基于灵巧弹药的目标探测与弹道修正技术研究
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摘要
灵巧弹药是一种传统弹药技术与先进制导控制技术创新性融合的新型智能武器,是军事装备发展系统化、信息化、智能化的必然产物。它是通过应用光、机、电、材料等高新技术,能够主动探测目标并采取简易制导进行弹道修正。文中介绍了国内外灵巧弹药的发展现状,提出了基于激光主动制导的弹头偏转控制灵巧弹药技术,并设计了相关的电路和弹体结构。
本文详细设计了弹药总体结构、激光发射模块、回波接收模块、弹头偏转控制模块。系统针创新性地采用激光主动制导技术和弹头偏角控制技术,完成了灵巧弹药的基本概念、关键技术、功能部件、结构布局及其工作原理等总体技术的研究。重点完成了弹头偏角控制原理的分析和基于FLUENT的气动力学特性仿真,在充分考虑各模块合理布局的基础上设计加工了灵巧弹药样机。研制了脉冲激光电源,该驱动电源可以很好的配合中电13所研制的J001激光器工作;设计了激光回波信号接收模块,实现了对微弱光信号的探测;针对系统回波脉冲信号占空比大的特点,设计了脉冲展宽电路,便于系统数据采集电路应用一片多通道模数转换芯片对回波信号的同步采集;通过FPGA对回波信号的分析实现了目标方位的判断;针对晶丰电子生产的压电陶瓷设计了微型驱动电源。
经实验验证该系统不仅可以很好的探测目标方位,同时还可以对弹体姿态进行适时的修正。论文针对灵巧弹药的设计理论和电路设计,为灵巧弹药技术的研究做出了有益的探索。该目标探测技术和基于弹头偏转修正飞行弹道的控制技术也将为其它微制导武器和新概念武器的设计提供参考。
Smart munition is a new type of intelligent weapon with the innovative integration of the traditional bullet technology and the advanced guidance and control technology. It is the inevitable results of military equipment development with the trend of systematize, informationization, intelligence. It takes simple guidance or trajectory correction through using high and new technology, such as light, machine, electricity, material, etc., can actively detect the target and revise trajectory. The paper introduce the research state of the smart munition home and abroad, then put forward the idea that applying the active laser guidance and deflectable nose control technology, at last, designs the corresponding circuit and the general structure.
This paper designs an overall structure, laser emission module, echo receiving module, deflectable nose control module. System adopts active laser guidance technology and deflectable nose control technology creatively, completes the research of basic concept, key technology of smart munition, functional components, structure layout, and work principle of overall technical. Key completed the principle of deflectable nose control analysis and aero dynamics simulation in fluent, designed the prototype of smart munition on the basis of considering layout of each module. Developing an laser driver module, the drive power can be very good cooperation of J001 semiconductor laser produced by CECT13; Designing the laser echo signal receiving module, realize the weak signal detection; In order to predigest data acquisition system, designing a pulse broadening circuit according to system echo’s the characteristic of big duty cycle; System realizing the orientation judgment through the use of FPGA ; Designing a mini-power aim at the stack actuator produced by jingfeng electronic corporation.
The experimental results verify the system can not only detect goal orientation, is very good also to modify the attitude timely. The design theory and circuit design are benefit to the exploration of smart munition. Its target detection and deflectable nose control technology provide a reference for other micro guidance missile and new concept of weapons.
本文详细设计了弹药总体结构、激光发射模块、回波接收模块、弹头偏转控制模块。系统针创新性地采用激光主动制导技术和弹头偏角控制技术,完成了灵巧弹药的基本概念、关键技术、功能部件、结构布局及其工作原理等总体技术的研究。重点完成了弹头偏角控制原理的分析和基于FLUENT的气动力学特性仿真,在充分考虑各模块合理布局的基础上设计加工了灵巧弹药样机。研制了脉冲激光电源,该驱动电源可以很好的配合中电13所研制的J001激光器工作;设计了激光回波信号接收模块,实现了对微弱光信号的探测;针对系统回波脉冲信号占空比大的特点,设计了脉冲展宽电路,便于系统数据采集电路应用一片多通道模数转换芯片对回波信号的同步采集;通过FPGA对回波信号的分析实现了目标方位的判断;针对晶丰电子生产的压电陶瓷设计了微型驱动电源。
经实验验证该系统不仅可以很好的探测目标方位,同时还可以对弹体姿态进行适时的修正。论文针对灵巧弹药的设计理论和电路设计,为灵巧弹药技术的研究做出了有益的探索。该目标探测技术和基于弹头偏转修正飞行弹道的控制技术也将为其它微制导武器和新概念武器的设计提供参考。
Smart munition is a new type of intelligent weapon with the innovative integration of the traditional bullet technology and the advanced guidance and control technology. It is the inevitable results of military equipment development with the trend of systematize, informationization, intelligence. It takes simple guidance or trajectory correction through using high and new technology, such as light, machine, electricity, material, etc., can actively detect the target and revise trajectory. The paper introduce the research state of the smart munition home and abroad, then put forward the idea that applying the active laser guidance and deflectable nose control technology, at last, designs the corresponding circuit and the general structure.
