论文摘要：基于突防效率的巡航导弹多学科优化设计

 

多学科优化设计是上世纪90年代发展起来的一种新型设计方法，它可以有效地解决大规模复杂工程系统设计问题，在航空航天领域有着广阔的应用前景，是目前国际上众多飞行器设计研究方法中具有较强使用价值的设计方法。

       传统的巡航导弹多学科优化以导弹的巡航速度、射程或发射质量为目标函数，一般分为质量学科、发动机学科、弹道学科以及气动学科四类学科，而对于对巡航导弹作战效能影响很大的突防能力考虑的并不多，通常是在设计好导弹后再进行突防能力评估，这样做虽然可以较大程度的降低巡航导弹多学科优化的复杂度，但是却割裂了巡航导弹与其突防环境、隐身能力以及主动干扰能力的关系，所以在某些情况下导致其作战效能并不高。本文将传统的巡航导弹多学科优化设计加以改进，以巡航导弹（群）的突防效率为目标函数，在保持原有四个设计学科的基础之上，加入巡航导弹突防能力分析学科、隐身能力分析学科、主动干扰能力分析学科，将巡航导弹多学科优化设计加以完善，同时恢复传统导弹多学科优化设计中割裂的导弹本身与其作战效能的关系，为巡航导弹初始设计阶段各个分系统设计指标的确定提供有效的数学工具。

       主动干扰能力分析学科主要结合巡航导弹的突防手段，建立弹载雷达干扰机干扰防御雷达以及弹载引信干扰机干扰拦截弹引信的评估模型。弹载雷达干扰评估模型建立在巡航导弹与防御雷达博弈的基础之上，根据雷达的典型防御指标，结合雷达探测方程，将雷达对目标的探测由信噪比计算发现概率扩展为信干比计算发现概率；弹载引信干扰评估模型的重点在于简化了拦截弹与巡航导弹相对位置以及相对距离的计算模型，结合经典的引信干扰成功率评价准则计算引信干扰成功率，同时计算拦截弹被成功干扰毁爆的距离。

隐身能力分析学科主要为巡航导弹突防提供巡航导弹雷达散射截面积及红外发现概率，它分为雷达隐身能力与红外隐身能力两个部分。在雷达隐身能力建模中，采用了部件分解与简单体相结合的方法，化简巡航导弹头、侧、尾三个方向上平均雷达散射截面积（Radar Cross Section，RCS）估算模型。采用巡航导弹目标的Swerling起伏模型，计算防御雷达在某探测角度下的瞬时发现概率；在红外隐身建模中，以传统巡航导弹红外辐射估算为基础，将巡航导弹红外辐射源分为弹身蒙皮、尾焰及尾喷管三个部分，重点根据二能流理论计算蒙皮的红外发射率，并结合红外预警系统的探测能力，建立红外预警系统对巡航导弹瞬时发现概率模型。

       突防能力分析学科是整个多学科优化设计框架中的核心内容，它建立了巡航导弹（群）突防由预警机、地面雷达与红外预警系统、歼击机、防空导弹以及高炮所组成的立体防空体系的突防效率模型。建模过程之中，在确保一定的分析精度的前提下，采用合理的方法简化各个防御武器的数学模型，并采用导弹拦截性能修正因子来提高其计算精度。在处理巡航导弹（群）突防不同种类的防御武器层次时，为了减小蒙特卡洛抽样所带来的收敛速度慢的问题，采用拟蒙特卡洛抽样的方法具体计算成功突防的导弹数量，这种方法比经典的蒙特卡洛抽样方法收敛的更快。

       本文选择了两种具有代表性的多学科优化算法—一体化算法（All in one算法）与协同优化算法来对所建立的多学科优化模型进行优化设计，得到某突防环境下巡航导弹各个学科的设计参数，并比较了单方向集群突防与多方向同时突防两种突防模式的优劣性，结果表明在正常情况下，采用多方向同时突防的突防效果要明显优于单方向集群突防。为了降低系统分析和学科分析的难度，本文运用均匀试验设计以及BP神经网络，对较为复杂的学科建立了神经网络响应面模型。

       在巡航导弹的初始设计阶段，人机交互较为频繁，而传统的巡航导弹多学科优化设计手段需要将导弹设计与突防效率分开考虑，这样就会大大增加人机交互的次数，使用起来并不是十分方便。综上所述，本文从巡航导弹突防效率的角度出发所建立的巡航导弹多学科优化模型可以较好的在初始设计阶段反映出巡航导弹的突防能力，提高巡航导弹的作战效能，为初始设计阶段的巡航导弹多学科优化提供合理、有利的数学工具。

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