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探测与控制学报投稿格式参考范文:弹药引信空投技术现状分析与发展建议

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  0 引言

  空投是一种非常重要的部队投送及物资补给的手段,在现代超远距离战争以及抢险救援中发挥着不可或缺的作用。进入 21 世纪以来,随着国产大型运输机、直升机的装备,以及导航系统等各行业的进步,我国空投武器装备的技术取得了显著成就。从 20 世纪末的吉普车到现代的空降步战车、反坦克导弹发射车、自行火炮等,空降兵小件连投、重装空投、人装混合空投等关键技术相继取得突破,部队远程突击能力和快速机动能力明显提升。但目前,空降兵部队的空投作战配备的武器、弹药、引信等装备尚未开展实战化考核要求,相关空投模拟试验要求尚未统一,存在模拟试验边界不匹配甚至冲突等问题。

  本文首先对空投分类进行了总结,对降落伞空投涉及的要素进行了归纳,结合降落伞空投涉及的核心要素分析了当前国内空投技术研究现状与不足,最终依据弹药、引信及武器装备等空投信息,梳理了国内空投相关标准,为空投环境安全性模拟试验及未来发展方向提供了参考建议。

  1 空投简介

  空投是指从运输机或直升机上将物资或装备投放至地面或水面预定区域的行动,其装备主要用于救灾以及边远地区运输等领域。

  空投实施过程分为预先准备阶段、直接准备阶段和空投实施阶段。从空投过程来看,空投作业涉及的实物要素主要有空投飞机平台、空投系统和空投对象。

  空投飞机平台即实施空投作业的载机。空投系统由降落伞系统、平台系统、捆绑系留装置及配套工具等组成。平台系统主要包括平台主体、行走装置。配套工具主要用于辅助空投系统地面装配、机内装载、落地回收等。

  空投对象也就是待空投的物资。空投对象与空投系统装配后形成空投单位,即空投件。

  1.1 按重量分类

  空投件按大小及重量又分为大件、中件、小件。重量大于 1000kg 定义为大件,重量为 500~ 1000kg 定义为中件,500kg 以下归为小件。当前国内在空投方面的研究主要集中在重装空投领域,依托大中型运输机完成对重型武器装备或救援物资的运输及空中投放。被空投装备包括:通信车、坦克、装甲车辆、火炮等。按照物品重量以及尺寸归类,这些均属于大件空投。重装空投用空投系统已形成系列化产品,空投流程明确。重装空投分有货台和无货台两种,落地时底部均采用气囊缓冲。

  1.2 按是否带伞分类

  按照空投系统中是否含降落伞,可将空投分为无伞空投和带伞空投。其中带伞空投是最常见的空投方式,其使用降落伞作为减速和稳定装置,适用于较重或者精准投放的装备,可有效降低装备在着陆时的冲击,提高装备的安全性。无伞空投主要是依靠货物本身结构与投放时的动力学特性来实现稳定投放,其具有准备时间短、投送迅速、着陆散布小、可重复利用等优点,逐渐成为未来物资后勤保障方式的发展趋势。

  1.3 按空投方式分类

  按飞机空投的方式分为牵引连投和重力空投。牵引连投是通过牵引伞的牵引力将武器装备拉出飞机,而重力空投主要是利用飞机飞行时的一定仰角,使装备沿滑轨滑出飞机。牵引空投由于适合空投重量较大的装备,因此广泛使用。

  1.4 按空投高度分类

  按空投时飞机的飞行高度可将空投分为超低空空投、低空空投以及高空空投。通常飞行高度在 100m 以下的空投方式称为超低空空投,主要适用于快速作战、躲避侦察等任务;低空空投飞机飞行高度在 100~1000m,适用于侦察、训练、伞降等任务;高空空投时飞机飞行高度大于 1000m,用于长距离的物资投放和快速补给,需要精准的投放技术。

