一種在高炮武器系統(tǒng)平臺上加裝制導(dǎo)彈藥方案的研究

劉志鵬，楊 斌，于天朋，王 鑠

(1.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191;2.總裝駐長治地區(qū)軍代室，山西 長治 046012;3.兵器工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長治 046012)

高炮武器系統(tǒng)反應(yīng)速度快、不受氣象條件限制，可以對突然出現(xiàn)的近程空襲目標(biāo)作戰(zhàn)，同時可以對敵空襲目標(biāo)實施高火力密集度攻擊，一直以來是防空戰(zhàn)斗中不可缺少的武器。高炮命中精度在很大程度決定于預(yù)測機(jī)動目標(biāo)未來位置的精確性，在攔截機(jī)動目標(biāo)時，一般采用的是向目標(biāo)的提前點射擊，然而，隨著空襲武器制導(dǎo)化和機(jī)動性的提高，使得高炮在防空體系中攔截目標(biāo)的命中概率越來越低。另外，由于現(xiàn)代空襲武器的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，即目標(biāo)在命中大量小口徑彈丸的條件下也可能保持其戰(zhàn)斗毀傷作用。

為了從理論上解決高炮防空效能低的難題，基于高炮在近程防空反導(dǎo)方面的需求和國外發(fā)展的趨勢，本文結(jié)合國內(nèi)目前現(xiàn)有的技術(shù)提出在中口徑高炮武器系統(tǒng)中加裝毫米波駕束制導(dǎo)彈藥，構(gòu)建一個理論上可實現(xiàn)“指哪打哪”的高炮駕束制導(dǎo)彈藥防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)。

制導(dǎo)彈藥采用毫米波駕束制導(dǎo)體制，可以抗電磁、激光、紅外、閃光、火光、霧氣(在不影響目標(biāo)識別的條件下)等干擾，同一駕束制導(dǎo)波束可以制導(dǎo)多發(fā)制導(dǎo)彈藥，從而可以有效地提高防空反導(dǎo)的效能［1-3］。采用駕束制導(dǎo)彈藥射擊的安全距離最近大于1000m，是傳統(tǒng)高炮彈藥的兩倍多，對超音速目標(biāo)的爆炸破片損傷發(fā)射平臺的概率大大降低，大大提高戰(zhàn)場生存能力。

1 在高炮平臺上加裝制導(dǎo)彈藥技術(shù)的國外研究現(xiàn)狀

提高對目標(biāo)毀傷效能是彈藥技術(shù)重要的發(fā)展方向，由于現(xiàn)有高炮一般都采用無控彈射擊，存在攔截距離近、抗擊批數(shù)少、作戰(zhàn)效能低、攔截超音速目標(biāo)困難等問題，美、俄、意大利、瑞典以及德、法等國都在中口徑高炮基礎(chǔ)上研制制導(dǎo)彈藥，以提高其防空反導(dǎo)能力。

1)美國

美國從20 世紀(jì)70 年代中期開始，就致力于將制導(dǎo)、修正類的彈藥加裝在高炮平臺上，提出了“末端修正的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈”(TCSP)，主要是用于防空炮彈的末端彈道修正。

它的修正模塊完全安裝在炮彈的引信腔里，該炮彈的彈道修正過程如圖1 所示。末端紅外探測器探測到目標(biāo)后，確定彈道修正量，并將指令傳遞給鴨舵進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，操縱導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。這種方案優(yōu)點雖然比較明顯，但技術(shù)難度也很大，要求部件微型化。但是將整套包含著探測部件、數(shù)據(jù)處理部件、控制部件、氣動操縱部件以及引信組合起來并置于原引信相當(dāng)?shù)目臻g里比較困難的。從美國20 世紀(jì)70 年代中期提出該方案以來，原本預(yù)計三五年內(nèi)解決微型化問題，然而直到2000 年，該問題仍末得到解決。目前尚未有消息證明該技術(shù)難題獲得突破。

2)俄羅斯

有些學(xué)者認(rèn)為地面裝甲車輛的低空和超低空防空區(qū)域，防空導(dǎo)彈有明顯的劣勢和不足:防空導(dǎo)彈對環(huán)境要求高，低空性能差、裝備數(shù)量少，在山區(qū)及崎嶇的地形條件下近距離(幾百米)突然出現(xiàn)敵空襲武器的情況，防空導(dǎo)彈短時間內(nèi)難以到達(dá)，且防空導(dǎo)彈安裝到裝甲機(jī)動平臺上不利于平臺的隱身，容易成為敵人的目標(biāo)，所以防空導(dǎo)彈野戰(zhàn)機(jī)動作戰(zhàn)能力受限。

