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1、图书分类号_ TJ761_密级_非密_UDC 注 1_硕士学位论文火箭弹弹道方案优化技术研究严蜀宇（作者姓名）指导教师（姓名、职称）_陈国光教授_申请学位级别专业名称工学硕士火炮、自动武器与弹药工程论文提交日期_年_月_日论文答辩日期_年_月_日学位授予日期_年_月_日论文评阅人_答辩委员会主席_年月日原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：
2、关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：中北大学学位论文摘要本文的主要内容是基于遗传算法(Genetic Algorithm)的火箭弹弹道方案优化技术研究。为火箭弹推导出了基于刚体弹道模型的简化弹道模型，这种弹道模型的弹道优化设计既保证了计算精度，又提高了计算效率。
3、经过研究遗传算法基本原理和对不同改进后的遗传算法的性能测试，最终选出了适于火箭弹弹道优化设计的算法。利用经过种种测试选出的改进的遗传算法分别实现了对 A 型火箭弹和 B 型火箭弹的弹道方案进行优化。本文在进行弹道优化设计时充分考虑了方案的可行性。在以往的火箭弹弹道优化设计中，研究者的注意力往往只放在理论层面上，为了追求最大射程，容易忽略武器系统总体设计要求，对于方案的可实现性等问题均不予考虑，结果就是方案无法在现实当中实现。本文则避开了这一缺陷，在设计过程中充分考虑了方案的可实现性。本文采用了改进遗传算法进行火箭弹弹道优化设计。在标准遗传算法的基础上，精英个体保留策略和分层优化思想的引入不仅保
4、证了全局收敛，而且大大提高了算法的收敛速度，避免了标准遗传算法的早熟收敛状况。相较于传统优化算法，采用改进遗传算法更易于设计出性能优越的弹道方案。本文的相关研究成果和方法可供后续相关研究参考。关键词:火箭弹，弹道，遗传算法，优化设计中北大学学位论文AbstractThe main content of this article is based on Genetic Algorithm (based Algorithm) of rockettrajectory optimization design and simulation study.For the rockets is deduced
5、 based on the rigid body trajectory model simplified ballistic model,the ballistic model of ballistic optimization design not only ensure the calculation precision, andimproves the computational efficiency; After a study of basic principle of genetic algorithm andperformance test of different improv
6、ed genetic algorithm, finally choose the suitable for very longrange guided missile trajectory optimization design of the algorithm. Made of A variety of test toselect the improved genetic algorithm respectively realized with rockets and type B rockettrajectory optimization.Ballistic optimization de
7、sign based on the fully consider the feasibility of the scheme. In therocket trajectory optimization design of the past, the researchers attention often only on thetheoretical level, in order to pursue maximum range, easy to overlook the weapon system overalldesign requirements, to plan the realizab
8、ility of all into consideration, the result is impossible toimplement in reality. This paper is to avoid the defects in the design process fully consider therealizability of solution.This paper uses the improved genetic algorithm for rocket trajectory optimization design. Onthe basis of the standard
9、 genetic algorithm, the elite individuals to retain the introduction of thestrategy and hierarchical optimization ideas not only guarantee the global convergence, andgreatly improve the convergence speed of the algorithm, to avoid the premature convergencecondition of the standard genetic algorithm.