  2 国内空投技术研究现状

  2.1 重装空投技术

  随着新材料、新技术的发展,且受世界多处局部战争中空降空投作战技术的影响,十几年来,重装空投涉及到的技术一直是研究的热点问题。

  郝广庆对国内外重装空投技术的发展历史、空投系统、空投方式、载机机型、投物伞等关键技术等进行了全面的分析。刘目等人建立了重装空投过程的飞机、货物耦合运动模型,开发了重装空投模拟器仿真试验系统,并对牵引系统失效、货物卡滞情况的系统安全性进行了分析。杨旭等人以重装空投技术为背景,对军用越野车在空投着陆过程中的力学特性进行了分析,对真实车辆空投着陆提出了建议。马俊等人针对运输机重型装备连续空投优化问题,推导了空投过程中载机及货物的全量运动方程,分析了连续空投过程中的时间影响。刘涛等人开展了车辆载人空降试验和仿真验证,分析了空降触地过程中人员、车辆关键部位的冲击损伤,对载人空降车辆的设计具有指导意义。宋华文等人在分析空投弹药捆绑包装方式对弹药保障效果影响的基础上,建立了空投弹药捆绑包装的数学模型,对空降作战弹药的空投捆绑包装方法具有一定的参考和指导价值。上述研究对弹药引信装备的空投方式、着陆冲击、损伤分析具有一定的参考意义,但存在研究数据来源单一,基本依赖仿真而非实测,尤其缺乏复杂战场环境下的验证;其次飞行控制、伞降、装备缓冲等子系统研究相对割裂。

  2.2 空投缓冲技术

  空降空投既要保证作战物资空投快速及时,又要做到安全完好,空投的高速度、着陆的强冲击等都对空投缓冲技术提出了更高的要求,因此研究空降空投缓冲技术对于提高我军空投保障能力具有重要意义。

  于成果等人总结了当前着陆缓冲技术的进展,对已有缓冲装置的技术性能、使用范围开展了说明和分类归纳。孙宁国等人分别从缓冲气囊分类、性能参数计算与优化方法、技术发展方向总结当前国内外着陆缓冲气囊的研究现状,为气囊缓冲技术发展研究提供了参考依据。刘胜祥等人对蜂窝纸板的力学性能进行了分析评估,探讨了蜂窝纸板在空投包装领域的应用效果及前景。洪煌杰等人基于有限元法和控制体积法建立了装备气囊系统,利用多目标遗传算法对气囊缓冲系统参数进行了优化。孙杰华等人设计了具有一定缓冲功能、效费比较高的中件空投托盘,计算结果表明具有储运方便、装机简单、吸能缓冲、成本低廉等特点,为中件空投系统和空投货台的改进设计提供了一种思路。王翠香等人建立撞击后缓冲装置的力学分析模型,给出了缓冲装置防侧翻效果的量化评估,为空投缓冲装置的设计提供了理论依据。王新春等人提出了组合式缓冲装置在空投过程中的应用,通过仿真验证其在一定程度上提高了空投装备的安全性。上述研究对弹药引信装备空投缓冲、包装加固、优化设计具有一定的参考意义,但主要问题是试验验证不足、部分成果应用存在限制。

  2.3 精准空投技术

  传统空投技术受气象等自然条件影响导致着陆位置偏离大,严重影响部队的后勤保障。现代精准制导以及控制技术 (尤其是北斗系统部署以来) 与空投技术的结合,使得精确空投技术得以迅速发展,在战略及战术层面上大幅提高了部队的部署和保障能力。

  杨建文等人参考国外典型精准空投系统阐述了合格导航制导控制需求,梳理了精确空投领域的未来发展趋势,提出了我国精确空投关键技术突破和发展方向。姜涛等人根据精确空投伞降系统类型阐述与分析了国内外精确空投及关键技术的研究现状,并对精确空投系统的发展趋势进行了展望。兰文昌等人设计了一种具有鼓风兜的飘带,提高了无伞空投物品包的投放质量,实现了小物件低成本、轻量化、通用化的精确空投。黎光宇等人设计了具备动压测量判断和时间控制两种模式的降落伞开伞控制系统,实现了降落伞开伞动压精确控制,提高了空投试验中降落伞开伞条件控制的准确度。王国平等人从多体系统动力学建模、动力学性能预测与优化设计等方面综合阐述装备空投的国内外研究进展,总结装备空投的研究发展趋势以及技术难题,指出了提高装备空投精度和安全性的前沿研究方向。上述研究对弹药引信装备空投模拟、精度控制和安全性设计具有一定的参考意义,但当前精确空投技术研究仍存在系统完整性不足、复杂环境适应性弱、成本高、可靠性低等不足。

