基于光电混合模式识别航空炸弹制导控制系统地研究

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5.3 相关处理与综合加权识别 (74)
5.4 本章小结 (75)
结论 (76)
参考文献 (77)
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (80)
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (80)
致谢 (81)
个人简历 (82)
附录1 (83)
V
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第1章绪论
1.1 课题背景
虽然当今世界主题是和平与发展，但局部战争的威胁仍然存在，祖国统一、人民安全需要有现代化的军队和武器装备[16,17]。

据俄罗斯军事科学院原副院长、著名军事理论研究专家弗·伊·斯里普琴科教授分析，现代战争已经进入“第六代”。

第六代战争在20世纪后10年开始出现。

海湾战争是雏形，科索沃战争和2001年阿富汗的反恐战争是“精心演练”。

与前五代战争相比，新一代战争具有如下鲜明特征[12-15]：
首先在作战形态上，第六代战争将是典型的“非接触”式战争。

在作战兵器上，精确制导武器和新概念武器(如粒子束武器、激光武器、等离子武器、超声波武器)将成为“宠儿”。

在战争规模上，第六代战争将不再是毁灭性的全球大战。

战争的目的是通过强大空天电子突击，使得对方重要经济、生活设施破坏，社会运行系统瘫痪，最终推翻其国家政治制度。

在作战样式上，空天(太空和天空)战将是第六代战争的主要样式。

战场将主要以太空为主，平面战场只为辅助作用。

太空和太空兵力兵器将发挥巨大、全面的作用，从近地空间对地面目标实施高精度突击。

根据“第六代”战争特点，精确制导航空武器是各国当今武器装备发展的一大趋势。

其中，用成熟技术改造大量现役装备、弹药，是大幅度提高装备性能的有效方法。

最典型的如美国JDAM、“宝石路”和前苏联的KAB-B-1500L，都是在现役航空炸弹的基础上加装制导与控制装置、滑翔增程翼面或增程发动机，使其攻击距离由几公里扩展到28km～86km，命中目标精度达2米；其中第三代“宝石路”，前端改为激光扫瞄导引头和微型计算机后，导引头有了更大的视场和更高的灵敏度，命中目标精度提高到１米，在海湾战争和北约轰炸南联盟中发挥了很大威力。

在普通航空炸弹上加装制导装置、可控弹翼及相应的控制设备，将其改装成为精确制导弹药，是快速提高航空制导武器总体装备水平的捷径，更是大幅度提高现有普通航弹效费
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比的有效途径，只要条件允许，就应当大力倡导并组织实施；更何况我国经济基础尚不雄厚，军费预算更是十分有限，更需要探索一条经济型快速强军之路。

同时，应该特别指出的是，任何国家的武器装备现代化都不能完全依赖引进，特别是核心技术、关键技术难以通过引进获得。

因此，开展航空制导武器的研究工作具有非常重大的政治、军事和经济意义。

最近空军首长明确提出我军亟待解决的若干问题中，将常规航空炸弹制导化改造列为重点，大批量的库存航空炸弹亟待改装。

1.2 航空制导武器发展概况
航空制导武器从产生至今，主要经历了由无动力普通航空炸弹改造到加装发动机航空炸弹制导化改造以及新型航空精确制导武器研制。

由于世界上许多国家都拥有大量的普通航空炸弹库存，短时间内要销毁或者处置这些“危险品”是一个很大的难题，所以目前改造工作仍然占据相当大的航空制导武器装备量，而且在今后相当长一段时间内，改造工作与新型航空精确制导武器研制工作还将并存。