所以俄羅斯將57 mm 防空高炮裝在裝甲底盤上，并在該系統(tǒng)上加裝制導(dǎo)炮彈用于對付空中目標(biāo)。圖2 為該制導(dǎo)炮彈的系統(tǒng)組成圖。

圖1 TCSP 彈道修正過程

圖2 俄羅斯57 mm 高炮制導(dǎo)炮彈系統(tǒng)

該彈藥采用激光束駕束，打擊的距離從200 m 到6 km甚至8 km 的載人目標(biāo)或是3 ～5 km 內(nèi)的無人駕駛目標(biāo)。

3)意大利

為了增強(qiáng)76 mm 自行高炮的防空反導(dǎo)能力，意大利奧托-梅拉拉公司將正在為海軍艦炮研制的DART 毫米波駕束制導(dǎo)炮彈移植至“奧托馬蒂克”自行火炮上，使其能夠發(fā)射制導(dǎo)炮彈，以對付武裝直升機(jī)、低空飛機(jī)及地面輕裝甲目標(biāo)。

如圖3 所示，“奧托馬蒂克”自行火炮采用62 倍口徑長身管、立楔式炮栓和自動供彈系統(tǒng)，并裝有抽氣裝置，初速900 m/s，有效射程6 000 m，理論射速120 發(fā)/min，攜彈量90發(fā)。采用“帕爾瑪利亞”自行火炮底盤，全系統(tǒng)反應(yīng)時間少于5 s，具有全天候和三防作戰(zhàn)能力。

4)瑞典

瑞典博福斯公司為改善40 mm 防空高炮的作戰(zhàn)能力，為其研制了“崔尼提”(GJC4P)防空制導(dǎo)炮彈，

該彈全稱為“噴氣控制彈道修正近炸引信預(yù)制破片彈”。彈的前部裝有鎢球預(yù)制破片，中間部分設(shè)有數(shù)個用于彈道修正的小噴孔，氣源由小型燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生;底部裝有折疊式尾翼，用來降低彈丸的轉(zhuǎn)速，彈底裝有指令信號接收機(jī)。制導(dǎo)炮彈外形及工作原理如圖4 所示。

圖3 意大利“奧托馬蒂克”自行火炮

圖4 瑞典“崔尼提”外形及工作原理

彈丸發(fā)射后，火控系統(tǒng)的探測跟蹤等系統(tǒng)繼續(xù)跟蹤目標(biāo)，不斷測量目標(biāo)飛行參數(shù)的變化值?；鹂赜嬎銠C(jī)根據(jù)上述參數(shù)的變化，計算目標(biāo)參數(shù)變化后的預(yù)測點，通過無線電發(fā)射機(jī)向彈丸發(fā)出修正指令信號，接收裝置收到指令信號后，控制相應(yīng)的燃?xì)獍l(fā)生器噴氣，產(chǎn)生推力對原先彈道進(jìn)行修正。該彈的修正速度為15m/s，經(jīng)過5 ～6 次修正，可使彈丸橫向位移30 ～50 m。

2 在高炮平臺上加裝制導(dǎo)彈藥的可實現(xiàn)性

2.1 實現(xiàn)制導(dǎo)彈藥高炮武器系統(tǒng)的總體思路

中口徑火炮因其彈丸威力、射程、射速等關(guān)鍵指標(biāo)在近程防空等作戰(zhàn)任務(wù)中優(yōu)勢明顯，而其彈丸體積較充足，有利于將其制導(dǎo)化，所以本文提出在中口徑高炮平臺上加裝制導(dǎo)彈藥。總體設(shè)計思路是，在基本不改變原有傳統(tǒng)彈藥武器系統(tǒng)的原則下，通過添加毫米波照射系統(tǒng)和制導(dǎo)炮彈系統(tǒng)，構(gòu)建新的高炮駕束制導(dǎo)彈藥武器系統(tǒng)，使整個武器系統(tǒng)即可以發(fā)射常規(guī)彈藥又具有發(fā)射制導(dǎo)彈藥的功能。制導(dǎo)彈藥采用預(yù)制破片戰(zhàn)斗部，多功能近炸引信，能夠高效對付低空飛行的固定翼及旋翼飛行器、制導(dǎo)炸彈、反輻射導(dǎo)彈以及飛行速度2.5 Ma 的巡航導(dǎo)彈。

