AIM-120开发

介绍

我们Eagle Dynamics为您带来尽可能逼真的飞行模拟而自豪，而对于现代空战，其中一个重要方面就是空空导弹模拟。  我们认识到此建模存在缺陷，并且在过去的一年中，我们一直在重新建模这些系统在DCS中的行为。我们非常感谢您提供的所有出色的反馈，这在很大程度上使我们能够将空空导弹仿真提升到一个新的水平。

让我们以AIM-120为例，讨论如何在DCS中建模空对空导弹。这是我们对所有空对空导弹的计划。

飞行模型

如先前的新闻通讯所述，我们已经花费了很多时间进行计算流体动力学（CFD）研究。几乎对每一种导弹型号进行了250种不同的计算。已经进行了大量的研究使得我们能够在更精确的水平上模拟主要的空气动力特性。我们还计算了发动机点火前和燃尽后导弹的重心和转动惯量等力学性能。

空气动力学

与旧的导弹动力学模型相比，新模型包含了稳定性和控制特性。这是新动力学的主要特征之一。稳定性和控制特性包括静稳定性、弹翼效率和气动阻尼。这些参数对于导弹的瞬态响应和整体飞行的真实仿真是必要的。导弹的机动性和制导精度都依赖于它们。

我们还改进了导弹的升阻特性。请看下面的图表。它显示了诱导阻力改变/改善的程度。旧的导弹版本高估了诱导阻力。通过CFD模拟，我们获得了马赫5以下的正确升力和阻力值。现在，最大升阻比对应于空空导弹的典型值。新导弹在机动过程中能量损失更少。

零升力阻力也根据CFD数据进行了更改。如下图所示，可以看到旧的和新的阻力值。另一个有趣的特点是减少了由于发动机燃烧而产生的零升力阻力。发动机排气增加了弹体后面的压力，从而减少了阻力。

图 1. 导弹在2马赫时的零升阻力与诱导阻力极曲线。

火箭发动机

火箭发动机的性能直接影响导弹的弹道和射程，因此我们决定对发动机数据进行修正。利用其他含HTPB/AP推进剂的少烟发动机的已知数据、排气喷口尺寸和一些手册数据，我们估算了推进剂特性。然后，我们使用气动函数和喷口几何形状估算了AMRAAM发动机的燃烧变化，从而获得了发动机推力和比冲。因此，我们将发动机比冲降低了约10%，以满足实际的HTPB/AP推进剂特性。

自动驾驶模型

为了使导弹具有真实的飞行动力学特性，我们开发了速度-高度自适应自动驾驶。它具有四个可变增益，可以在从海平面到100000英尺的广泛速度范围内提**确和快速的导弹控制。在建立自动驾驶时，我们进行了控制理论研究，以获得导弹作为控制对象的特性。这些特性帮助我们理解导弹应该如何表现，以及我们应该选择哪些过滤器和增益来纠正不希望的行为。第一个这样的特性是频率响应。

频率响应

您是否尝试过在关闭阻尼器的情况下驾驶DCS: F-5E-3？玩得开心。驾驶杆一不小心移动，飞机就开始振荡。导弹也有同样的行为。在一个突然的控制命令之后，它们以一个称为固有频率的特定频率振荡。频率响应使我们能够查看和分析这些振荡。请查看下面的左图。红色实线在15弧度/秒的频率处具有35分贝振幅的峰值，这意味着存在明显的振荡。我们如何避免这样的振荡，特别是需要什么阻尼器?通过将弹体速率陀螺仪的反向放大信号传递到弹翼，我们可以消除振荡。绿色实线是带有阻尼器的导弹的频率响应。

没有峰值，但另一个问题出现了。在低频段，正如在-5分贝振幅线中看到的，导弹执行的制导指令将低于要求。要解决这个问题，可以使用加速反馈。在不涉及令人头晕目眩的细节的情况下，我们将来自加速度计和的信号与制导命令反转，将其整合，然后通过特殊的过滤器传送至控制翼舵机。图表右侧的蓝线表示带有阻尼和闭合加速度反馈回路的导弹频率响应。现在，在所有可用频率下，振幅线都接近于零，导弹应该能够执行精确的指令。蓝色虚线表示导弹的相移。较大的负相位值意味着所执行的指令比所请求的指令具有越来越多的滞后。为了消除相移并提供快速导弹响应加速回路，我们增加了一个滤波器。

图 2. 导弹频率响应。

导弹的频率响应取决于许多气动参数，而气动参数又取决于当前的高度和速度。因此，为了保持期望的频率响应，自动驾驶滤波器需要速度-高度自适应。然而，上述频率响应适用于线性导弹模型，不考虑非线性元件：弹翼舵机。

机电弹翼舵机

也许每个导弹控制系统最重要的组成部分就是弹翼驱动系统总成。舵机的最大摆动角和最大摆动速率（有无负载）等参数直接影响导弹的控制响应和稳定性。为了保证真实控制系统的性能，我们建立了机电舵机模型。电气部件由带控制器的无刷直流电动机模型组成，机械部件由滚珠丝杠齿轮组成。

让我们看看带有自动驾驶和机电舵机的导弹模型在飞行中的行为。为此，我们将使用控制理论中的另一个知名系统特性：阶跃响应。

阶跃响应

阶跃响应是控制系统对突然输入指令的反应。它向我们展示了不同的参数在输入后如何随时间变化。为了得到下面的图，我们发送了一个振幅为25的自动驾驶输入脉冲指令，持续一秒。左图显示了导弹在1.5马赫和5千英尺高度对指令的反应，右图显示了在6.5万英尺高度3.5马赫时对同一指令的反应。正如您在第二种情况下看到的，由于空气密度低和弹翼摆动角度有限，该指令小于请求的值。因此，在低空和超音速下，导弹的正常加速度上升时间为0.1-0.2秒，超调量约为 2g，即10％。在很高的高度，即使在高马赫数下，IAS也会变小，导弹的加速上升时间会增加至0.5-0.6秒。

图 3. 导弹阶跃响应。

高抛弹道

自动驾驶还为远程发射提供了高抛弹道。高抛允许导弹飞往更高的高度，穿过更低密度的大气。这导致更低的阻力，增加导弹的射程和拦截目标时的速度。然而，由于空气密度-高度依赖的指数特性，低空和高空的高抛效率不同。在海平面，高抛弹道几乎没有效果，但是随着高度增加，它会变得越来越有效。以下是AMRAAM针对非机动目标的高抛弹道的几个示例。左图显示了3万英尺下最大射程同高度发射的高抛弹道，1.5马赫战斗机对1.5马赫迎面目标，发射距离为50海里。右图展示了俯视发射的高抛弹道，3万英尺，0.9马赫的战斗机对5千英尺0.9马赫的迎面目标，发射距离为36海里。

所以，飞的高些，然后记住抬起机头到15-20度，以获得额外的5-10%射程！

图 4. AMRAAM高抛弹道示例。

结束语

感谢您抽出宝贵的时间来阅读我们的新型空空导弹模型的技术性解释。根据我们的内部测试，我们发现AIM-120在射程和跟踪方面都具有致命的杀伤力。我们期待您的反馈意见，以不断改进我们所做的一切。