  2.4 伞降系统技术

  伞降系统从最初的低高度伞降发展到高高度、高寒高原地区的空投,实现了多样化的空投能力。国内外对于降落伞系统的研究集中于伞系统的设计、气动计算等方面。

  张应等人首先对降落伞、翼伞的发展和研究现状进行了综述,进而对不同风场条件下十字伞系统和翼伞系统运动特性展开了研究。刘钊等人设计了一套高精度、高速度、灵活的着陆过载测试系统,对伞兵伞开伞、着陆过程中发生的过载进行实时、准确、全面地测量,能对评价降落伞性能提供重要的参考依据,对降落伞的材料选择及制造工艺有一定的指导作用。王绪军等人建立了低空投放下的弹伞弹道模型,为空投型武器弹药系统参数的确定奠定了基础,对指导飞机投弹具有十分重要的意义。王铁宁等人提出了构建装备物资无伞空投系统的设想,从包装箱的抗冲击性能、无伞空投信息平台等方面论证了在 100~300m 高度实现无伞直接空投应急装备物资的可行性,对我军在当前条件下进行空投物资配送形式改革有一定的现实意义和参考价值。上述研究在降落伞系统环境适应性验证、无伞空投方案的抗冲击可靠性实证,以及与真实战场环境的匹配度等方面仍显不足。

  从以上空投技术的研究发展历史来看,我国空投技术随着新兴关键技术的不断进步和创新,显著提高了空投的精确性、快速性和安全性问题,在全球范围内已经逐步赶上了美俄等国家,对在特种作战条件下的武器、装备、物资等补给提供了有力保障。但相关武器装备领域的研究主要集中在重装空投,未针对弹药、引信类等带火产品在中件空投下的适应性、安全性问题进行研究,相关理论模型、等效模拟方法、评价准则以及基础试验数据匮乏。

  3 空投载机及弹药引信情况

  3.1 空投载机情况

  空投载机是空投过程中的核心环境之一,空投单元内的武器装备受力环境主要取决于空投载机的空投方式、空投高度以及空投姿态等,空投过程越恶劣武器装备发生故障或安全性事故的可能性越高。

  我国早期的空中运输力量主力机型为从前苏联引进的安 24、伊尔 14 和运 5,伊尔主要执行客运和货运任务。20 世纪 80 年代后,运 8 运输机投入量产并装备部队,与运 7、安 24 一道成为当时的主力运输机型。20 世纪 90 年代后,国内从俄罗斯引进的伊尔 76 中型运输机,载重量为 40t。目前,空运部队主要由运 8C 和运 9 中小型运输机、伊尔 76 中型运输机和运 20 大型运输机构成。

  我军在运 8C、伊尔 76 和运 20 飞机上都进行过空投空降试验,空投单件最大重量已达到了 10t 级,并可连续投放。其中,运 8C 可一次空投 1 辆战车,但不能连投;运 20 可实现 3 车连投,并完成了空投战车试验。

  但是,截止现在尚未在演训中开展针对弹药、引信的实战场景空投,从实际调研和公开文献查询获得的载机相关空投环境要素并不完备,关于机载降落伞空投的相关标准和要求尚不完善。

  3.2 弹药引信空投情况

  弹药引信空投从尺寸及重量来看,属于中件空投,目前国内在该领域的研究处于起步阶段。调研表明,中件空投均会配备空投货台,现役及在研中件货台尺寸均在 1.2m×1.2m 左右,缓冲装置按照国军标要求一般采用蜂窝纸板材料。

  依据空降作战任务需求对引信提出了空投环境适应性验证要求,弹药类型包括小口径杀伤爆破弹、迫击炮弹、中大口径杀伤爆破弹、无坐力炮弹、单兵火箭弹、反坦克火箭弹等,以常规弹药为主,其包装特征类型主要包括定装,弹、引独立包装以及引信随战斗部与运载体分两部分独立包装后合装等状态,以弹、引独立包装后合装为主。其中涉及的主要引信及包装类型明细如下。

  空投涉及的主要弹药引信、包装类型:

  小口径杀伤爆破弹:无典型引信,包装形式为定装,包装构成包含内包装衬垫(海绵板、聚乙烯或聚苯乙烯等)、包装箱(木材、金属或工程塑料)、缓冲装置(蜂窝纸板、瓦楞纸板、充气气囊、可挤压泡沫等)。