本文研究的重点是无动力普通航空炸弹的制导化改造——“老弹改”工程，后续章节主要就“老弹改”工程展开论述。

1.2.1 美国
1967年，美国空军用常规炸弹对越南杜梅铁路公路大桥进行了６４次轰炸，损失飞机多架，仍未能达到目的。

1972年5月，美空军只出动了几架飞机，使用激光制导炸弹，未损失一架飞机便将该桥炸毁。

精确制导武器出现后，使战争中武器单位杀伤力产生了一个质的飞跃，二战中需要9000枚普通炸弹摧毁的目标，现在仅需几枚制导炸弹就可实现。

另一方面，精确制导武器对非战斗人员极小的附带损伤，极大降低了美国在采取军事干预行动时所冒的政治风险。

冷战后几场局部战争中精确制导武器的成功应用，使它成为美国在未来战争中的首选武器。

2003年的伊拉克战争更是航空制导武器普遍应用的典范[33]。

由此不难看出制导炸弹历久弥新的发展原因。

最近，美国参谋长联席会议《2010年联合构想》中提出：未来美国军队要在“确保信息优势”的前提下，执行“制敌机动、精确打击、全维防护、定向后勤”四大基本作战任务。

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其中，加快研制装备航空精确制导武器仍然是重中之重。

到目前为止，美国航空制导武器已经进入第四代，表1－1是对美国航空制导武器发展历程简要回顾。

表1-1 美国航空制导武器简表 项目 第一代 第二代 第三代 第四代
时间段 1960s ～1980s
1970s ～1990s 1980s ～2000s 2000s ～ 代表型号
铺路石 AGM －65 GBU －28 模块化 投弹距离／千米 8～10 10～30 20～80 80～200
投弹高度／千米 3
10 12 12 全重／千克 400～600 400～600 400～600 4000 战斗部／千克 350～550 350～550 350～550 350～550 全长／毫米 3000～5000 3000～5000 3000～5000 3000～5000 直径／毫米 300～600 300～600 300～600 300～600 翼展／毫米 500～1500 500～1500 500～1500 500～1500
制导方式 无线电 雷达，TV ，IIS ，
电视 多模复合并联 激光，电视，
GPS ＋INS
多模复合并联 电视＋ GPS+INS+IIS CEP （m ） 30 1～10 1～7 1～3 使用环境 组合使用，
半天候 组合使用， 全天候 组合使用、单独
使用，全天候 全天候
美军下一代（第四代）精确制导武器的共同特点将是：制导精度进一步提高，实现武器命中精度与武器射程无关，达到命中即杀伤的效果；注重向自主式、全天候、高精度、模块化方向发展，复合制导将成为未来精确制导的主要制导方式，精确制导武器的种类将减少，通用性增加。

1.2.2 俄罗斯
美国人在越南战争中使用高精确制导武器的成功先例，也迫使原苏联加快了此类武器的研制步伐。

这项重任落在了当时的水力机械实用研究所（后改名为“地区”国家科学生产联合企业）身上，其现任领导人为导弹炮兵科学院院士、技术科学博士叶夫根尼·沙希扎诺夫教授。

正是这一原先从事海军课
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题研究的集体，出色地完成了研制航空炸弹的任务，并在三年后将第一批
KAB-500L型可调校航空炸弹装备了部队。

随后他们又研制出了此种炸弹的
改进型，即威力更加强大的KAB-1500系列航空制导炸弹[28]。

表1－2是俄
罗斯几种主要航空制导武器性能简表。

表1-2 俄罗斯几种航空制导武器性能简表
项目ＫＡＢ－500ＬＫＡＢ－500ＫＲＫＡＢ－1500Ｌ
投弹距离／千米９．０９．０＞２０
投弹高度／千米０．５～５．００．５～５．０
全重／千克５３４５６０１５００
战斗部／千克４６０３６０ 1100~1180 全长／毫米３０５０３０５０４６００
直径／毫米４００３５０５８０
翼展／毫米７５０７５０８５０～１３５０
制导方式激光制导电视制导激光制导
1.2.3 中国
我国在攻击型武器，尤其是航空制导武器发展方面起步较晚，相对美国、
俄罗斯的资源投入也非常少。

目前总体技术尚处于起步阶段，适合于航空制
导武器的低成本INS/GPS、IIS、MMP器件和系统等关键的基础技术还尚处
于攻关阶段。

1.3 航空制导炸弹关键技术
在60年代越南战争中使用的、由普通炸弹改装成命中精度较高的各种制
导炸弹(亦称"灵巧"炸弹)的基础上发展起来的航空制导武器，现已进入第四
代；其主要特点是具有更高的机动能力、命中精度、较远的射程、以及昼夜
全天候多目标空地攻击能力。

