑翔模式可以提高布撒器个体的机动能力，实现对目标的跟踪搜索，并且能够抵消环境横风对布撒器个体的偏航影响；

所述下潜模式，可以迅速提高布撒器个体的下落速度，实现目标追击、自我隐身、穿过阵风区；三种滞空模式可以灵活交替、稳定变换；

如图6～图8所示，根据本发明一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器的作战过程，可以将其分为协同搜索状态、跟踪状态和待击发状态三种工作状态，不同工作状态有相应的滞空模式；

所述协同搜索状态，布撒器个体使用减速模式和滑翔模式；各个布撒器个体经由领航飞机投放后，会立刻进入自旋并减速下落，通过滑翔模式控制襟翼摆动消除惯性，保证布撒器个体垂直下落；布撒器个体协同组网后，根据各布撒器个体位置坐标指定合适的集群“队长”，“队长”负责与领航飞机通信、决策集群队形并且发送给其他各个布撒器个体，布撒器个体接收到指令后配合使用减速模式和滑翔模式到达指定队形位置；在布撒器个体自旋下落的同时敏感器8开始工作，通过变换敏感器扫描角α₂实现对地面目标区域的螺旋式扫描；“队长”的队形控制为每个布撒器个体分配合适的扫描区域，扫描结果信息发送给“队长”，“队长”根据扫描结果和领航飞机探测结果决定是否将其选定为目标以及是否需要变换队形；

所述跟踪状态，单布撒器个体使用减速模式、滑翔模式和下潜模式；在布撒器集群确定一个目标后，会指派合适的布撒器个体去跟踪进攻，若被指派的布撒器为“队长”，则集群队伍将指定一个新的“队长”，同时根据集群个体数的减少变换合适队形；布撒器个体接收到跟踪指令后脱离集群队伍去跟踪目标，通过使用敏感器8实时确定目标位置，根据目标位置交替使用减速模式、滑翔模式和下潜模式，以最快速度接近目标；

所述待击发状态，布撒器个体使用减速模式和滑翔模式；当布撒器个体接近目标并进入弹体4的有效射击范围后，采用聚能弹时则会控制弹体弹轴A₁和敏感器扫描轴A₂同轴固定并保证稳定自旋状态，一旦当敏感器8扫描到目标后立即触发弹体4对目标进行打击；采用榴弹时则在进入有效攻击范围内立即进行攻击；

为保证成功打击目标，布撒器集群为一个目标分配多个布撒器个体进行跟踪打击；根据目标的分布情况，布撒器集群使用矩形队形、三角形队形和一字型队形；若布撒器集群没有发现其他目标或者布撒器个体跟踪目标时发生目标丢失，则布撒器个体在落地后触发自毁。

将本发明布撒器个体划分为多个气动受力单元，则其在下落过程中满足以下公式：

上述式中：m_i为每个气动单元的质量，V_ix、V_iy、V_iz分别为每个气动单元的三轴速度分量，U_ix、U_iy、U_iz分别为每个气动单元的三轴相对风速分量，C_ix、C_iy、C_iz分别表示每个气动单元的三轴空气阻力系数，S_ix、S_iy、S_iz分别表示每个气动单元的三轴迎风面积，∑M_ix、∑M_iy、∑M_iz分别表示布撒器个体的三轴旋转力矩，L_ix、L_iy、L_iz分别表示布撒器个体三轴合力作用于质心的距离，ρ为空气密度，t表示时间，g表示重力加速度。

如图9～图11所示，当襟翼摆动角γ处于第一襟翼摆动角γ₁与第二襟翼摆动角γ₂之间时，布撒器个体会产生稳定自旋；当襟翼摆动角γ大于第三襟翼摆动角γ₃时，布撒器个体会失速进入下潜模式；使襟翼摆动角γ再次恢复到第一襟翼摆动角γ₁与第二襟翼摆动角γ₂之间，布撒器个体则会重新进入稳定自旋状态。在滑翔模式下，对襟翼摆动角γ进行周期循环控制，循环控制函数为γ(λ)，则布撒器个体会产生沿滑翔方向角θ方向上的周向不平衡力，实现滑翔；通过控制襟翼循环控制起始方位角λ₁则可以控制滑翔方向，实现定向滑翔。