改造后的系統(tǒng)有如下特點:①充分利用原高炮武器系統(tǒng)的信息資源，對原高炮武器改動小，與常規(guī)彈藥武器系統(tǒng)兼容;②將常規(guī)彈藥技術(shù)和信息化彈藥技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)彈藥的有控機(jī)動飛行，飛行速度高，機(jī)動能力強(qiáng)，能快速到達(dá)目標(biāo)處;③毫米波抗干擾能力強(qiáng)，具備全天侯作戰(zhàn)能力;④同一波束可以同時制導(dǎo)多發(fā)相同的制導(dǎo)彈藥，對敵目標(biāo)攔截效率高。

2.2 制導(dǎo)彈藥高炮武器系統(tǒng)方案

2.2.1 系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)組成

高炮駕束制導(dǎo)彈藥武器系統(tǒng)采用三點法導(dǎo)引，由5 部分組成，分別是原有預(yù)警系統(tǒng)、原有火炮系統(tǒng)、原有火控系統(tǒng)和駕束制導(dǎo)裝置、制導(dǎo)炮彈。系統(tǒng)組成如圖5 所示。

圖5 制導(dǎo)彈藥高炮武器系統(tǒng)組成

高炮駕束制導(dǎo)彈藥武器系統(tǒng)工作時先由預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，將目標(biāo)信息傳遞給火控系統(tǒng)，火控系統(tǒng)根據(jù)該信息計算出火炮初始發(fā)射角度等信息［4-5］;當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入到射程范圍內(nèi)后，火控計算機(jī)給出發(fā)射提示，射手擊發(fā)發(fā)射按鈕，毫米波照射器開始工作，在空間形成編碼信息場，隨即制導(dǎo)彈藥飛出炮口，彈尾部的尾翼鎖定裝置脫落，尾翼張開;當(dāng)制導(dǎo)彈藥進(jìn)入波束后，彈上信號接收機(jī)接收制導(dǎo)信號，自動識別導(dǎo)彈距波束中心的偏差，形成舵控指令，驅(qū)動舵機(jī)控制導(dǎo)彈在波束中心飛行;制導(dǎo)彈藥命中目標(biāo)后，引爆戰(zhàn)斗部，毀傷目標(biāo)。

2.2.2 制導(dǎo)彈藥方案

整裝的制導(dǎo)彈藥的結(jié)構(gòu)參數(shù)與制式彈藥一致，保證原有高炮系統(tǒng)的運輸及裝填過程。其結(jié)構(gòu)組成如圖6 所示。單體包括舵機(jī)艙、戰(zhàn)斗艙、儀器艙、接收機(jī)、尾翼和藥筒部件。飛行彈采用“鴨”式氣動布局，使其具有良好的操作性，單通道舵機(jī)一部分折到彈體內(nèi)，一部分折在彈外。儀器艙內(nèi)包含陀螺、彈載計算機(jī)、彈載電源等，是制導(dǎo)彈藥的“大腦”，彈載計算機(jī)將接收機(jī)信號與陀螺信號調(diào)制解算后產(chǎn)生制導(dǎo)指令，傳送給舵機(jī)，改變制導(dǎo)彈藥運動狀態(tài)。4 片尾翼成“×”型分布，通過套筒約束在彈的后方，伸入藥筒內(nèi)部，彈藥出炮口后迅速展開保持彈藥穩(wěn)定。接收機(jī)位于制導(dǎo)炮彈的底部，通過一個托盤保護(hù)其承受火炮近20 000 g 的發(fā)射過載，它主要接受毫米波照射器發(fā)出的帶編碼的激光信號，調(diào)制為電信號后傳輸給彈載計算機(jī)。制導(dǎo)彈藥通過固定在彈丸中心部位的彈帶與火炮結(jié)合，藥筒中發(fā)射藥在炮膛內(nèi)作用使彈藥在短時間內(nèi)獲得較大初速，可達(dá)900 m/s。

