瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部殺傷裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

石志彬，高敏，楊鎖昌，魏保華

(軍械工程學(xué)院 四系，河北 石家莊050003)

0 引言

戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈(TBM)飛行速度快、預(yù)警時(shí)間短、彈頭防護(hù)層較厚，具有很強(qiáng)的抗毀傷能力。傳統(tǒng)防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部由于破片利用率很低，單枚破片質(zhì)量小，無(wú)法有效毀傷TBM.采用定向戰(zhàn)斗部是提高防空導(dǎo)彈反TBM 能力的重要途徑，它將殺傷元素向目標(biāo)方向集中，能大幅提高殺傷半徑和毀傷效果，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和方向調(diào)整機(jī)構(gòu)的不同，定向戰(zhàn)斗部可分為偏心起爆式、成形定向式和機(jī)械轉(zhuǎn)向式等多種形式［1］。

瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部是定向戰(zhàn)斗部的一種，其破片位于圓柱形裝藥的前端面，并且戰(zhàn)斗部安裝在萬(wàn)向轉(zhuǎn)臺(tái)上，彈目交會(huì)時(shí)可實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)以瞄準(zhǔn)目標(biāo)。在彈目遭遇階段，該戰(zhàn)斗部利用探測(cè)裝置提供的目標(biāo)信息，相對(duì)于導(dǎo)彈彈體在偏航和俯仰兩個(gè)方向?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)而瞄準(zhǔn)目標(biāo)，爆炸后其預(yù)制破片云沿瞄準(zhǔn)方向以一定飛散角度高速前向飛散，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大威力、高精度毀傷各種TBM.國(guó)內(nèi)對(duì)瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部的研究還處于探索階段，莊志洪等［2］曾對(duì)其引戰(zhàn)能力進(jìn)行過(guò)初步的分析。

瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部的殺傷裝置主要包括破片組件、裝藥組件以及起爆系統(tǒng)等。破片初速、破片場(chǎng)密度等對(duì)目標(biāo)毀傷效果具有決定性的影響，而這些參數(shù)由戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)以及不同的起爆方式?jīng)Q定。本文旨在研究關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)滿足預(yù)期指標(biāo)的殺傷裝置。

1 殺傷裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1為瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)，殺傷裝置能隨導(dǎo)引頭在偏航和俯仰兩個(gè)方位實(shí)現(xiàn)一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)(最大幅度可達(dá)80°).為使殺傷裝置外形滿足轉(zhuǎn)動(dòng)的空間要求，其長(zhǎng)度不能太大，在充分考慮機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)性和戰(zhàn)斗部威力的基礎(chǔ)上，本文設(shè)圓柱形殺傷裝置的長(zhǎng)徑比為2/3.

圖1 瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of gimbaled warhead

瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部攻擊TBM 時(shí)，導(dǎo)彈與目標(biāo)之間的相對(duì)速度可達(dá)3 000 m/s 以上。瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部采用逆軌攔截方式進(jìn)行攻擊，在高彈目相對(duì)速度條件下，只要與目標(biāo)撞擊的破片有一定的質(zhì)量(25 g 以上)，便可造成較大的毀傷［3］。因此，只需要破片出現(xiàn)在目標(biāo)的“必經(jīng)之路”上，不必要求破片本身具有太高的靜態(tài)初速，預(yù)制破片靜態(tài)初速參數(shù)可設(shè)計(jì)為≥1 500 m/s.

瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)在圓柱形裝藥底端面，爆炸時(shí)破片拋撒到一圓錐形空間，破片云呈圓形或橢圓形。破片束錐角是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，采用小的錐角，由于破片場(chǎng)密度高，可更有效地毀傷目標(biāo)，但要求導(dǎo)彈有更加精確的瞄準(zhǔn)和起爆控制能力;大錐角雖然降低了對(duì)導(dǎo)彈系統(tǒng)的要求，但在較遠(yuǎn)距離上由于破片場(chǎng)密度低，容易使目標(biāo)從破片縫隙中“溜走”，無(wú)法毀傷。所以，遠(yuǎn)距離起爆時(shí)需要較小錐角，近距離起爆時(shí)大錐角毀傷效果較好，戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有兩種模式可供選擇。

以“飛毛腿”彈道導(dǎo)彈為假想目標(biāo)，其彈徑2rTBM=0.88 m，以最嚴(yán)格的情況考慮，目標(biāo)在破片云端面的投影為目標(biāo)截面積。令單枚破片質(zhì)量為45 g，并認(rèn)定1 枚破片命中目標(biāo)即能有效將其毀傷。則有效毀傷目標(biāo)所需的破片場(chǎng)密度為

靜態(tài)條件下戰(zhàn)斗部起爆后，一定距離上破片的場(chǎng)密度為

式中:d 為起爆后破片的飛行距離;θ 為破片束的半錐角;n 為破片數(shù);rs為靜態(tài)起爆后圓形破片場(chǎng)的半徑。

根據(jù)戰(zhàn)斗部的實(shí)際尺寸，假設(shè)本戰(zhàn)斗部可產(chǎn)生200 枚預(yù)制破片，破片場(chǎng)密度隨距離的變化曲線如圖2所示。

