艦炮也瘋狂（二）

涂林峰

遠(yuǎn)程對(duì)陸支援、打擊，是大中口徑艦炮的一個(gè)重要作戰(zhàn)使命，而艦炮利用炮射制導(dǎo)彈藥進(jìn)行精確打擊，也是發(fā)展趨勢(shì)。在以前，為了精確打擊遠(yuǎn)距離的岸上重要目標(biāo)，許多國(guó)家的海軍不得已而使用反艦導(dǎo)彈，如印巴戰(zhàn)爭(zhēng)中印度海軍艦艇就曾用反艦導(dǎo)彈對(duì)巴方岸上重要設(shè)施進(jìn)行突襲作戰(zhàn)，并取得了戰(zhàn)果。不過(guò)，導(dǎo)彈雖然射程遠(yuǎn)、威力大，但成本也很高。而且，水面艦艇裝載反艦導(dǎo)彈的載彈量非常有限（一般只裝載不到10枚，還要兼顧反艦作戰(zhàn)）。美國(guó)人甚至考慮過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一種“標(biāo)準(zhǔn)”導(dǎo)彈用于對(duì)陸攻擊（即“標(biāo)準(zhǔn)”4，可用于近?；鹆χгＴ擁?xiàng)目最終無(wú)果而終）。而當(dāng)大口徑艦炮與遠(yuǎn)程制導(dǎo)炮彈的組合出現(xiàn)后，用于遠(yuǎn)程對(duì)陸精確打擊時(shí)的效費(fèi)比非常高。

從目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，艦炮用于對(duì)陸攻擊的制導(dǎo)彈藥包括三大類(lèi)：彈道修正彈、制導(dǎo)炮彈和炮射巡飛彈。其中，彈道修正彈是在上世紀(jì)80 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型制導(dǎo)彈藥，結(jié)構(gòu)和技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，效費(fèi)比較高。

美國(guó)“標(biāo)準(zhǔn)”4導(dǎo)彈的末端俯沖彈道

常規(guī)炮彈引信

彈道修正彈是怎么回事？

彈道修正彈，就是指炮彈在發(fā)射之前，根據(jù)探測(cè)到的炮位坐標(biāo)（己方艦炮的位置）、目標(biāo)的位置坐標(biāo)等信息預(yù)先為炮彈裝定好初始彈道信息。炮彈在發(fā)射后，艦炮系統(tǒng)通過(guò)傳感器探測(cè)彈丸在空中的飛行姿態(tài)（包括方位、高度和速度矢量信息），獲取彈丸的實(shí)時(shí)飛行彈道，將此彈道與預(yù)先裝定的理想彈道進(jìn)行比較（理想彈道就是指當(dāng)彈丸沿此彈道飛行時(shí)即可準(zhǔn)確命中目標(biāo)，可通過(guò)火控系統(tǒng)計(jì)算后獲得），然后根據(jù)兩者的偏差，發(fā)出指令通過(guò)彈上的修正機(jī)構(gòu)進(jìn)行距離或方向的修正，使彈丸沿著理想彈道飛行。為了簡(jiǎn)化修正難度，這種彈道修正在炮彈的全飛行彈道上可以只進(jìn)行數(shù)次修正，這與導(dǎo)彈和制導(dǎo)炮彈等其它制導(dǎo)武器有較大的區(qū)別。后者在各個(gè)制導(dǎo)段一般都可以連續(xù)控制，都具備持續(xù)不斷的“彈道修正”能力。由于彈道修正彈對(duì)飛行中的彈丸只能進(jìn)行有限的彈道修正，因此它不像導(dǎo)彈那樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的“百發(fā)百中”，只是可以減小彈丸的散布，使連射的多發(fā)炮彈能夠落在以目標(biāo)為中心的一個(gè)較小的范圍內(nèi)。因此彈道修正彈的攻擊對(duì)象是“面”目標(biāo)，它仍然需要同時(shí)發(fā)射多枚炮彈來(lái)覆蓋目標(biāo)區(qū)域，只不過(guò)相比傳統(tǒng)的常規(guī)炮彈，彈道修正彈需要的射彈數(shù)量要少。

