一種炮射封控彈藥及其關(guān)鍵技術(shù)＊

陳 棟 張運(yùn)兵 劉 闖

（1．陸軍軍官學(xué)院炮兵彈藥技術(shù)研究所 合肥 230031）（2．陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊(duì)三隊(duì) 合肥 230031）（3．陸軍軍官學(xué)院五系系部 合肥 230031）

1 引言

封控彈藥是基于近年來(lái)自組網(wǎng)技術(shù)、傳感器探測(cè)技術(shù)、無(wú)源定位技術(shù)、自尋的技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展而研發(fā)的一種集信息獲取、傳輸、接收并顯示和攻擊為一體的新型彈藥武器系統(tǒng)，主要利用大口徑火炮或布撒器布撒，本文主要研究基于大口徑火炮的封控彈藥。布撒后子彈可具有反裝甲車(chē)輛、衛(wèi)星定位、組網(wǎng)通訊、目標(biāo)探測(cè)、信息回傳和遠(yuǎn)程控制等功能［1］。主要用于封鎖敵方機(jī)場(chǎng)、港口、洞庫(kù)、交通樞紐等，打擊敵裝甲集群、高技術(shù)裝備（導(dǎo)彈、雷達(dá)、炮兵等）陣地等，直接攻擊進(jìn)入子彈群內(nèi)的坦克、裝甲車(chē)輛及人員等目標(biāo)，達(dá)成封鎖特定目標(biāo)，延誤敵方的戰(zhàn)機(jī)，掌握戰(zhàn)時(shí)主動(dòng)的目的，具有較好的軍事應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)組成與工作過(guò)程

2．1 系統(tǒng)組成

1）母彈體結(jié)構(gòu)

圖1 封控母彈結(jié)構(gòu)示意圖

封控彈藥采用每發(fā)母彈裝配兩發(fā)或三發(fā)子彈，母彈外形及特征參數(shù)與制式子母彈基本一致，以滿足武器系統(tǒng)自動(dòng)裝填要求。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2）子彈組成及功能

在每發(fā)母彈裝配的子彈中，可加裝紅外傳感器和破片殺傷戰(zhàn)斗部，主要用于消除人為破壞，用于防排；也可加裝衛(wèi)星定位單元（GPS／BD）、磁探測(cè)器、環(huán)形EFP戰(zhàn)斗部等功能拓展組件，以實(shí)現(xiàn)落地子彈之間的無(wú)線組網(wǎng)，探測(cè)、攻擊輪式和履帶等車(chē)輛目標(biāo)，以及目標(biāo)信息回傳。

3）地面接收站

地面接收站由接收天線、接收機(jī)和信息處理機(jī)三部分組成，主要用于接收目標(biāo)區(qū)子彈群通過(guò)衛(wèi)星回傳的目標(biāo)信息和子彈起爆等信息［1］。

2．2 工作過(guò)程

大口徑火炮將彈丸發(fā)射至預(yù)定布撒區(qū)域上空，引信作用，點(diǎn)燃拋射藥，將裝載的子彈依次拋出，子彈在減速傘的作用下穩(wěn)落于地面，著地穩(wěn)定后切傘，再由扶正機(jī)構(gòu)將子彈扶正。各子彈獨(dú)立向后方報(bào)告自身編碼及坐標(biāo)，并完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建［2］。之后，帶有磁探測(cè)器的子彈進(jìn)行無(wú)線發(fā)射休眠狀態(tài)下的值守，當(dāng)具有鐵磁性質(zhì)的車(chē)輛等金屬目標(biāo)出現(xiàn)并進(jìn)入磁傳感器探測(cè)范圍后，子彈可根據(jù)目標(biāo)信息進(jìn)行自主攻擊，也可將相關(guān)信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)中的其它單元及后方接收系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中各單元即將檢測(cè)到的目標(biāo)信息按預(yù)定網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議再次傳送至后方陣地并在顯示終端上顯示。我方在接收到傳回的信號(hào)后，指揮員可據(jù)此迅速?zèng)Q策是否對(duì)該區(qū)域進(jìn)行火力打擊。