  迫击炮弹:典型引信为机电引信,包装形式为弹引独立包装后合装。

  中大口径杀伤爆破弹:典型引信为机械、机电引信,包装形式为弹引独立包装后合装。

  无坐力炮弹:典型引信为机电引信,包装形式为弹引独立包装后合装。

  单兵火箭弹:典型引信为机电引信,包装形式为弹引独立包装后合装。

  反坦克火箭弹:典型引信为机电引信,包装形式为引信随战斗部与运载体分两部分独立包装后定装。

  4 弹药引信及武器装备降落伞空投相关标准分析

  国内与武器装备空投相关的标准主要有:GJB 6854-2009《空降兵装备空投要求》、GJBz 20338-1996《投物伞空投系统通用规范》、GJB 3229-1998《空投集装用具规范》、GJB7789 2012《重装空投试验要求》、GJB3280-1998《车辆、火炮空投捆绑要求》、GJB4403A-2018《常规兵器弹药包装定型试验规程》、GJB573B- 2020《引信及引信零部件环境与性能试验方法》方法 505 “模拟降落伞空投试验”、GJB3104-1997《空投货台通用规范》、GJB3228-1998《固定在货台上的空投物资的加载环境的一般要求》、GJB 3839-1999《蜂窝纸板规范》等。

  各标准详情

  GJB6854-2009《空降兵装备空投要求》:适用空降兵装备,规定了空降兵装备的空投实施要求,主要包括重量、外形尺寸、过载、包装、重心调整、捆绑系留、试验、装载等空投要求。不足:对于如何开展空投试验未进行详细规定。

  GJBz20338-1996《投物伞空投系统通用规范》:适用投物伞空投系统,规定了投物伞空投系统及其组件的一般要求,包含落地速度、投物伞下降稳定性、防翻装置防翻率、落地冲击过载等要求。无明显不足标注。

  GJB3229-1998《空投集装用具规范》:适用空投集装用具,规定了空投集装用具的性能、结构、外观质量、质量保证、集装储运等要求,明确集装用具包含吊带组件、货袋、货网。无明显不足标注。

  GJB7789-2012《重装空投试验要求》:适用重量在 1000kg 以上的重型装备或物资,规定了重型装备或物资空投试验的要求、程序和方法,明确空投对象与载机、空投系统的适配性,空中姿态稳定性、稳降速度、开伞过载、落地冲击过载、落地缓冲、防翻以及地面冲击试验方法等关键指标。无明显不足标注。

  GJB3280-1998《车辆、火炮空投捆绑要求》:适用重量为 1.5~20t 的各类车辆、火炮,规定了使用投物伞空投时,车辆、火炮空投捆绑的基本要求。不足:未涉及空投试验。

  GJB4403A-2018《常规兵器弹药包装定型试验规程》:适用常规兵器弹药包装,规定了常规兵器弹药包装定型试验项目、试验条件、方法、数据处理及试验结果评定,针对带实弹弹药包装箱明确模拟空投坠落试验要求,规定了模拟空投试验落速、落高、地面、姿态、试验次数及弹药合格判据。不足:未规定落地冲击过载的最大值和脉宽范围。

  GJB573B - 2020《引信及引信零部件环境与性能试验方法》:适用引信,规定了外场模拟降落伞空投试验要求,包含引信包装形式、缓冲垫、地面状态,低速、高速、失速空投等效模拟方法与合格判据。不足:未明确提出冲击过载要求。

  GJB3104 - 1997《空投货台通用规范》:适用货台及其零、部件,规定了空投货台及其零部件一般要求,明确货台组成包含货台主部、系件、锁定机构、牵引索固件、缓冲装置固定件、防翻装置安装件、导引件、滚道板、货轮安装座等,具体组成按型号规范规定。无不足标注。

  GJB3228 - 1998《固定在货台上的空投物资的加载环境的一般要求》:适用货台式空投装置,明确固定在货台上的军用物资空投加载环境基本设计依据、物资抗冲击能力评价方法;规定带伞、货台空投试验方法,明确常用缓冲材料为蜂窝结构纸板、可发性聚苯乙烯泡沫塑料板,并给出缓冲材料结构设计公式,可计算对应减速过载系数下缓冲材料厚度。无不足标注。