彈道修正彈的概念早在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)提出。隨著微電子技術(shù)和導(dǎo)航器件的發(fā)展，特別是GPS裝置的小型化和成本降低，上世紀(jì)90 年代起，國(guó)外掀起了低成本彈道修正彈的研制熱潮，美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、以色列等國(guó)均對(duì)彈道修正彈給予了足夠的重視。彈道修正裝置能完全裝在原來(lái)炮彈的引信腔內(nèi)，普通炮彈只需將引信拆下，換上彈道修正模塊即可變?yōu)閺椀佬拚龔?。這種彈道修正模塊也被稱(chēng)為“彈道修正引信”，原理與普通炸彈通過(guò)增加制導(dǎo)組件而成為精確制導(dǎo)炸彈的方法非常相似。

彈道修正彈可分為一維彈道修正彈和二維彈道修正彈。一維彈道修正技術(shù)只能對(duì)炮彈進(jìn)行縱向距離的修正，二維彈道修正技術(shù)既能進(jìn)行距離的修正，又能進(jìn)行方位的修正。通俗點(diǎn)就是，一維彈道修正只能對(duì)炮彈的射程遠(yuǎn)近進(jìn)行修正，不能改變炮彈的飛行方向;二維彈道修正既能改變炮彈的射程，又能改變炮彈的飛行方向，在縱向和橫向二維彈道上都能進(jìn)行修正。

彈道修正引信組件

幾種不同外觀形式的阻力器結(jié)構(gòu)示意圖

彈道修正引信阻力修正機(jī)構(gòu)打開(kāi)前后示意圖

一維彈道修正彈

一維彈道修正技術(shù)是彈道修正彈的初級(jí)發(fā)展階段。它的工作原理是“打遠(yuǎn)修近”，即瞄準(zhǔn)離目標(biāo)更遠(yuǎn)的一個(gè)點(diǎn)，炮彈在發(fā)射后，當(dāng)需要進(jìn)行彈道修正時(shí)，通過(guò)改變彈丸的飛行阻力從而對(duì)縱向彈道進(jìn)行調(diào)節(jié)，使修正彈道后的炮彈落點(diǎn)比最初設(shè)定的瞄準(zhǔn)點(diǎn)更接近目標(biāo)?？梢?jiàn)，一維彈道修正彈是通過(guò)犧牲一定的射程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)炮彈的縱向彈道進(jìn)行修正的，即射擊瞄準(zhǔn)點(diǎn)需要超出目標(biāo)一定的距離。而瞄準(zhǔn)點(diǎn)的選擇也是有講究的，如果距離目標(biāo)過(guò)遠(yuǎn)，不但炮彈的射程損失更大，而且需要修正的量也過(guò)大，對(duì)控制機(jī)構(gòu)要求更高;如果距離目標(biāo)過(guò)近，則進(jìn)行距離修正的余量就更小，可能會(huì)使修正精度下降甚至無(wú)法進(jìn)行修正。

一維彈道修正彈的關(guān)鍵氣動(dòng)部件是阻力器。阻力器可以有多種外觀形式，包括環(huán)形阻力器、槳形阻力器、傘形阻力器、花瓣式阻力器等。在炮彈發(fā)射和飛行的初期階段，此時(shí)不需要彈道修正，彈丸的飛行彈道與常規(guī)炮彈無(wú)異。這個(gè)時(shí)候的阻力器被鎖定機(jī)構(gòu)鎖住，還未展開(kāi)，炮彈彈丸的氣動(dòng)外形也與常規(guī)炮彈一致。當(dāng)需要對(duì)彈丸飛行彈道修正時(shí)，控制機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，釋放并展開(kāi)阻力器，使彈丸的飛行阻力增大，從而可以由遠(yuǎn)往近對(duì)彈丸進(jìn)行射程上的修正，提高對(duì)目標(biāo)的命中精度。需要注意的是，阻力器展開(kāi)的時(shí)機(jī)是非常關(guān)鍵的，將直接影響彈道修正的效果和精度。阻力器展開(kāi)后是無(wú)法再收回去的，一旦展開(kāi)就會(huì)一直對(duì)飛行中的彈丸產(chǎn)生阻力效應(yīng)，直到彈丸落地。因此只有當(dāng)阻力器在最合適的時(shí)機(jī)展開(kāi)時(shí)，才能保證彈道的修正能夠達(dá)到最高的精度。