This paper designs an overall structure, laser emission module, echo receiving module, deflectable nose control module. System adopts active laser guidance technology and deflectable nose control technology creatively, completes the research of basic concept, key technology of smart munition, functional components, structure layout, and work principle of overall technical. Key completed the principle of deflectable nose control analysis and aero dynamics simulation in fluent, designed the prototype of smart munition on the basis of considering layout of each module. Developing an laser driver module, the drive power can be very good cooperation of J001 semiconductor laser produced by CECT13; Designing the laser echo signal receiving module, realize the weak signal detection; In order to predigest data acquisition system, designing a pulse broadening circuit according to system echo’s the characteristic of big duty cycle; System realizing the orientation judgment through the use of FPGA ; Designing a mini-power aim at the stack actuator produced by jingfeng electronic corporation.
The experimental results verify the system can not only detect goal orientation, is very good also to modify the attitude timely. The design theory and circuit design are benefit to the exploration of smart munition. Its target detection and deflectable nose control technology provide a reference for other micro guidance missile and new concept of weapons.
引文
[1]王树魁.国外弹药发展的特点和趋势.弹箭技术.2001.
[2]吴志林,徐万和等。“有控枪弹”及其关键技术。轻兵器.2000年第1期.
[3] Simpson, B.,“Administrative Discussion Regarding US Army Concerns and Resulting BLAM Program Stoppage,”USAF Armament Directorate, Eglin AFB, FL, September 1997.
[4]郭锡福.关于灵巧弹药的探讨.弹箭技术.1996,2
[5]周育才,发展中的激光制导武器,航空兵器.1989年第1期:32～34
[6]陈先斌。激光主动制导技术。红外与激光技术1994年第1期
[7]杨绍卿,论武器装备的新领域—灵巧弹药,中国工程科学2009年第11卷第10期
[8]姚树旗,关于“灵巧弹药”一词的探讨弹箭技术1995年第2期
[9]周军,美国的灵巧子弹药研制现状,飞航导弹2001年第2期
[10]徐文,以色列披露新研制的智能子弹药,飞航导弹2005年第3期
[11]周伟,世界上最小的“射后不管”导弹,兵器知识2009,7A
[12] Barrett.R,"Invention and Evaluation of the Barrel-Launched Adaptive Munition (BLAM)," Final Report to the USAF Armament Directorate, Wright Laboratory, Eglin AFB, FL, Assc. No. 95-0003, August, 1995.
[13] Earl S.Faris and Raymond D. Waltram, Design Consideration for an Active Laser Seeker,Force Armament Laboratory, Eglin AFB, Florida 32542.
[14] Ron Barrett, Gary Lee. Guided Bullet: A DECADE OF ENABLING ADAPTIVE MATERIALS R&D. 2001
[15] Earl S.Faris and Raymond D. Waltram, Design Consideration for an Active Laser Seeker,Force Armament Laboratory, Eglin AFB, Florida 32542.
[16]杨世荣.激光制导的物理原理工程物理1997年第2期
[17] AD-A022714, Prospects for Precision Active Tracking Using a Quadrant Detector, 1988
[18] R.C.Harney, Military Applications of Coherent Infrared Radar, SPIE Vol.30D, P.2一11, 1987
[19] V.G.Roper, Active Infrared Systems and Technology, SPIE Vo1.806, 1987
[20] R.C.Harney, Military Applications of Coherent Infrared Radar, SPIE Vol. 30D, P.2一11, 1987
[21] V.G.Roper, Active Infrared Systems and Technology, SPIE Vo1.806, 1987
[22] Schmidt,AERODYNAMICALLY COMPLIANT PROJECTILE NOSE, UNITED States Patent US4998994,1991.12
[23] Lipeles, GUIDED BULLET, UNITED States Patent US6474593,2002.5
[24] Thomso K D,The use of a deflectable nose on a missile as a control device,WSRL-02110tr,Defence Research Centre Salisbury,South Australia,1981
[25] Mifsud M. CFD analysis of a supersonic projectile with defectable nose control,AIAA-2006-3200,2006
[26] Chen P C,Liu D D. CFD body-flexure control with smart actration for nypervelocity missiles,AIAA-2003-1965,2003
[27] Lander M G,Hall L H. Deflectable nose and canard controls for a fin-stabilized projectile at supersonic and hyper-sonic speeds, AIAA-2003-3805,2003
[28] Milton E.A productivity oriented application of computational fluid dynamics to the design of a hypervelocity missile,AIAA-2002-2937
[29] Vaughn M E. Assessment of a productivity oriented CFD methodology for designing a hypervelocity missile, AIAA-2002-3937
[30] Stutts J C.Development and experimental validation of a barrel launched adaptive munition, AIAA-1998-2037
[31]张军徽.采用分布式压电驱动器改善飞机横滚能力的研究.北京航空航天大学.2003.
[32]黄志奇.压电微位移驱动器的结构设计与仿真.电子科技大学.2004.
[33]周勇.压电智能结构有限元法理论及应用.南京航空航天大学.2004.