Claims (1)

1.一种集群攻顶弹药仿生单翼布撒器，其特征在于：由若干个布撒器个体构成集群，通过领航飞机携带至目标上空并集群投放，由于布撒器个体仿生自然界枫树种子翅果的气动布局，布撒器个体在下落时会迅速自动产生自旋并减速下降；布撒器集群中设有实时队形“队长”，“队长”与领航飞机和其他布撒器个体通信，每个布撒器个体都能被指定为“队长”，各个布撒器个体间通过组网通信；所述领航飞机用于搜索目标，控制集群队形变化和机动变化；所述布撒器集群能够自组网变换队形、自适应环境机动变化、协同搜索目标、分配攻击任务、跟踪目标、自我隐身；

所述布撒器个体包括襟翼(1)、襟翼控制器(2)、机身(3)、弹体(4)、弹体控制器(5)、电子系统(6)、机身配重块(7)、敏感器(8)、敏感器控制器(9)、主翼(10)、襟翼配重块(11)、主翼配重块(12)；

所述机身(3)在自旋下落时保持水平；弹体(4)、弹体控制器(5)、电子系统(6)、敏感器(8)、敏感器控制器(9)均安装在机身(3)上；

所述襟翼(1)、机身(3)和主翼(10)上分别对应设有襟翼配重块(11)、机身配重块(7)和主翼配重块(12)，通过调节其质量大小和安装位置，进而为布撒器个体匹配合适的动力学和运动学特性，保证布撒器个体的工作稳定性；

所述主翼(10)和襟翼(1)均为平板翼，固定在机身(3)的同侧，且襟翼(1)位于主翼(10)上方，两者翼型根据仿生翅果飞行原理设计，用于提供主要的升力和自旋力矩，保证布撒器个体在任何姿态下均能迅速进入自旋并稳定减速下落；所述主翼(10)与机身(3)固定连接并设有翼片倾角β，即自旋水平面Ω₁与主翼平面Ω₂的夹角，用于提高布撒器个体旋转稳定性；所述襟翼控制器(2)用于控制襟翼(1)相对主翼(10)摆动产生襟翼摆动角γ，即主翼平面Ω₂与襟翼平面Ω₃的夹角，并且保证主翼(10)与襟翼(1)沿相交线贴合，进而实时控制和改变翼片的气动力和气动力矩，保证布撒器个体稳定下落；通过控制襟翼摆动角γ来实现布撒器个体的机动性能；

所述电子系统(6)用于控制布撒器个体的集群、探测和机动；对于集群包括组网通信、协同搜索、姿态解算、任务分配功能；对于探测，包括目标识别、坐标定位、扫描控制功能；对于机动，包括飞行控制、环境监测功能；

所述弹体(4)包括聚能弹或榴弹；当使用聚能弹时，应考虑弹轴的影响，即弹体弹轴A₁与布撒器个体自旋轴R相交成的夹角即为攻角α₁，弹体攻角α₁由弹体控制器(5)控制；所述弹体(4)承担布撒器个体的主要质量，通过调节布撒器个体中各个部件的质量配比，使弹体(4)的质心位于弹体弹轴A₁与布撒器个体自旋轴R的交点，且与布撒器个体质心O重合，并且保证在改变攻角α₁的情况下，布撒器个体仍然能够保证旋转稳定性；当使用榴弹时，则控制布撒器个体靠近目标，进入有效打击范围内时击发则可以摧毁目标；

所述敏感器(8)包括光学、声学传感器；当使用点扫描敏感器时，应考虑扫描轴的影响，即敏感器扫描轴A₂与布撒器个体自旋轴R近似相交成一定夹角即为扫描角α₂，敏感器扫描角α₂由敏感器控制器(9)控制；所述敏感器扫描角α₂与弹体攻角α₁近似在同一平面内变化；在布撒器个体自旋下落时，通过控制扫描角α₂实现对地面目标区域的螺旋式扫描搜索；在需要攻击目标时，控制弹体弹轴A₁和敏感器扫描轴A₂同轴固定，即敏感器扫描角α₂与弹体攻角α₁相同，当敏感器(8)扫描到目标的同时击发弹体(4)，即实现对目标的打击；