那么，應(yīng)當(dāng)如何確定阻力器的最佳展開(kāi)時(shí)機(jī)呢？彈道修正，需要實(shí)時(shí)測(cè)量炮彈彈丸在空中飛行的實(shí)際彈道，然后與預(yù)先裝定的理想彈道比較，根據(jù)偏差大小，命令彈上的修正機(jī)構(gòu)進(jìn)行距離或方向上的修正。獲取理想彈道，關(guān)鍵在于對(duì)目標(biāo)坐標(biāo)的精確探測(cè)和測(cè)量，這主要通過(guò)其它的外部作戰(zhàn)平臺(tái)或設(shè)備實(shí)現(xiàn)，如偵察機(jī)、無(wú)人機(jī)、偵察衛(wèi)星，或前線作戰(zhàn)人員的目標(biāo)定位偵察等等，與艦炮系統(tǒng)本身的關(guān)系不大，通常情況下艦炮系統(tǒng)只需要具備接收外部信息的能力即可。獲得了目標(biāo)的具體位置信息，艦炮的火控系統(tǒng)就可以計(jì)算出理想彈道。但對(duì)于炮彈彈丸的飛行彈道進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通常需要依靠發(fā)射艦艇平臺(tái)上的傳感器和火控設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，由艦上跟蹤雷達(dá)對(duì)發(fā)射后的炮彈彈丸進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和數(shù)據(jù)處理，從而測(cè)出炮彈彈丸的實(shí)際飛行彈道。艦上火控系統(tǒng)將彈丸的實(shí)際彈道參數(shù)與理想彈道參數(shù)進(jìn)行比較，計(jì)算出修正指令，通過(guò)指令發(fā)射裝置將修正指令發(fā)送給飛行中的炮彈彈丸，使炮彈彈丸在一個(gè)最合適的時(shí)機(jī)展開(kāi)阻力器，從而對(duì)縱向彈道進(jìn)行修正。為了使艦炮系統(tǒng)在連發(fā)射擊時(shí)，也能對(duì)空中飛行的多枚炮彈同時(shí)發(fā)送指令，并且多個(gè)指令不會(huì)被其它炮彈誤接收，還需要對(duì)發(fā)射的不同指令信號(hào)進(jìn)行編碼，并確定連射時(shí)的指令識(shí)別方案。

現(xiàn)代海軍艦艇上通常配備了各種功能齊全的探測(cè)裝置和火控設(shè)備，艦上跟蹤雷達(dá)往往還具備同時(shí)跟蹤、測(cè)量多發(fā)炮彈彈丸的飛行彈道的能力，并可同時(shí)對(duì)多發(fā)彈丸發(fā)送修正指令，其在持續(xù)測(cè)量時(shí)間、彈道參數(shù)測(cè)量誤差、彈道跟蹤距離等指標(biāo)上都非常出色，這可以很好地保證彈道修正的效果。

一維彈道修正彈的典型代表是法國(guó)SAMPRASS和SPACIDO項(xiàng)目。法國(guó)為現(xiàn)役155毫米炮彈研制了兩種不同的一維彈道修正引信，兩者采用了相同結(jié)構(gòu)的三片花瓣式阻力器。其中，一種彈道修正引信稱(chēng)作SAMPRASS（“地面火炮精度改進(jìn)系統(tǒng)”），是一種基于GPS定位的一維距離修正系統(tǒng)。雖然它具備了GPS定位能力，但不能自主工作，因?yàn)橐沤邮盏降腉PS定位數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)發(fā)給地面系統(tǒng)的火控計(jì)算機(jī)，由地面的火控系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算后發(fā)出指令，指示彈道修正引信在合適的時(shí)機(jī)展開(kāi)阻力器，進(jìn)行彈道修正。另一種彈道修正引信稱(chēng)作SPACIDO（“采用多普勒測(cè)速儀提高精度的系統(tǒng)”）。這是一種非GPS方案，它依靠地面的多普勒雷達(dá)測(cè)量空中飛行的炮彈彈丸的飛行軌跡和速度變化，然后計(jì)算出阻力器展開(kāi)的最佳時(shí)機(jī)，并發(fā)出指令。這個(gè)方案的炮彈彈丸自身不具備任何測(cè)量能力，實(shí)際彈道的測(cè)量工作完全由地面雷達(dá)來(lái)完成。