10、 Compared with the traditional optimization algorithm,using the improved genetic algorithm is easier to design a ballistic optimization scheme ofsuperior performance.In this paper, the related research results and method can be used for reference in thesubsequent studies.Keywords:Rocket, trajectory,
11、 genetic algorithm, optimization design中北大学学位论文目 录第一章 绪论.11.1 引言.11.2 火箭弹研究现状.21.3 火箭弹的弹道优化.31.4 研究内容与意义.61.5 本文结构安排.7第二章 火箭弹弹道建模.82.1 引言.82.2 建立坐标系.82.3 力与力矩分析.122.3.1 受力分析.122.3.2 力矩分析.132.4 地球模型和标准大气.142.4.1 地球模型.142.4.2 标准大气.152.5 刚体弹道模型.162.6 弹道模型简化.182.7 弹道方程求解.212.8 本章小结.22第三章 优化算法及改进.233.1 引
12、言.233.2 遗传算法基础理论.233.3 标准遗传算法.263.4 遗传算法改进.273.5 仿真与分析.323.6 本章小结.35第四章A 型火箭弹的弹道优化研究.364.1 引言.364.2 基本情况说明.364.3 建立优化模型.394.3.1 目标函数.394.3.2 设计变量.394.3.3 约束条件.424.3.4 优化模型.444.4 弹道优化.454.5 结果与分析.464.6 本章小结.49I中北大学学位论文第五章B 型火箭弹的弹道优化仿真研究.505.1 引言.505.2 基本情况说明.505.3 建立优化模型.525.3.1 目标函数.525.3.2 设计变量.525
13、.3.3 约束条件.545.3.4 优化模型.555.4 弹道优化.555.5 结果与分析.565.6 本章小结.58第六章 结论.596.1 总结.596.2 展望.59参考文献.61攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果.64致谢.65II中北大学学位论文第一章 绪论1.1 引言火箭弹 （rocket projectile）一般是靠火箭发动机推进的非制导弹药。主要用于杀伤、压制敌方有生力量，破坏工事及武器装备等。按对目标的毁伤作用分为杀伤、爆破、破甲、碎甲、燃烧等火箭弹；按飞行稳定方式分为尾翼式火箭弹和涡轮式火箭弹。火箭弹通常由战斗部、火箭发动机和稳定装置 3 部分组成。战斗部包括引
14、信、火箭弹壳体、炸药或其他装填物。火箭发动机包括点火系统、推进剂、燃烧室、喷管等。尾翼式火箭弹靠尾翼保持飞行稳定；涡轮式火箭弹靠从倾斜喷管喷出的燃气，使火箭弹绕弹轴高速旋转，产生陀螺效应，保持飞行稳定。火箭弹的发射装置，有火箭筒、火箭炮、火箭发射架和火箭发射车等。由于火箭弹带有自推动力装置，其发射装置受力小，故可多管（轨）联装发射。单兵使用的火箭弹轻便、灵活，是有效的近程反坦克武器。火箭弹在实战中，常常会遇到火箭炮难以进入作战地域，或者火箭炮临时损坏的情况。遇到这种情况，可以采用简便方式，不用发射器照样发射火箭。这种方式是先将火箭弹放置在临时构筑的长方形土堆、田埂或土坎上，再把折叠式瞄准具卡在
15、炮弹后部。如果没有瞄准具，则可以沿弹体划出一条纵轴线，从底部向前量出一定的距离，放上一个 20 毫米高的物体做准星。然后分别将火箭弹上的导电盖和定心部分用砂纸打磨，再把发射导线的两头用胶布粘在打磨过的部位，此时，火箭弹已处于待发状态。发射手通过瞄准具瞄准目标后，即撤离隐蔽，用干电池或手摇发电机接通发射电路，火箭弹就飞了出来。弹体较长的火箭弹，还可以用两根棍子将弹体支起，使其成一定的仰角，朝向打击目标，即可接通电路发射。由于这种发射方式机动灵活，简易易行，打了就走，所以是步兵、民兵近战歼敌的有效手段。火箭是一种非常古老的武器，早在明代，中国人就已经开始在战争中大量使用火药动力发射的箭镞，其中最著