为具备上述特点，必须突破以下关键技术[1-11]：1）载机/武器系统总体与综合技术，包括武器配备方案、系统建模、精
度分析和分配、作战效能/费用分析等；
2）武器气动外形设计技术，包括模块化弹舱结构技术、子母弹箱小弹弹
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射技术等；
3）先进制导技术，包括全球定位系统(GPS)辅助制导、天基导航系统制导等；
4）单一式/子母式战斗部技术，包括单一式高效能战斗部(破甲、动能穿甲、自锻成形、定向爆炸等)、子母式多功能战斗部(含各种制导/非制导小弹以及传感器引爆小弹)和智能式战斗部引信等。

1.4 本文主要研究内容
对航空制导武器系统综合性能而言，载机、信息平台、系统组合、武器总体等都非常重要，密不可分；基于任务分工和我国现阶段实际情况，本文在载机、信息平台等基本确定的前提下，对系统组合、武器总体进行研究和设计。

系统组合方面，主要工作是根据假想的作战背景，确定武器系统的基本组成，设定作战过程，规划各系统功能，分配各系统资源及技术接口。

武器总体方面，主要工作是根据目前的技术基础和工业基础，提出满足系统战技指标的气动、控制与制导设计方案。

其中，气动与控制，基本选用成熟技术，文章仅仅简要说明参数选择，不作深入计算论证。

重点就制导导引技术实现——“全自主模式识别”进行深入研究，提出了基于光电混合与分形技术的模式识别方案，对其基本原理、算法、硬件实现以及系统仿真进行了较为详细的论述，并针对地面复杂背景，灰度变化，比例尺度不同，旋转、扭曲、目标伪装等工况下，快速、准确地自动识别目标的技术开展了相应研究。

本文共分五章，各章内容安排如下：
第1章 介绍航空制导武器发展概况与趋势，分析了未来战争特点，航空制导武器系统的发展趋势，相关技术以及需要突破的关键技术。

第2章 论述了武器系统基本组成，使用过程以及武器总体指标，分系统构成，关键技术。

第3章 简要介绍了航空制导炸弹气动布局设计。

第4章 简要介绍了武器控制与制导子系统基本原理，功能框图，参数设计与数字仿真。

第5章 详细论述了控制与制导子系统核心技术——基于光电混合模式识别基本原理，硬件组成，算法分析。

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第2章航空制导炸弹总体方案
2.1 武器系统组成
如图2-1所示，通常意义的航空制导武器系统包括载机、武器、C3I平台、战区目标等。

其中，载机主要提供武器的发射平台，决定武器的初始速度、高度、姿态以及初始偏差精度，对武器的最终性能有着非常重要的影响；同时，其生存概率对整个战役决胜又有着至关重要的影响。

目前，国内外载机性能差异非常大，巡航距离从300～10000km，续航时间从1～12h，投放速度从200～500m/s，高度从800～20000m，定位精度从5×7×9～30×30×30～100×300×1000m（高度×航向×航程），姿态精度从（0.5，1°，1°）～（3°，5°，5°）（偏航，俯仰，滚动）不等，我国基本处于500～1000km，1～5h，200～300 m/s,800～10000m，50×100×300，（1.5°，3°，3°）这一水平，不同载机之间也有差异。

C3I平台，主要是为战前战略部署、战术应用、战争决策以及战斗过程中战场打击效果实时评估、下一步打击重点确定等活动提供通讯、指挥、控制信息的通用平台，其发达（全面性、覆盖性、实时性等）与稳定（如抗干扰能力）程度直接影响攻击成败。

在这方面各国发展水平差异更大；尤其是在实时性和抗干扰能力方面。

战区目标，主要包括航区地图、战区地图、战区气候特点以及战场部署，重点打击目标区域照片、地理特征（地形地貌、大地经纬度、绝对高度等）、攻击防御能力等，定点攻击目标几何特征、物理特征、地理特征以及雷达电磁特征等。

战区目标的实时、准确获得，是攻击成功的前提。

一定程度上，战区目标获取与C3I平台密切相关。

目前各国获取战区目标的手段主要有空间卫星系统、航空侦察机系统、特殊情报系统以及其它一些辅助手段，其分辨率通常可达1～10m，各国在获取战区目标方面的差距主要体现在实时性和准确性上。