安裝在105毫米和155毫米炮彈上的美國(guó)ATK公司研制的PGK 二維彈道修正引信組件

二維彈道修正彈

二維彈道修正彈，不但要求炮彈彈丸要具備更高的氣動(dòng)控制能力，也對(duì)彈丸飛行時(shí)的彈道測(cè)量和姿態(tài)測(cè)量提出了更高的要求，除了對(duì)彈丸在飛行過(guò)程中的位置和速度的測(cè)量，還要實(shí)時(shí)測(cè)量彈丸的飛行姿態(tài)信息（包括俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角）。這就要求炮彈自身必須要具備一定的測(cè)量能力，而不能僅僅依靠地面雷達(dá)，這增大了二維彈道修正彈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。艦炮的二維彈道修正彈的系統(tǒng)組成往往既包括艦上設(shè)備，也包括彈載設(shè)備，需要兩者的合作才能實(shí)現(xiàn)二維彈道修正。艦上設(shè)備（包括艦炮發(fā)射裝置和火控系統(tǒng)）的作用主要體現(xiàn)在炮彈發(fā)射之前的準(zhǔn)備工作上，炮彈在發(fā)射之后則主要依賴(lài)彈載設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的位置測(cè)量和姿態(tài)測(cè)量，并由彈上火控解算模塊進(jìn)行計(jì)算和修正指令的生成。目前的二維彈道修正的主要技術(shù)途徑是利用GPS定位技術(shù)，通過(guò)GPS定位裝置來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量炮彈彈丸飛行時(shí)的空間坐標(biāo)和速度，并通過(guò)彈上控制模塊解算出炮彈彈丸的落點(diǎn)偏差，以形成修正指令，然后利用修正機(jī)構(gòu)對(duì)彈道橫向和縱向落點(diǎn)偏差進(jìn)行修正，從而提高炮彈的打擊精度。炮彈在發(fā)射之前需要由艦上火控系統(tǒng)根據(jù)獲取的目標(biāo)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及本艦的位置信息，完成射擊諸元的解算，并生成裝定信息，通過(guò)炮上感應(yīng)裝定裝置為炮彈裝定信息，炮彈在獲取初始信息后即可發(fā)射。

基于GPS定位的二維彈道修正技術(shù)，彌補(bǔ)了一維彈道修正彈的不足，而且由于彈載GPS定位裝置可以在彈丸的全程飛行過(guò)程中對(duì)空間位置和速度進(jìn)行測(cè)量，速度測(cè)量精度高（誤差不大于0.15米/秒），因此二維彈道修正技術(shù)不僅可以提高彈丸落點(diǎn)的橫向密集度，還可以進(jìn)一步提高縱向密集度。盡管二維彈道修正彈與真正的制導(dǎo)炮彈相比，其精度仍然存在一定的差距，但它的最大優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在成本上，因此二維彈道修正彈的發(fā)展前景也是非?？春玫?。此外，與一維彈道修正彈相同，基于衛(wèi)星定位技術(shù)的二維彈道修正組件也可以直接用于對(duì)現(xiàn)役大口徑常規(guī)炮彈的改造，以較小的投入即可使常規(guī)炮彈的作戰(zhàn)效能獲得較大幅度的提高，這對(duì)于各國(guó)海軍來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一大利好消息。

不過(guò)，光有GPS定位裝置還不夠，它只能給飛行中的彈丸提供位置和速度信息，卻不能提供飛行姿態(tài)信息。而獲取彈丸的實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)信息也是二維彈道修正彈的關(guān)鍵技術(shù)之一。彈丸的姿態(tài)信息主要包括俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角。其中，滾轉(zhuǎn)角是姿態(tài)信息中變化相對(duì)最為顯著、也是最重要的一種信息。因?yàn)榕趶椀膹椀佬拚龣C(jī)構(gòu)需要確定彈丸的滾轉(zhuǎn)角度后才能進(jìn)行正確的操作，否則彈丸的飛行軌跡將在三維空間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。一種最常見(jiàn)的姿態(tài)測(cè)量裝置就是IMU（慣性測(cè)量單元），它通常與GPS同時(shí)使用。其中，GPS負(fù)責(zé)預(yù)測(cè)彈丸的落點(diǎn)，與目標(biāo)的坐標(biāo)進(jìn)行比較后得到彈道偏差信息;IMU負(fù)責(zé)對(duì)彈丸的飛行姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，得到彈丸的姿態(tài)信息后，將兩者檢測(cè)到的信息傳給彈上火控模塊生成修正指令，再通過(guò)控制裝置對(duì)彈丸的飛行狀態(tài)修正。IMU，可以分為加速度計(jì)測(cè)量技術(shù)和陀螺儀測(cè)量技術(shù)兩種，兩者通過(guò)不同的方式對(duì)彈丸飛行狀態(tài)測(cè)量。加速度計(jì)和陀螺儀在測(cè)量效果上有互補(bǔ)性，配合使用效果更好。