16、名的代表就是举世闻名的中国明代“神机箭”多管火箭。这种原始的火药箭可以对目标起到直接击杀、爆破和纵火燃烧等作用，是世界上已知的最早用于实战的火药动力火箭武器。现代意义上的火箭弹大规模应用于实战是从二战开始。1中北大学学位论文当时交战各方普遍在战斗机或攻击机的机翼下安装多具挂架，携带多枚火箭弹用来攻击敌方空中、地面和水面目标。作为一种战术导弹，制导火箭弹的成本较低，并且和传统的无控火箭弹相比，其在射程和精度上都占有很大优势。火箭弹弹道具有以下特点：(1)火箭弹沿着一条预定的弹道飞行，攻击地面固定目标。(2) 通常采用垂直发射方式，使导弹平稳起飞上升，能缩短在大气层中飞行的距离，以最少的能量损失克
17、服作用于导弹上的空气阻力和地心引力。(3)火箭弹大部分弹道处于稀薄大气层或外大气层内。因此，它采用火箭发动机，自身携带氧化剂和燃烧剂，不依赖大气层中的氧气助燃。(4)火箭发动机推力大，能串联、并联使用，可将较重的弹头投向较远的距离。(5)火箭弹飞行姿态的修正，用改变推力方向的方法实现。(6)弹体各级之间、弹头与弹体之间的连接通常采取分离式结构，当火箭发动机完成推进任务时，即行抛掉，最后只有弹头飞向目标。(7) 弹头进入大气层时，产生强烈的气动加热，因而需要采取防热措施。(8)火箭弹无弹翼，没有或者只有很小的尾翼，起飞质量和体积大，结构复杂。(9)为提高突防和打击多个目标的能力，战略弹道导弹可携
18、带多弹头(集束式多弹头或分导式多弹头)和突防装置。(10)有的弹道导弹弹头还带有末制导系统，用于机动飞行，准确攻击目标。1.2 火箭弹研究现状多管火箭弹武器，是世界各国武器专家致力于研究的对象。按照目前的发展态势，主要有以下的发展前景可供参考：首先，为了加强其纵深打击能力，应该努力增加射程。其次，由于现代战场的作战任务灵活多变，有必要改进战斗部使之成为一弹多头的装置。再次，鉴于目前的技术准确攻击运动目标也是一大难题，使用末制导技术或配备智能子弹药战斗部则有助于解决这一难题。最后，为了形成武器系统灵活高效的作战力，可以将火箭弹与战术导弹集成为一体，2中北大学学位论文以使打击火力在远近和轻重方面可
19、以自主选择。由于制导火箭弹的研制技术还不成熟，许多细节问题尚待钻研探究，因此已经研制出的成型产品并不多。现有国外一些制导火箭弹性能参数可供参考，如表 1.1 所示。表 1.1 国内外典型的火箭弹产品性能指数1.3 火箭弹的弹道优化火箭弹的弹道也可以称为飞行轨迹，它属于弹道学研究领域中的外弹道。此外，内弹道、终点弹道也属于弹道学的研究范围。制导火箭弹的外弹道包括方案弹道和导引弹道1。方案弹道的特点是火箭弹的空间飞行轨迹取决于既定的控制程序和相关参数。一旦参数和程序确定后火箭弹的发射轨迹将不可更改，而要随某个运动参数的变化而形成固定的飞行轨迹。此处所指运动参数一般有飞行高度、侧滑角、弹道倾角、攻角
20、和俯仰角等。导引律也称导引方法，是控制制导对象追踪目标最终相遇的控制规律，故而通过某种控制规律使制导对象（火箭弹）追随目标的运动状态飞行直至与目标相遇的弹道设计叫做导引弹道。我们所选择的导引方法、制导对象跟随目标飞行轨迹做出的相应动作是决定导引弹道特性的两大关键因素。比例导引和追踪法是通常研究制导火箭弹弹道采用的导引方法。火箭弹的总体方案论证分别需要对方案弹道和导引弹道进行设计。而方案弹道的设3典型产品ERGMLRLAPEXTRAA100PHL03研发国家美美以色列中中弹径(mm)127155300300300弹长(m)1.552.454.07.37.6战斗部重(Kg)1812125235全弹
21、质量(Kg)50118450840最大射程(Km)111154150100150CEP(m)20400制导方式INS/GPSINS/GPSINS/GPS简易 INS简易 INS发射方式火炮发射+火箭助推火炮发射+火箭助推火炮发射火炮发射火炮发射中北大学学位论文计是第一位的，其后才是导引弹道设计。只有在方案弹道满足最大射程、弹道高度、飞行时间等基本技术指标要求的前提下导引弹道才有可能实现其功能，准确击中目标。也就是说，只有制定出好的弹道方案，才能在总体上提高制导火箭弹的性能。因此我们进行方案设计的首要任务是就是选择出性能最优、最适合的方案弹道。在当今时代，抛物线飞行弹道和滑翔飞行弹道是火箭弹通常