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图2-1 航空制导武器系统组成示意图
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武器，最终完成攻击任务的载体。

其对载机的适应性越广，对C3I平台的依赖性越小，对战区目标的自主获得与自动识别能力越强，武器及武器系统的生存能力、作战能力则越强。

本文所研究的“老弹改”航空制导炸弹武器系统，基本不改动现有载机、C3I平台，武器本身在普通航空炸弹的基础上，增加滑翔增程气动部件和控制与制导分系统，提高了武器攻击距离，加强了武器自主获取目标的能力，在对战区目标不提出新要求的情况下，将整个武器系统的生存能力和作战能力提高一个数量级。

2.2 作战过程描述
根据我国C3I平台和战区目标获取方面的特点，拟定“老弹改”航空制导炸弹武器系统作战过程如图2-2所示。

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图2-2 武器系统大致作战过程描述
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如图所示，武器系统在飞机起飞后，对C3I平台以及战区目标子系统没有依赖性；投弹后，武器对载机、C3I平台以及战区目标子系统没有依赖；整个武器系统独立战场生存能力较强。

2.3 武器子系统总体设计
总体设计从数学意义上讲，是多目标优化求解问题；对于航空制导武器系统总体设计，其目标函数可以看作是一个以射程（L）、精度（P）和成本（C）为变量的多元非线性函数F（L，P，C）——系统总体性能最优，函数的约束条件为战术需求和部队装备开支承受能力；针对本项目，L、P、C均为事先给定，且同时要求对武器系统中载机、C3I和战区目标子系统基本不作改动或改动最小；因此，本文总体方案直接对武器制导化改造子系统进行论述。

武器制导化改造子系统主要涉及滑翔增程和控制与制导两大分系统。

总体设计的任务是拟定子系统及分系统基本方案，并根据经验给出分系统主要技术指标，供分系统进行工程设计与优化，然后再进行深入的总体优化设计。

其数学模型可以建立成多目标优化类型，即
目标函数
射程L（C y，C x，C z，α，S A，m，t，…，P，C）
精度P（J x，J y，J z，t，…，L，C）
成本C（t，…，L，P）
约束条件
L≥L0
P≤P0
C≤C0
m≤m0
t≥t0
S A≤S0
……
另外，相应的专业技术水平、工业基础决定了各变量的定义域。

滑翔增程分系统和控制与制导分系统总体设计的任务就是按照上述数学模型，求解合适的变量范围——拟定基本方案及硬件选型。

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2.3.1 滑翔增程分系统
考虑目前载机与吊挂物已有机械接口、巡航高度、允许投弹速度和姿态，续航时间、巡航距离以及模拟作战状态，滑翔增程分系统设计的主要目标是：确保机弹之间无静态和动态气动干扰安全隐患的前提下，获得最大的投放距离，争取实现防区外作战，提高载机和飞行员生存概率。

以某型号载机和目前装备的弹药为例，其滑翔增程分系统的设计输入输出分别为。

输入（初始数据、约束条件）：
1) 最大翼展 650mm；
2) 最大质量 560kg；
3) 战斗部质量450kg；
4) 最大长度 3200mm；
5) 投放速度 200～300m/s；
6) 投放高度 800～10000m；
7) 投放迎角－15～＋15°；
8) 投放侧滑角5～10°；
9) 投放滚转角－5～＋5°；
输出（目标、主要技术指标）：
1) 射程 25km；
2) 着角≥45°；
3) 质心与压心偏差≤20mm（压心靠后并考虑马赫数配平）；
4) 全弹质心位置 1300mm；
5) 舵轴距质心距离 1700mm；
6) 最大舵面力矩 20N·m；
7) 极限舵偏角±20°；
8) 新增结构质量≤50kg；
同时，为满足控制与制导分系统设计要求，飞行过程最大攻角应≤8°；偏航与滚动角应≤5°；另外，作为“老弹改”工程，对武器的战斗部尽可能不要加工，维持原状、确保改造工程安全。

因此，滑翔增程分系统总体设计的要点是：在不对战斗部进行补充加工和无机弹干扰的前提下，选用最大升阻比的滑翔翼翼型和翼面，设计小攻角方案弹道和适合偏航、滚动控制的气动布局。