對(duì)于組網(wǎng)后的子彈群，當(dāng)最先探測(cè)到目標(biāo)的子彈在感知目標(biāo)最接近時(shí)（依據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化），子彈戰(zhàn)斗部引爆對(duì)目標(biāo)實(shí)施攻擊，其他子彈仍舊處于偵測(cè)狀態(tài)；若其他子彈探測(cè)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度不再發(fā)生變化，說(shuō)明目標(biāo)已被擊毀或停止運(yùn)動(dòng)；若磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)改變，由最近的一枚子彈在感知目標(biāo)最接近時(shí)戰(zhàn)斗部引爆。其余子彈作用方式同上。當(dāng)帶有紅外傳感器的子彈探測(cè)到人員時(shí)，戰(zhàn)斗部自動(dòng)引爆攻擊。此時(shí)，帶有磁探測(cè)器的子彈仍處于休眠狀態(tài)。當(dāng)目標(biāo)在已設(shè)定的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)未出現(xiàn)時(shí)，所有落地的子彈均按照預(yù)先程序設(shè)置實(shí)施自毀。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外從二十世紀(jì)六七十年代開(kāi)始投入大量的人力物力進(jìn)行智能雷（最初的封控子彈）的研究，它結(jié)合了傳感器探測(cè)技術(shù)、無(wú)源定位技術(shù)、自尋的技術(shù)，通過(guò)傳感器采集的信號(hào)區(qū)分目標(biāo)類(lèi)型，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位后主動(dòng)實(shí)施攻擊，即能夠主動(dòng)、準(zhǔn)確地探測(cè)跟蹤目標(biāo)并實(shí)施攻擊［3］。如美國(guó)M-93“大黃蜂”反裝甲廣域地雷、AHM 反直升機(jī)地雷、ERAM 空投遠(yuǎn)距離反裝甲地雷、MW-1系列機(jī)場(chǎng)地雷、ADS區(qū)域地雷及相關(guān)系列、英國(guó)HB876 多用途雷、法國(guó)的Mazac聲控反坦克地雷、保加利亞制AHM-200反直升機(jī)地雷、英國(guó)“阿杰克斯”反側(cè)甲地雷和俄羅斯TEMP-20／30反直升機(jī)地雷等［4］。

雷場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的研究在美國(guó)起步比較早，并得到迅速的發(fā)展，目前已經(jīng)著手開(kāi)展以網(wǎng)絡(luò)化為特征的自修復(fù)雷場(chǎng)、“猛禽”智能作戰(zhàn)前哨等智能雷場(chǎng)系統(tǒng)的演示驗(yàn)證和型號(hào)研究［4］。

1）自修復(fù)雷場(chǎng)

2000年～2003年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局提出了“自修復(fù)雷場(chǎng)”計(jì)劃，這是網(wǎng)絡(luò)化區(qū)域封鎖概念的體現(xiàn)，系統(tǒng)采用智能化的移動(dòng)反坦克雷陣來(lái)針對(duì)敵人的破壞和突破。這些雷均有無(wú)線通信與自組織的聯(lián)網(wǎng)單元，能夠迅速構(gòu)成無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)，雷之間、雷與其他軍事子系統(tǒng)之間都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，共享戰(zhàn)術(shù)情報(bào)。自修復(fù)雷場(chǎng)中各個(gè)封鎖雷不但具有自主移動(dòng)能力，而且具有目標(biāo)識(shí)別、定位和通信能力，一旦雷場(chǎng)因作戰(zhàn)消耗或敵方掃雷出現(xiàn)缺口，雷場(chǎng)能判斷缺口并根據(jù)相應(yīng)的修復(fù)策略自主移動(dòng)子雷填補(bǔ)缺口，組成新的雷場(chǎng)，重新恢復(fù)對(duì)作戰(zhàn)區(qū)域的封鎖。為了配合“自修復(fù)雷場(chǎng)”計(jì)劃，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制了一種智能機(jī)動(dòng)封鎖雷（IMLM）系統(tǒng)，改進(jìn)了反坦克雷，使之具有了智能化和移動(dòng)能力。用這樣的雷集中布撒，就構(gòu)成了自修復(fù)雷場(chǎng)。IMLM 系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)到雷場(chǎng)中是否有被開(kāi)辟的通路，并且決定哪些雷需要移動(dòng)，以堵塞通路，然后重新配置雷場(chǎng)，將通路封閉［3～4］。