22、采用的方案弹道。抛物线飞行弹道的飞行轨迹在重力的作用下自然形成抛物线。美国 BTERM-II 火箭弹和国内的 A100、PHL03 型火箭弹的方案弹道均属抛物线飞行弹道。滑翔飞行弹道由沿抛物线弹道爬升的上升段和按一定程序角控制规律滑翔飞行的下降段两部分组成。美国的 ERGM 火箭弹所采用的就是滑翔飞行弹道。采用抛物线飞行弹道和滑翔飞行弹道各有其有利和不利的方面。对于抛物线飞行弹道来说，它的设计方案实现起来非常简单，仅用很短的时间就能完成任务而到达指定地点。但由于弹道规律固定不变又简单，敌人很容易检测出发射阵地的位置进而发起回击。此外突防性能差也是抛物线飞行弹道的一大缺陷。与此相对的，当火箭弹使
23、用等量的推进剂时滑翔飞行弹道的射程更远。又因为弹道采用复杂的控制规律所以不易被敌方侦查和监测而遭受攻击。不过滑翔飞行弹道对时间以及姿控系统的要求比较高，不仅全程飞行时间长，而且滑翔段要以一定的程序攻角长时间飞行。总而言之，抛物线飞行弹道和滑翔飞行弹道都有明显的优缺点，而且目前在火箭弹上都有应用。照现在制导技术的发展趋势，各种成本会越来越低，滑翔飞行弹道的发展可能优于抛物线飞行弹道。弹道设计是决定火箭弹性能的关键技术之一。弹道设计越好，火箭弹性能越高，在未来战争中就会越占优势。因而世界各国都在不遗余力的研究武器系统设计中的优化设计问题。从 20 世纪 70 年代伊始，目前对弹道方案的探索已经在方
24、案论证及设计方面取得了很大突破。弹道方案的优化设计集合了用途特点、设计思想、优化方法、设计参数等诸多因素。要具体考虑该火箭弹的即将应用的场合，需要实现的功能，依据的基本理念，应该使用的优化方案等。在种种工作完成的条件下就可以制定出最合适的、性能最优的方案，为整个制导火箭弹的方案设计打好坚实基础。总结来说，好的弹道设计需要协调考虑各个设计参数和设计指标要求，以设计出综合性能最优的弹道方案。毕竟我们追求的最终目4中北大学学位论文标是弹道性能良好、具有可实现性的全弹总体方案，因此性能良好的弹道方案是完成后续方案的前提性一步。基于弹道优化设计的复杂性、多约束和非线性问题，一般有间接法和直接法两种优化方
25、法来解决此类问题。直接法一般有单纯形法34 、步长加速法23、POWELL 法35、可行方向法3等，难以计算的目标函数不可微或目标函数梯度信息不易得时多用此法；间接法一般有牛顿法3、共轭梯度法36、拟牛顿变尺度法37等。目标函数可微且梯度信息易获得者多用此法。现实情况总是复杂多变的，我们所建立的实际工程数学模型往往包括非凸和存在多个局部极值点的复杂问题，要想获得全局最优解，使用局部优化算法存在很大局限性。而无论直接法还是间接法所得出的最终计算结果都是局部极值，而大多目标函数都是非凸的、并非只有一个局部极值点，因此很难达到满意效果。故而传统优化方法并不适用于弹道优化设计。1975 年美国的 Ho
26、lland 教授发明了遗传算法，这是一种仿照生物进化理论的智能化算法，是现代普遍使用的、取得较大成功的优化算法。它的提出是基于达尔文进化论思想。与传统优化算法相比，遗传算法的优势显而易见。首先，容易实现全局优化，不仅可以在较短时间内找到最优值和波动很小的计算结果，而且可实现并行高速运算节省时间；其次，同时在多个点处进行搜索，大大了减少搜寻最优解所要花费的时间；此外，遗传算法适用于很多问题，目标函数可有很多形式，比如以具体解析式表示的显函数、无具体表达式的隐函数、甚至映射等均可。这对于解决规模较大、系统复杂的问题好处多多。要成功研制火箭弹，弹道仿真与优化是其中一个关键的步骤，它为总体设计提供重要的性能参数，它在总体设计中占有极其重要的地位。在火箭弹武器系统研制过程中，从型号设计开始，到火箭弹出厂，需要结合不同阶段的要求，完成不同精度的弹道仿真和优化实验。在总体方案设计阶段，为了比较各种方案的优劣，需要进行弹道仿真计算和优化，以确定各方案对战技术指标的吻合程度。飞行器性能的鉴定，要经过多次飞行试验才能确定，若每次飞行试验都要真实打靶，则要耗费很多的经费。用准确的数学模型代替真实的物理模型，就可以在计算机平台上重复很多次的模拟飞行，分析试验结果，5中北大学学位论文这样，