其基本方案如图2-3。

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图2-3 滑翔增程分系统基本方案
滑翔增程分系统工程设计的内容包括：
1) 升阻比优化；
2) 总体气动布局设计；
3) 翼型设计；
4) 翼面设计；
5) 操纵舵设计；
6) 方案弹道设计；
7) 风洞试验；
8) 稳定性、操纵性分析等。

分系统硬件主要包括：
1) 前置安定面；
2) 滑翔翼；
3) 操纵舵；
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4) 安装前置安定面、滑翔翼、操纵舵的弹体结构。

2.3.2 控制与制导分系统
对于控制与制导分系统设计的主要目标是：不依赖C3I和战区目标实时信息的情况下，独立完成武器导航与控制，实现自主目标识别与跟踪，最终实施直接精确命中打击。

根据作战过程描述，控制与制导分系统要完成的功能如下：
1) 航区特性预处理；
2) 目标特性预处理；
3) 空中目标自动对准；
4) 目标区域动态特性主动获取；
5) 目标区域动态自主识别；
6) 目标动态特性主动获取；
7) 目标动态自主识别；
8) 自身空间位置测量；
9) 导航；
10) 自身姿态测量；
11) 精确控制与精准打击。

要实现上述功能，控制与制导分系统设计的主要内容包括：
1) 战区目标数据分析与数据挖掘（卫星对地遥感信息）；
2) 攻击目标数据分析与特征提取（航摄胶片以及其它情报资料）；
3) 实时战区特性自主获取硬件设计；
4) 战区实时特性与战前标准特性实时快速匹配；
5) 攻击目标自主识别；
6) 姿态稳定回路设计；
7) 位置控制回路设计；
8) 舵回路设计；
9) 弹道解算单元设计；
10) 测量元件选用；
11) 能源供应元件选用与电路设计；
12) 计算单元硬件设计或选用；
以某型号载机及装备武器和当前C3I及战区目标提供精度和分辨率水平
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为例，其控制与制导分系统设计输入与输出分别为。

输入（初始数据、约束条件）：
1) 攻击典型目标几何特性10×10×8m（桥梁、中小型指挥所等）；
2) 战区目标数据1：500灰度航摄胶片（序列），
3) 起飞至投弹时间大于40Min；
4) 投弹至命中时间 70～100s；
5) 投放点位置偏差 50×100×300，
6) 投放瞬间姿态偏差（1.5°，3°，3°）
7) 全弹质量特性M＝560kg，Jx＝Jy＝12kg·m2，Jz＝150 kg·m2
8) 全弹质心与压心偏差≤20mm（压心靠后）；
输出（目标、主要技术指标）：
1) CEP ≤10m；
2) 分系统硬件质量≤20kg；
3) 分系统硬件几何尺寸与滑翔增程分系统协调；
4) 主控计算机P C104；
5) 控制策略 INS/GPS/MMP多模复合并联，GPS数据链空中校准
INS，INS中制导，MMP末制导，GPS备保备份；
6) 导引率 PID；
7) MMP导引头三轴稳定，
8) 舵机4台一组电动舵机；
9) 能源供应投放前载机提供27V/10A直流，投放后接通弹上27V
并电池供电；
10) 光纤捷联INS组合；
11) G PS接收机，每秒刷新一次。

综上所述，控制与制导分系统基本方案如下：
总体采用光纤陀螺简易捷联惯导＋GPS空中对准＋图像识别末制导的多模复合并联控制策略，实现投放后全自主目标识别与精确攻击；主控计算机采用市场可以直接提供的PC104嵌入式计算机，导引头采用三轴稳定定焦距结构，舵机采用4台独立控制电动舵机，能源采用分段组合供应模式。

末制导采用PID导引率。

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2.4 武器子系统关键技术
确保武器子系统实现武器总体给定的战术技术指标，气动布局，翼型参数优化，稳定性、操纵性平衡以及控制系统回路设计、制导参数优化等方面非常重要，直接影响系统成败，是项目的核心技术，但工程应用已比较成熟，主要是工作量和工作全面性，测试、试验与检验的覆盖性问题。