圖2 破片場(chǎng)密度變化曲線Fig.2 The change about fragment-field density

由圖中可以看出，當(dāng)破片束錐角為5°時(shí)，破片場(chǎng)密度肯定滿足毀傷要求，但此時(shí)對(duì)導(dǎo)彈探測(cè)與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的要求極高;當(dāng)錐角為10°時(shí)，破片場(chǎng)密度在71 m 的距離上仍可以滿足殺傷需求;錐角為20°、30°、45°時(shí)，有效殺傷距離分別約為35 m、23 m、15 m.綜合考慮，可將破片束錐角參數(shù)設(shè)計(jì)為10°、30°供選擇。

2 預(yù)制破片靜態(tài)初速設(shè)計(jì)

預(yù)制破片的靜態(tài)初速主要與裝藥與破片質(zhì)量比mc/mf以及戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)、形狀有關(guān)，本文研究的戰(zhàn)斗部為圓柱形，破片在圓柱前端面，起爆點(diǎn)在底端面，結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中mf、mc、ms、ml分別為預(yù)制破片、戰(zhàn)斗部裝藥、殼體以及底部蓋板的質(zhì)量。

圖3 戰(zhàn)斗部裝藥及破片結(jié)構(gòu)Fig.3 Warhead charge and the fragments

對(duì)圖3所示具有殼體和底部蓋板的圓柱形戰(zhàn)斗部而言，前向飛散預(yù)制破片的靜態(tài)初速v0可用以下Gurney 公式［4］計(jì)算:

與TNT 相比，黑索今炸藥(ρRDX≈1.816 g/cm3)的威力大、安定性好，而且來(lái)源廣泛［5］，可優(yōu)先選用;破片則可選用高密度鎢合金材料(ρW≈14.5 g/cm3).當(dāng)滿足破片靜態(tài)初速為1 500 m/s 時(shí)，利用(3)式計(jì)算得到戰(zhàn)斗部裝藥與預(yù)制破片的質(zhì)量比為mc/mf=0.862.

令戰(zhàn)斗部裝藥和破片總質(zhì)量為20 kg，則破片質(zhì)量為9.253 kg，設(shè)每枚破片質(zhì)量為45 g，則破片個(gè)數(shù)n=205.

3 破片束錐角控制

對(duì)于本瞄準(zhǔn)式戰(zhàn)斗部，主要有兩種方式調(diào)整破片束錐角［6］。

一是采用底面中心起爆、多點(diǎn)起爆或平面起爆等不同的起爆方式，通過(guò)控制爆轟波形進(jìn)行調(diào)整。如圖4所示，中心起爆時(shí)，爆轟波在裝藥中呈球面?zhèn)鞑?，邊沿破片偏離角度大，破片束錐角大。采用平面起爆時(shí)，爆轟波以近似平面的方式傳播，破片束錐角很小。多點(diǎn)起爆情況介于上述兩種情況之間。通過(guò)選擇不同的起爆方式，可使破片束錐角在極大值和極小值之間調(diào)整。

圖4 不同起爆方式對(duì)破片飛散角的影響Fig.4 Different initiation styles can influence the cone angle of fragment beam

二是采用平板式、內(nèi)凹式或外凸式等不同的破片層形狀，通過(guò)改變破片的受力角度調(diào)整飛散方向。圖5所示為平板式和內(nèi)凹式破片層對(duì)破片飛散方向的影響示意圖，其中v'f為內(nèi)凹型破片層邊緣破片的飛散方向，可見(jiàn)破片束錐角減小。也就是說(shuō)，內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)會(huì)使破片束錐角減小，甚至?xí)a(chǎn)生聚焦效果，外凸式結(jié)構(gòu)會(huì)使破片更加發(fā)散，平板式結(jié)構(gòu)的破片飛散角介于上述二者之間。

圖5 不同破片層形狀對(duì)飛散角的影響Fig.5 Different fragments structures can influence the cone angle of fragment beam

對(duì)于長(zhǎng)徑比L/D =2/3 的圓柱形戰(zhàn)斗部而言，如采用平板式破片層結(jié)構(gòu)，粗略估算可知，當(dāng)?shù)酌嬷行钠鸨瑫r(shí)，破片束錐角將大于30°，所以采用內(nèi)凹式破片層結(jié)構(gòu)更合理。因此設(shè)計(jì)的目標(biāo)為:底面中心起爆方式下獲得30°的錐角;底面多點(diǎn)同時(shí)起爆時(shí)獲得10°錐角。

下面求在中心起爆方式下，獲得30°錐角所需預(yù)制破片層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要是內(nèi)凹式破片層的曲率半徑。

假定采用平板式破片層結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。起爆點(diǎn)設(shè)置在戰(zhàn)斗部底端中心，起爆后，爆轟波呈球面?zhèn)鞑?，破片受到?jīng)_擊力垂直于爆轟波陣面，可近似認(rèn)為其速度方向垂直于爆轟波陣面。破片與戰(zhàn)斗部軸線呈一定角度向前飛散，邊沿破片的飛散角度θ是殺傷裝置半徑r 和戰(zhàn)斗部裝藥深度H 的函數(shù)。不計(jì)殼體厚度時(shí)，根據(jù)圖4(a)中的結(jié)構(gòu)關(guān)系可以得到