  GJB3839 - 1999《蜂窝纸板规范》:适用蜂窝纸板,规定了蜂窝纸板的技术要求、试验方法和质量检验等事项,明确撞击模拟试验地面为混凝土地面,货台 / 滑板撞击姿态要求,以及蜂窝纸板平压强度、静态弯曲强度、粘合强度等机械性能要求,执行标准参照 GB / T13024。不足:仅将蜂窝纸板划定为包装箱、防护衬垫、托盘隔板用材,未制定专门适配空投试验的蜂窝纸板相关标准。

  分析以上国军标对空投的要求,可以得出以下结论:

  1) 综合来看,10 项空投相关国军标对装备空投要求、投物伞系统设计要求、空投集装用具制造、重型装备空投试验要求、车辆火炮空投捆绑要求、常规兵器弹药包装空投试验方法、引信模拟空投试验方法、军用物资固定在货台上空投时所经受的加载环境的基本设计依据、蜂窝纸板技术要求等进行了基本规定,但对于落地冲击速度、落地地面、试验方向、被试品空投试验类型 (低速空投、高速空投、失常空投)、被试品重心要求、空投缓冲装置详细要求、装备空投落地冲击需承受的过载等空投试验涉及的具体要素,各项国军标要求不太一致,部分要求缺失,部分要求未结合国内实际的武器装备降落伞空投场景进行设置,试验实施要求总体上难以全部落地。

  2) 落地冲击速度。当前国军标对投物伞空投系统、弹药包装和引信提出了落地冲击速度要求。总的来看,降落伞空投分为低速、高速和失常空投等 3 种工况,低速空投对应的落地冲击速度范围为 7~9.1m/s;高速空投对应速度为 27.4m/s;失常空投对应的速度范围为 45.7~46m/s;不同标准要求的落地速度不同,且针对不同空投工况所要求的落地速度缺少国内武器装备实际空投落地速度实测相关数据。主要原因为国内外载机的空投高度、投放速度、伞降系统以及缓冲装置设计带来的差异不清楚,导致对我军实战化要求适应或考核不足。

  3) 落地地面。当前国军标对重型装备或物资地面跌落冲击、弹药包装模拟空投坠落试验提出了落地地面要求。总的来看,落地地面包括两类:混凝土地面和密实的土地,重装空投与弹药、引信空投地面要求不同,没有规定沙地、可耕地等地面形态,无法涵盖武器装备、弹药、引信的全部空投场景对应的地面状态。

  4) 被试品的试验方向。当前国军标对固定在货台上的各种军用物资、弹药包装、引信在模拟空投试验时提出了试验方向要求,规定的试验方向包括:空投单元水平 / 倾斜落地,引信头向上、头向下和侧向落地,弹药空投规定了包装箱的试验方向等。其中,由于实际空投系统落地姿态指标要求,应综合考量在不同标准要求的试验方向。

  5) 被试品空投试验类型。当前国军标对弹药包装和引信提出了空投试验类型要求。总的来看弹药包装及引信均应进行低速空投和失常空投模拟试验,引信可选择进行高速空投模拟试验。对于国内是否需开展高速空投试验,缺少我军部队演训或实际战场环境下引信降落伞高速空投案例及具体实施程序规定要求的支撑。

  6) 空投缓冲装置要求。当前国军标中,GJB 3228-1998《固定在货台上的空投物资的加载环境的一般要求》规定空投缓冲材料最常用的为蜂窝纸板和可发性聚苯乙烯泡沫塑料板,其中蜂窝纸板单张厚度为 76 mm 左右,动态压缩应力为 300± 40kPa;试验时按照空投重量计算需要的纸板数量,各层纸板通过白乳胶粘接。针对武器装备、弹药、引信等降落伞空投的相关国军标及模拟试验方法均未对空投缓冲装置的试验条件提出量化设置条件,具体试验中缺少依据,难以操作实施;且 GJB573B- 2020 在引信空投试验要求,提出缓冲材料为两层瓦楞纸,与国内弹药引信空投实际场景中使用的缓冲材料不一致,难以准确反映我军装备弹药引信在空投环境中的响应特性。