2）“猛禽”智能作戰(zhàn)前哨

2001年，美國(guó)陸軍坦克車(chē)輛和裝備司令部啟動(dòng)“猛禽”系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)主要由戰(zhàn)斗部、傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信組件和地面控制站構(gòu)成。地面控制站與現(xiàn)場(chǎng)的戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，既可以獲得戰(zhàn)場(chǎng)的信息，又可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。戰(zhàn)斗部主要由“大黃蜂”廣域彈藥構(gòu)成，可以搜集戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)，引導(dǎo)遠(yuǎn)程火力對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊，還可以在作戰(zhàn)區(qū)域自主處理信息并對(duì)敵人的裝備和車(chē)輛實(shí)施攻擊［3～4］。

4 主要關(guān)鍵技術(shù)

4．1 子彈群無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)

自組網(wǎng)（Ad hoc networks）是一種移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，可以在不能利用或不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信的方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上［5～8］。

子彈在由火炮發(fā)射并布撒至預(yù)定目標(biāo)區(qū)域后，由不同炮彈拋撒出來(lái)的多發(fā)子彈可在區(qū)域范圍內(nèi)完成簡(jiǎn)易無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，組網(wǎng)后子彈群具有值班組織功能，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，可根據(jù)目標(biāo)的特征信息自動(dòng)喚醒子彈，攻擊進(jìn)入子彈群的目標(biāo)。各子彈均攜帶衛(wèi)星通信裝置并都可作為中心控制單元，該控制單元可接收網(wǎng)絡(luò)區(qū)間內(nèi)每枚子彈的坐標(biāo)、編號(hào)等信息，其組網(wǎng)原理示意圖如圖2所示。無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)，可將原本單體工作的節(jié)點(diǎn)按照一定的協(xié)議方法組合成實(shí)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以更大程度地發(fā)揮單個(gè)子彈的功能，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠重新組建，以調(diào)整全局的探測(cè)可靠性，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)［9］。

圖2 簡(jiǎn)易無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后的子彈群值守狀態(tài)示意圖

系統(tǒng)子彈藥間的無(wú)線通信應(yīng)具有短距離、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本的特點(diǎn)。子彈組網(wǎng)模塊框圖如圖3所示。

圖3 子彈組網(wǎng)模塊框圖

4．2 抗高過(guò)載技術(shù)

該系統(tǒng)中的封控彈藥是通過(guò)常規(guī)火炮發(fā)射布撒的，其發(fā)射時(shí)的高過(guò)載主要體現(xiàn)在彈體發(fā)射時(shí)所承受的軸向加速度，這種發(fā)射過(guò)載可達(dá)到10000個(gè)G 以上。為使裝載于母彈體中的封控子彈，特別是子彈中的電子器件、機(jī)械結(jié)構(gòu)及各類(lèi)傳感器能夠承受火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的巨大過(guò)載，需合理采用抗過(guò)載措施，如采用高強(qiáng)度材料制作零件，增設(shè)緩沖隔振裝置，改善結(jié)構(gòu)分布，消除應(yīng)力集中，對(duì)電子元?dú)饧M(jìn)行封裝固化等，確保子彈整體結(jié)構(gòu)、性能在高過(guò)載下不受影響，尤其是確保傳感器各項(xiàng)探測(cè)性能指標(biāo)的穩(wěn)定可靠［1，10］。

4．3 精確布撒技術(shù)

由于每發(fā)封控子彈對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)偵察的范圍有限，只有預(yù)定區(qū)域內(nèi)合理布設(shè)子彈，才能達(dá)到預(yù)期的目的。因此，實(shí)施精確布撒是該系統(tǒng)順利完成作戰(zhàn)任務(wù)的前提。子彈在布撒過(guò)程中，首先隨母彈飛至目標(biāo)區(qū)，在一定高度從母彈彈體中拋出，懸掛于減速傘下緩慢降落于目標(biāo)區(qū)，拋射點(diǎn)的選擇、子彈從母彈拋射時(shí)的反拋速度及下落過(guò)程中受風(fēng)的影響都會(huì)影響到落點(diǎn)精度。因此，需深入分析子彈彈道的特點(diǎn)和規(guī)律，了解影響精確布撒的主要原因，合理選擇開(kāi)倉(cāng)方式和拋射點(diǎn)，對(duì)下落過(guò)程中的子彈實(shí)施合理的減旋減速設(shè)計(jì)，有效減小落彈散布誤差，提高布撒精度［1］。