[34]陶惠峰.超精密微位移系统研究.浙江大学硕士论文.2003.
[35]王建,樊少军等.战术导弹智能偏转弹头控制系统研究.科学技术与工程2009年9月第9卷第17期
[36]徐红钦.压电驱动的自适应结构研究.南京航空航天大学.2003.
[37]钱杏芳,林瑞雄,赵亚男.导弹飞行力学.北京:北京理工大学出版社,2006:160-234
[38]刘新建.导弹总体分析与设计.长沙:国防科技大学出版社,2006:25-26
[39] US Army Proposes’Droop-Snoot’. Missile guidance. Jane’s Missile & Rockets,2003,7(1):15
[40]徐劲祥,宋锦武,夏群力.弹道修正弹末段脉冲推力控制研究.弹道学报.2005.06.
[41] Barrett, R.,“Hypervelocity Interceptor Technology Testbed (HITT) Adaptive Switchblade Actuator Mechanism (ASAM)”, Final Report, Schafer Corp., Huntsville, AL 22 Feb. 2000.
[42]梁增友.控制弹箭头部攻角的弹道修正弹外弹道研究.华北工学院学报.2001.
[43]郭泽旭自寻的炮射导弹总体设计初步研究北京理工大学硕士论文2008年6月
[44]姚征,陈康民. CFD通用软件综述.上海理工大学学报2002,第24卷第2期
[45]张志伟,刘建军.各种湍流模型在FLUENT中的应用实用技术2008年第10期
[46]李文华,苏明军.常用湍流模型及其在FLUENT软件中的应用水泵技术2006年第4期
[47]韩占忠,王敬等. FLUENT—液体工程仿真计算实例与应用北京:北京理工大学出版社2004.6, 18-26
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[51]张劲夫,秦卫阳.高等动力学北京:科学出版社,2004:130-145
[52]陈胜石欧秋哗.小型大功率脉冲半导体激光器的激励源设计.应用光学Vol.21 No.5 2000:1-4
[53]周炳琨,高以智等.激光原理北京:国防工业出版社,2009
[54]蓝信矩等.激光技术.北京:科学出版社,2005
[55]曾光宇,张志伟等.光电检测技术北京:清华大学出版社,2005
[56]奕程涛.窄脉冲大电流激光激励源的研究.南京:南京理工大学硕士学位论文2004.7
[57]巫中伟.窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术南京:南京理工大学硕士论文2007.6
[58]沈耀忠,任志纯,罗毅。TMOS功率场效应管原理及其应用北京:电子工业出版社1995年11月
[59] IXYS Corporation. DE150-201N09A data sheet IXYS Corporation
[60] MOSFET栅极驱动的优化设计通信电源技术杨汝2002年8月第四期
[61]鲁莉容,李晓帆,蒋平功率MOSFET高速驱动电路的研究电力电子技术2001年12月第35卷第6期
[62] Abhijit D. Pathak. MOSFET/IGBT DRIVERS THEORY AND APPLICATIONS, IXYS Corporation 2001, APPLICATION NOTE AN0002
[63] ONSEMI MC33152 data sheet ON Semiconductor
[64]陈尚松,雷加,郭庆。电子测量与仪器北京:电子工业出版社2005 P291
[65]李海飞.半主动激光制导武器仿真系统仿真导引头的研制.国防科技大学硕士论文,2005.
[66]冯龙龄,邓仁亮.四象限光电跟踪技术中若干问题的探讨.红外与激光工程,1996,25(1):16～21.
[67]张广发著,电路噪声的计算与测量,国防科技大学出版社,1994;
[68]张志峰,余涛,苏展等。象光斑和四象限探测器象限面积大小关系的理论研究光子技术2005年9月第3期
[69]李日忠.半主动激光制导武器仿真系统仿真导引头的研制.国防科技大学硕士论文,2004.
[70]赵桂芬,邓甲昊,一种激光目标探测系统的模型仿真科技导报2006年第12期,第24卷
[71]刘顺发,陈洪斌。影响激光传输因素分析宝鸡文理学院学报2002年6月,第22卷第2期
[72]刘波涛。大气对激光传输的影响光散射学报2007年3月,第19卷,第1期
[73]陈志斌,王呈阳等。一种展宽放大和快速放电电路及其在窄激光脉冲检测中的应用探测与控制学报2007年10月第29卷第5期
[74]林伟,叶虎年,叶梅,冯海.一种新型压电陶瓷控制器的研究.压电与声光. Vol. 27 No.2.
[75]陈大任。压电陶瓷微位移驱动器概述电子元件与材料1994年2月
[76]邓俊广。基于压电陶瓷驱动器的精密定位平台控制系统研究汕头大学硕士学位论文2006年6月
[77]贾爱莲。高压大功率运算放大器PA85国外电子元器件2000年1月
[78]李福良。基于PA85的新型压电陶瓷驱动电源压电与声光2005年8月第27卷第4期
[79] Apex Corporation. PA85data sheet Apex Corporation
[2]吴志林,徐万和等。“有控枪弹”及其关键技术。轻兵器.2000年第1期.
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