對(duì)于該殺傷裝置，可不計(jì)底部蓋板的厚度，有

戰(zhàn)斗部殺傷裝置裝藥與破片層都是圓柱形，直徑相等，根據(jù)其質(zhì)量比有

聯(lián)立(4)式～(6)式，可以計(jì)算出破片束的半錐角為

可見(jiàn)，如果使用平板式破片層結(jié)構(gòu)，中心起爆時(shí)破片束錐角可達(dá)50.24° ＞30°，因此，需要采用內(nèi)凹式破片層結(jié)構(gòu)以將其減小為15°.設(shè)內(nèi)凹式破片層的曲率半徑為Rf，則根據(jù)戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足關(guān)系式

計(jì)算得到內(nèi)凹式破片層曲率半徑Rf≈5.691r.

多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)非常成熟［7］，為獲得10°的破片束錐角，可在戰(zhàn)斗部裝藥底部設(shè)置多點(diǎn)同步起爆網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)起爆指令進(jìn)行邏輯控制。圖6為設(shè)計(jì)的雙模起爆系統(tǒng)，它可以根據(jù)指令產(chǎn)生中心起爆和面12 點(diǎn)同步起爆兩種輸出。通過(guò)仿真和試驗(yàn)可以確定起爆點(diǎn)的位置參數(shù)，以獲得相應(yīng)的破片束錐角，起爆邏輯的設(shè)計(jì)及優(yōu)化將另作研究。

4 破片場(chǎng)密度與動(dòng)態(tài)存速的計(jì)算

圖6 典型的起爆點(diǎn)陣列Fig.6 Representative initiation array

假設(shè)破片均勻分布，破片束錐角為φ，破片個(gè)數(shù)n=205，根據(jù)(2)式可計(jì)算出一定距離d 上的破片場(chǎng)密度變化情況如圖7所示。由圖中曲線可以看出，當(dāng)錐角為30°時(shí)，在距離爆炸點(diǎn)23.2 m 處左右，破片場(chǎng)密度降為1.65 片/m2，適宜近距離攻擊時(shí)使用;當(dāng)錐角為10°時(shí)，在71.0 m 處左右破片場(chǎng)密度仍滿足毀傷需求(1.65 片/m2)，適宜遠(yuǎn)距離攻擊時(shí)采用。

圖7 破片場(chǎng)密度隨距離的變化曲線Fig.7 The change of fragment-field density along with the distance

破片在空氣中高速飛行，空氣阻力的作用不可忽略。戰(zhàn)斗部破片的存速v 可利用以下公式計(jì)算［8］

式中:CD為破片阻力系數(shù)，取決于破片的形狀及速度;ρ 為空氣密度;mp為單枚破片質(zhì)量(kg);d 為破片飛行距離(m)為破片的平均迎風(fēng)面積(m2)，它與破片質(zhì)量和形狀有關(guān)，一般可表示為=K·m2p/3，其中K 為破片的形狀系數(shù)(m2/kg2/3).

根據(jù)(9)式就可以得到某一初速下一定距離上的破片存速。以方形破片(質(zhì)量45 g，假設(shè)其動(dòng)態(tài)速度2 500 m/s)為例，戰(zhàn)斗部作戰(zhàn)高度為10 km(空氣密度約為0.412 kg/m3)，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)表查詢CD與K 的值，可得到其動(dòng)態(tài)速度變化曲線如圖8所示。

圖8 破片存速隨距離的變化曲線Fig.8 The change about residual velocity of fragment along with the distance

由曲線可以看出，當(dāng)破片動(dòng)態(tài)初速為2 500 m/s時(shí)，在距離爆炸點(diǎn)50 m 遠(yuǎn)處，方形破片的存速仍有約2 174 m/s，TBM 目標(biāo)再入段的速度在3 000 m/s以上，二者合成后速度仍很高，可有效毀傷目標(biāo)。

5 結(jié)論

在合理設(shè)計(jì)戰(zhàn)斗部主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)斗部主要功能，通過(guò)計(jì)算仿真得到的結(jié)論如下:

1)裝藥與預(yù)制破片的質(zhì)量比mc/mf=0.862時(shí)，可使破片達(dá)到預(yù)定的靜態(tài)初速。

2)內(nèi)凹式破片層曲率半徑Rf≈5.691r 時(shí)，采用中心和底面多點(diǎn)兩種起爆模式可獲得預(yù)定破片束角度。

3)在靜態(tài)爆炸條件下，破片束角度為10°時(shí)，在距離爆心71.0 m 處，破片場(chǎng)密度滿足毀傷要求，適合較遠(yuǎn)距離攻擊;破片束角度為30°時(shí)，破片場(chǎng)密度滿足毀傷要求的最遠(yuǎn)距離為23.2 m，適合近距離攻擊時(shí)采用。

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