該制導(dǎo)彈藥不再配備其他動力裝置，出炮口后采用“無動力飛行”的速度方案，其速度-時間曲線如圖7 所示。

圖6 制導(dǎo)彈藥的結(jié)構(gòu)組成

圖7 速度-時間曲線

在該飛行速度下，制導(dǎo)彈藥的最大橫向機(jī)動過載可達(dá)15 g，從而保證了制導(dǎo)彈藥良好的機(jī)動特性。

3 加裝制導(dǎo)彈藥高炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效果分析

根據(jù)高炮駕束制導(dǎo)彈藥的作戰(zhàn)需求，針對典型的制導(dǎo)炸彈目標(biāo)，對使用高炮駕束制導(dǎo)彈藥的作戰(zhàn)效果進(jìn)行仿真分析。

對于制導(dǎo)炸彈類典型目標(biāo)，一般都是由載機(jī)投放，飛行的彈道和彈體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。載機(jī)投放制導(dǎo)炸彈應(yīng)滿足投放速度和投放姿態(tài)等約束條件時投放(初始彈道傾角在-30 ～20°，并且滿足末端落角大于30°)，投放高度為3 000 ～11 000 m。

圖8 目標(biāo)(制導(dǎo)炸彈)的示意彈道及結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)以上信息，分析在作戰(zhàn)使用條件下制導(dǎo)彈藥在攔截目標(biāo)過程中整個彈道所需的機(jī)動能力，在全彈道上，以顏色標(biāo)明所需用的過載值，分析的結(jié)果如圖9 所示。

圖9 制導(dǎo)彈藥在垂直作戰(zhàn)平面攔截不同距離目標(biāo)時的需用過載

通過圖9 中分析可知，對典型的目標(biāo)，采用駕束制導(dǎo)彈藥對其攔截，在作戰(zhàn)空域中，設(shè)計的最大可用過載大于需用過載，滿足戰(zhàn)技指標(biāo)要求。

圖10 使用制導(dǎo)彈藥攔截目標(biāo)的空間剛體彈道

在高炮平臺上加裝制導(dǎo)彈藥，主要是讓發(fā)射的彈丸有控機(jī)動飛行，攔截機(jī)動目標(biāo)，為了驗證制導(dǎo)彈的機(jī)動有效性，設(shè)定目標(biāo)距離為6 km，速度為0.9 Ma，末端機(jī)動，采用六自由度剛體彈道進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖10。從圖10 中可以看出制導(dǎo)彈藥的彈道彎曲，彈丸機(jī)動飛行，有效攔截了末端機(jī)動的目標(biāo)。

對于制導(dǎo)彈藥除本身可機(jī)動飛行攔截目標(biāo)外，其命中概率還受跟蹤、制導(dǎo)系統(tǒng)影響，所以制導(dǎo)彈藥命中概率是在一定的系統(tǒng)約束下的一個綜合指標(biāo)。通過分析可知，單發(fā)制導(dǎo)彈藥的命中概率隨距離的變化規(guī)律如圖11 所示。

圖11 單發(fā)制導(dǎo)彈藥的命中概率

對于毫米波駕束制導(dǎo)，最大的優(yōu)勢是同一波束可以制導(dǎo)多發(fā)制導(dǎo)彈藥，由分析可知，對于多發(fā)制導(dǎo)彈藥命中概率變化如圖12 所示，從圖12 中可以看出當(dāng)同一波束制導(dǎo)5 發(fā)彈藥時，在6 km 處的累積命中概率達(dá)90%以上，對目標(biāo)的累積攔截效果顯著。

圖12 多發(fā)制導(dǎo)彈藥的命中概率

4 結(jié)束語

綜上所述，在中口徑高炮防空體系中加裝駕束制導(dǎo)彈藥會大大提高其防空反導(dǎo)的效能，并且克服了傳統(tǒng)無控彈藥攔截機(jī)動目標(biāo)時，計算射擊諸元誤差導(dǎo)致彈丸難以命中目標(biāo)的難題。同時國內(nèi)在該口徑的制導(dǎo)彈藥研制方面有一定的技術(shù)儲備，所以技術(shù)風(fēng)險小，具有可實施性。

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［5］常思江.某鴨式布局防空制導(dǎo)炮彈的飛行彈道特性與控制方案研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2011.