4．4 落地姿態(tài)控制技術(shù)

子彈的落地姿態(tài)正確與否決定了其能否有效獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息和數(shù)據(jù)傳送。一方面，只有子彈保持直立狀態(tài)才能保證其探測(cè)到的目標(biāo)的方位、速度等信息可靠；另一方面，子彈上的天線需要保持直立的狀態(tài)，以使子彈內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)間及與后方地面接收系統(tǒng)保持暢通的通信。因此，需要子彈落地后能夠保持直立的工作姿態(tài)。子彈落地后姿態(tài)控制是本系統(tǒng)要重點(diǎn)解決的難題，對(duì)系統(tǒng)工作的可靠性起到至關(guān)重要的影響。為此，增設(shè)了扭簧扶正和反跳機(jī)構(gòu)，使子彈落地后自動(dòng)扶正，穩(wěn)定直立于地面［1］。

4．5 目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)

由于戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)種類(lèi)較多，且信號(hào)特征不確定性較多，同時(shí)還有各種無(wú)法預(yù)知的干擾信號(hào)源存在，戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別問(wèn)題是當(dāng)前高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)亟待解決的軍事技術(shù)難題之一，也是本系統(tǒng)需要解決的主要問(wèn)題。對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)與識(shí)別是子彈擔(dān)任的主要作戰(zhàn)任務(wù)，能否快速地探測(cè)到目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)性質(zhì)實(shí)施準(zhǔn)確、可靠的判別，是檢驗(yàn)本系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)［2］。本系統(tǒng)中采用了紅外傳感器和磁傳感器組成的復(fù)合傳感器，紅外傳感器的作用主要是防止敵方在發(fā)現(xiàn)落地的子彈時(shí)進(jìn)行人為破壞。其基本原理是：在人員靠近子彈時(shí)，子彈感受到人體的紅外輻射溫度，當(dāng)該溫度達(dá)到一定的閾值范圍時(shí)，子彈戰(zhàn)斗部即起爆對(duì)人員進(jìn)行殺傷。磁探測(cè)是利用金屬或半導(dǎo)體中流過(guò)的電流和在外磁場(chǎng)同時(shí)作用下所產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)，可以檢測(cè)磁場(chǎng)的存在、測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小、確定磁場(chǎng)的方向或測(cè)定磁場(chǎng)的大小或方向是否有改變。磁傳感器尤其適用于檢測(cè)輪式或履帶式車(chē)輛等運(yùn)動(dòng)的鐵磁物體。

4．6 遠(yuǎn)距離通信技術(shù)

子彈偵察信息的順利傳送與接收是保證我方及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)并對(duì)封控子彈群實(shí)時(shí)控制的前提和保證，而子彈的工作環(huán)境一般比較復(fù)雜，遮蔽物較多，如何實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)區(qū)和指揮所間遠(yuǎn)距離、多遮蔽、非通視條件下的信息傳輸也是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為此，采用了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大發(fā)射功率等手段增大通信可靠性。另外，子彈與后方通信采用北斗1 代通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行通信，以克服無(wú)線通信易受遮擋的不足，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信［1］。

5 結(jié)語(yǔ)

基于大口徑火炮發(fā)射的封控子彈是一種新型區(qū)域封鎖彈藥，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、效費(fèi)比高、精確度好、受天候條件影響小、操作簡(jiǎn)單、使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)突發(fā)多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)于進(jìn)一步提高炮兵的運(yùn)用范圍和打擊能力具有十分重要的意義。

［1］王曙光．敏感炮彈武器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．合肥：陸軍軍官學(xué)院博士學(xué)位論文，2009．

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