  5 弹药引信及武器装备降落伞空投发展建议

  通过对弹药引信及武器装备降落伞空投环境特征、等效 / 模拟试验验证前沿研究和国内十余种空投相关标准规范的分析,发现当前国内重型武器装备、弹药、引信、包装箱不同层级的标准要求之间以及武器装备的降落伞空投实际环境与以翻译、引进为主的空投试验标准要求之间,存在要求不统一、试验条件设置不全面、等效 / 模拟试验验证不匹配国内实际空投使用环境以及试验方法可实施性不强等问题。因此,综合现有弹药引信降落伞空投实际问题以及未来发展方向,结合国外武器装备空投环境试验方法的设置思路,提出了面向国内武器装备空投的标准体系化、等效模拟试验方法等建议。

  一是完善面向武器装备各层级降落伞空降标准体系建设。针对武器装备降落伞空投试验实施过程中难以确定量值和范围的空投试验设置条件和要素,建议面向不同层级降落伞空投装备基于统一分析、分类施策的原则,采用规范要求、分析计算、试验验证、综合评估等技术手段开展研究进行完善。综合各类载机平台、不同伞降系统条件下空投标准要求,采用对于个性的标准化要求相互借鉴并统一,解决当前国标主要借鉴国外,不同平台标准设置条件不一致、标准设置条件不全面,部分标准提供的方法实施过程可操作性不强等问题。

  二是全面开展武器装备降落伞空投试验基础数据库建设。结合国内武器装备降落伞空投实际环境涉及的空投流程、载机平台、空投装备 (重装装备、弹药、引信、包装箱等)、空投单元等典型特征,全面详尽获取实战化演训和作战空投中武器装备降落伞空投试验特征参数,获取投放高度、不同地面、不同姿态等条件下落地速度、冲击过载等基础数据,解决现行空投相关标准缺失的空投试验设置条件不全面、空投模拟试验落地实施与实际使用环境不匹配等问题。

  三是有针对性地强化空投过程涉及的基础理论研究。结合武器装备空投过程中所涉及的空投要素 (空投载机、缓冲材料、空投平台、包装箱、降落伞等)、空投环境特征等,构建空投单元冲击动力学模型、缓冲模型、多级多体传递模型以及振动传递等理论分析方法,解决因武器装备空投过程中多体动力学复杂冲击以及耦合振动带来的系统损伤或故障模糊等问题。

  四是加强等效模拟试验方法研究和模拟手段建设。面向当前军方对于武器装备及引信空投试验鉴定的迫切需求、下一阶段空投鉴定实验室试验的需求、未来引信空投环境快速试验考核的需求,结合冲击等效试验方法拓宽试验手段,实现等效特征量加载,复现冲击应力。解决模拟空投试验实施过程中,弹药、引信空投单元质量大、耗材多,一次试验的准备周期和成本较高等问题。

  五是加快建立对弹药引信装备空投的安全性可靠性评价准则。从安全性状态和安全可靠性水平两个维度,建立完善的空投性能评价准则,解决针对弹药引信在降落伞空投冲击后的安全性和作用可靠性以及降落伞失常空投冲击后的安全性评判准则对于边界环境场景覆盖不完备、安全性风险评估方法缺失,难以有效指导引信安全性优化设计等问题。

  6 总结

  空投技术作为现代军事投送体系的核心能力,其发展水平直接影响战场物资补给、快速部署及作战效能。本文系统梳理了国内武器装备空投的分类、流程、研究现状及标准体系,从工程技术研究和应用实践两个维度深入剖析了当前空投技术的发展趋势与关键挑战。研究表明,未来空投技术需在超低空投、重装空投、精确空投、无伞空投及连投技术等方向持续突破,同时加强缓冲系统优化、降落伞设计创新、等效模拟空投试验验证等关键技术攻关,以满足复杂战场环境下的实战需求。在工程应用层面,面对装备、弹药、引信等多样化空投对象的适配性问题,亟需建立标准化、系列化、通用化的空投试验体系,解决现有规范冲突、环境要求不统一等问题,以提升我军空投装备的可靠性和适应性。未来,空投技术的发展应立足体系化方向,推动多学科交叉融合,拓宽空投环境模拟试验方法,构建动态战场环境下的空投效能评估体系,加快标准体系的优化与统一,为我军全域作战能力提供坚实支撑。

马红萍,田中旺,田 珂,贺 文,杨佩琮,机电动态控制重点实验室,西安机电信息技术研究所,202505