所述布撒器个体具有减速模式、滑翔模式、下潜模式三种滞空模式，不同滞空模式之间的转换通过控制襟翼摆动角γ来实现；

所述减速模式，即在一定范围内固定襟翼摆动角γ；由于布撒器个体仿生翅果的结构，主翼(10)和襟翼(1)不在同一平面，翼片会产生旋转力矩，进而使布撒器个体自旋并降低下落速度，这种自旋状态具有一定的自稳定性；不同襟翼摆动角γ对应布撒器个体有不同的转速和落速；

所述滑翔模式，即控制襟翼摆动角γ根据自旋周期进行在一定范围内的周期性摆动；由于不同襟翼摆动角γ会产生不同的气动合力和合力矩，因此在滑翔模式下，周期变化的襟翼摆动角γ会使布撒器个体产生某一确定方向的周向不平衡合力，进而使布撒器个体在自旋减速下落的同时水平移动，实现滑翔；

所述下潜模式，即增大襟翼摆动角γ，使主翼(10)与襟翼(1)近似垂直；此时会因襟翼升力不足引起布撒器个体自旋失速，由于质量多集中在弹体(4)部位，布撒器个体会停止自旋并近似自由落体垂直下落，两个相互垂直的翼片也能够避免布撒器个体因惯性旋转；在恢复襟翼摆动角γ后，布撒器个体会再次进入自旋状态并稳定减速下落；在下潜模式下，由于布撒器个体失速下落并停止自旋，因此将无法探测目标和射击；

所述减速模式能够有效提高布撒器个体的滞空时间，提高集群与搜索能力；所述滑翔模式能够提高布撒器个体的机动能力，实现对目标的跟踪搜索，并且能够抵消环境横风对布撒器个体的偏航影响；

所述下潜模式，能够迅速提高布撒器个体的下落速度，实现目标追击、自我隐身、穿过阵风区；三种滞空模式之间灵活交替、稳定变换；

根据布撒器的作战过程，将其分为协同搜索状态、跟踪状态和待击发状态三种工作状态，不同工作状态有相应的滞空模式；

所述协同搜索状态，布撒器个体使用减速模式和滑翔模式；各个布撒器个体经由领航飞机投放后，会立刻进入自旋并减速下落，通过滑翔模式控制襟翼摆动消除惯性，保证布撒器个体垂直下落；布撒器个体协同组网后，根据各布撒器个体位置坐标指定合适的集群“队长”，“队长”负责与领航飞机通信、决策集群队形并且发送给其他各个布撒器个体，上述布撒器个体接收到指令后配合使用减速模式和滑翔模式到达指定队形位置；在布撒器个体自旋下落的同时敏感器(8)开始工作，通过变换敏感器扫描角α₂实现对地面目标区域的螺旋式扫描；“队长”的队形控制为布撒器个体分配合适的扫描区域，扫描结果信息发送给“队长”，“队长”根据扫描结果和领航飞机探测结果决定是否将其选定为目标以及是否需要变换队形；

所述跟踪状态，单布撒器个体使用减速模式、滑翔模式和下潜模式；在布撒器集群确定一个目标后，会指派合适的布撒器个体去跟踪进攻，若被指派的布撒器为“队长”，则集群队伍将指定一个新的“队长”，同时根据集群个体数的减少变换合适队形；布撒器个体接收到跟踪指令后脱离集群队伍去跟踪目标，通过使用敏感器(8)实时确定目标位置，根据目标位置交替使用减速模式、滑翔模式和下潜模式，以最快速度接近目标；

所述待击发状态，布撒器个体使用减速模式和滑翔模式；当布撒器个体接近目标并进入弹体(4)的有效射击范围后，采用聚能弹时则会控制弹体弹轴A₁和敏感器扫描轴A₂同轴固定并保证稳定自旋状态，一旦当敏感器(8)扫描到目标后立即触发弹体(4)对目标进行打击；采用榴弹时则在进入有效攻击范围内立即进行攻击；

为保证成功打击目标，布撒器集群为一个目标分配多个布撒器个体进行跟踪打击；根据目标的分布情况，布撒器集群使用矩形队形、三角形队形和一字型队形；若布撒器集群没有发现其他目标或者布撒器个体跟踪目标时发生目标丢失，则布撒器个体在落地后触发自毁。