如何实现目标区域特性——对地目标的动态实时获取以及自主识别，准确获得武器质心及姿态相对攻击目标的偏差，是本方案工程实现的关键技术[28-43]。

关于“对地目标的动态实时获取和自主识别技术”在航空制导武器系统上的应用，国内外尚处于学术讨论阶段，未见型号应用的资料报道。

其民用上的报道及产品很多，主要存在速度、体积、工作环境等方面的差异；无法直接用于航空制导武器系统。

因此，“对地目标的动态实时获取和自主识别技术”成为本项目的关键技术。

“对地目标的动态实时获取和自主识别技术”的主要难点在于：
1) 地面目标背景复杂，信噪比低，数据量大；
2) 干扰信号多，数据真实性差，需要多重滤波；
3) 地面目标基准的获取手段和数量有限；
4) 地面目标基准状态与实时状态存在差异；
5) 识别速度、正确性以及硬件体积、质量、成本之间存在重大冲突。

针对上述难点，关键技术拟采取的解决措施如下：
1) 利用各种可能的手段尽可能多的获得地面目标的基准信息，在战
前对其进行数据挖掘与重建，模型重构，建立地面目标及背景的
全息典型模型；
2) 设计多重滤波对实时信号进行处理，提高信噪比，获取真实信息；
3) 依据分形理论，进行时空相关运算，拼接有限信源，获得目标全
息；
4) 充分利用光学识别相关的快速性和计算机模式识别的精准性，在
航区及目标区域匹配上，利用光学识别，目标精确定位上，采用
计算机数字识别的光电混合模式识别；
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2.5 本章小结
载机、C3I平台、目标区域和武器共同构成航空制导武器系统，为提高武器系统整体生存能力，载机、C3I平台尽可能处于敌防区外。

为提高武器抗干扰能力，减少武器对目标区域特性的战时依赖性，提高武器本身全自主获取战场实时目标特性的能力。

基于我国现有的载机、C3I平台、战前目标区域信息系统，本文提出了以对载机几乎不作改动，并减化作战过程（投放后不管的作战模式）为前提的武器总体方案：滑翔增程气动布局设计采用大升阻比翼型，使得武器基本可以实现敌防区外高空投放；INS＋GPS＋MMP 多模复合并联制导，基本实现全自主导航与控制，战时对C3I、战区目标信息等子系统没有依赖性。

同时，对实现全自主战时目标特性获取与快速自主识别的关键技术，提出了解决措施。

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第3章滑翔增程气动布局设计
3.1 气动布局
根据总体对分系统设计要求，结合亚音速飞行器设计经验，参照各国亚音速航空制导武器气动布局，并和控制与制导分系统协调，全弹气动布局采用质心在前、压心在后的正常式总体布局；综合考虑不同飞行速度与高度情况下马赫数M配平、不同迎角α压心变化、不同舵偏角δz压心变化后，质心和压心纵向位置偏差控制在20mm以内。

根据国内外已有型号布局和使用情况，结合“老弹改”项目的实际情况，考虑尽可能不对原炸弹战斗部进行改动的前提下，初步确定弹体外形继承原弹主体外形结构，采用三段式布局，即前段为图象识别导引头舱，中段为原炸弹战斗部舱，尾段为控制舱。

气动外形设计主要特点和参数如下：
1) 保持基本原航弹尾锥尺寸，增加4片滑翔翼，提高升力，使全弹具
备足够的滑翔能力；
2) 对于亚音速飞行的航弹，半球头不会大幅度增加阻力，所以前段为
φ180左右的半球头可以减少航弹的长度，又便于光学系统的安排；
3) 为了调整稳定性与操纵性，在前段配置了4片安定面，以控制静稳
定度为4%～5%；
4) 安定面、滑翔翼、操纵舵呈×—×—×形平行布局；
5) 全弹最大升力攻角限定为6°～8°，平均升阻比为3～5，可用过载
n=1.0～3.5；
6) 操稳比按-0.8～-1.2（即δ/α=-0.8～-1.2）设计后缘舵；
7) 铰链力矩限制为20N·m（以此为输入条件，确定舵轴位置和控制系
统回路系数）。

根据上述要求初步确定气动布局和外形见图3-1和图3-2。

并根据后续风洞试验结果与质心准确计算结果，再对布局尺寸作进一步优化设计（优化设计不会影响整个方案设计）。

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