正在發(fā)射的美國(guó)“愛(ài)國(guó)者”P(pán)AC-3反導(dǎo)攔截彈

那么，二維彈道修正彈采用什么控制裝置來(lái)修正彈丸的飛行姿態(tài)呢？目前，二維彈道修正彈主要采用阻力器、脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)和鴨舵三種執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)修正彈丸飛行狀態(tài)。其中，阻力器前文已介紹，是彈道修正彈最早采用的一種機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，因此被一維彈道修正彈大量采用。但要同時(shí)實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的二維修正效果的話，就要采取組合式二維彈道修正技術(shù)，這就需要配備多種不同作用的阻力器。這里以美國(guó)研制的“彈道修正引信”（CCF）為例。它以M782炮兵引信為基礎(chǔ)，加裝了三個(gè)空氣動(dòng)力修正機(jī)構(gòu)，包括小阻力片、減旋翼片和主阻力片。在炮彈發(fā)射后，CCF接收GPS信號(hào)，通過(guò)彈道解算，在初始段打開(kāi)小阻力片，進(jìn)行縱向距離的初始微修正;在彈道中段時(shí)打開(kāi)減旋翼片，進(jìn)行彈道的方向修正;在彈道末段時(shí)打開(kāi)主阻力片，進(jìn)行最終的縱向距離修正。該方案不需要對(duì)彈丸進(jìn)行連續(xù)不斷的制導(dǎo)，只在三個(gè)不同時(shí)刻分別對(duì)彈丸起到減慢轉(zhuǎn)速或產(chǎn)生阻力的作用，并實(shí)現(xiàn)對(duì)距離和方向的二維修正，效費(fèi)比較理想。試射后的結(jié)果表明，炮彈在使用CCF引信后的射擊精度達(dá)到了50米以?xún)?nèi)。雖然這個(gè)精度仍不足以對(duì)“點(diǎn)”目標(biāo)進(jìn)行精確打擊，但其精度已遠(yuǎn)優(yōu)于目前的常規(guī)炮彈。

美軍士兵正在為155毫米炮彈安裝LR PGK遠(yuǎn)程彈道修正引信組件，可以看出LR PGK的尺寸要比普通引信大許多，上面還有鴨舵

脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以用于二維彈道修正控制，就是在炮彈彈體的質(zhì)心處（或質(zhì)心附近）布置若干個(gè)微型脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這種微型脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)也可以在導(dǎo)彈和火箭彈上見(jiàn)到，起矢量控制的作用，如美國(guó)“愛(ài)國(guó)者”P(pán)AC-3反導(dǎo)攔截彈就配備了180個(gè)微型脈沖固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。按脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)在彈體上布置位置的不同，可分為力操縱方式和力矩操縱方式兩種。力操縱方式是將脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)布置在彈體的質(zhì)心處，而力矩操縱方式則將脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)布置在彈體質(zhì)心前后的一段距離內(nèi)，在控制力作用的同時(shí)產(chǎn)生控制力矩。采用脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的彈道修正彈可以在距離和方向上對(duì)彈道進(jìn)行修正，脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的大小、個(gè)數(shù)、布置位置以及工作時(shí)間等都對(duì)修正能力有影響。脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但由于它在很短的時(shí)間內(nèi)就能改變彈丸的飛行狀態(tài)，所以對(duì)精度要求較高，在高速旋轉(zhuǎn)的彈丸上較難實(shí)現(xiàn)。美國(guó)、俄羅斯、瑞典、以色列等國(guó)，都對(duì)采用脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行修正的炮射制導(dǎo)彈藥技術(shù)抱有極大的興趣。

第三種控制方案是采取鴨舵結(jié)構(gòu)。鴨舵是通過(guò)改變彈丸的氣動(dòng)受力狀況來(lái)實(shí)現(xiàn)彈道修正的，一般安裝在引信與彈丸的結(jié)合部，可分為升降舵、方向舵和差動(dòng)舵，分別用于控制彈丸的俯仰、方位和穩(wěn)定。鴨舵的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，可以對(duì)彈丸進(jìn)行持續(xù)修正，是包括制導(dǎo)炮彈在內(nèi)的各種炮射制導(dǎo)彈藥的重要發(fā)展方向。鴨舵舵翼的展弦比越大，就能提供更大的升力和偏航力，也就意味著更好的控制效果。但對(duì)于各種類(lèi)型的制導(dǎo)炮彈來(lái)說(shuō)，其翼面和舵面在發(fā)射前都折疊在彈體內(nèi)，因此又要求將舵面的尺寸和體積控制的盡可能小。這是一個(gè)矛盾，必須在設(shè)計(jì)時(shí)加以綜合考慮。