超高速制導(dǎo)彈丸研究綜述

魯軍勇， 馮軍紅， 李開(kāi)， 李湘平

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

超高速?gòu)椡枋侵赴l(fā)射初速大于5Ma、通用化、低成本化和多任務(wù)作戰(zhàn)能力的制導(dǎo)彈丸。近年來(lái)，隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，彈丸的射程越來(lái)越大。而大射程帶來(lái)的主要問(wèn)題是如何保證射擊精度。由于發(fā)射起始擾動(dòng)以及大氣環(huán)境的影響，在大射程下，常規(guī)彈丸已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足打擊精度的要求，制導(dǎo)彈丸便應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)于常規(guī)彈丸而言，制導(dǎo)彈丸具有首發(fā)命中率高、精度高、附帶損傷小以及效費(fèi)比高等優(yōu)勢(shì)，是后續(xù)彈丸發(fā)展的主要方向。

新型發(fā)射技術(shù)(比如電磁發(fā)射技術(shù))的發(fā)展極大了提高了彈丸的射程，傳感器技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了末敏彈、遠(yuǎn)程制導(dǎo)彈和末制導(dǎo)彈丸的誕生。尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，使得制導(dǎo)彈丸逐漸小型化和低成本化。引信技術(shù)的發(fā)展使得制導(dǎo)彈丸毀傷模式多樣化，具備了多種作戰(zhàn)用途的能力。在信息技術(shù)的孕育下，具備多種殺傷模式、超高速的制導(dǎo)彈丸將不斷涌現(xiàn)。尤其是2016年后美國(guó)更是積極推進(jìn)超高速制導(dǎo)彈丸(hypervelocity projectile，HVP)的研制[1-2]。

本文從發(fā)射方式、總體技術(shù)、制導(dǎo)技術(shù)以及毀傷模式4個(gè)方面回顧了目前制導(dǎo)彈丸的研究現(xiàn)狀，通過(guò)分析現(xiàn)階段制導(dǎo)彈丸的技術(shù)特點(diǎn)，提出了超高速?gòu)椡璧年P(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 制導(dǎo)彈丸的研究現(xiàn)狀

1.1 彈丸發(fā)射方式

制導(dǎo)彈丸發(fā)射方式主要是指以某種平臺(tái)進(jìn)行發(fā)射達(dá)到預(yù)定的射程和作戰(zhàn)目標(biāo)，發(fā)射方式的更迭都是為了提高彈丸的射程。傳統(tǒng)上，提高彈丸的射程主要是增大發(fā)射藥和身管倍徑。早期，采用中大口徑火炮發(fā)射是提高彈丸射程的重要舉措，例如美國(guó)“銅斑蛇”制導(dǎo)彈丸和前蘇聯(lián)的“紅土地”制導(dǎo)彈丸采用155 mm和152 mm火炮進(jìn)行發(fā)射[3-4]。提高身管倍徑也是增加射程的措施，美國(guó)先進(jìn)艦炮系統(tǒng)(advanced gun system，AGS)艦炮的身管倍徑提高至62倍。

隨后，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的打擊，各國(guó)均啟動(dòng)了火炮平臺(tái)+發(fā)動(dòng)機(jī)助推的復(fù)合發(fā)射方式。美國(guó)海軍主持研發(fā)的遠(yuǎn)程滑翔增程制導(dǎo)彈丸(extended range guided munition，ERGM)雖采用127 mm艦炮發(fā)射，但采用了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)增程，最大射程可達(dá)到117 km[5]。DDG1000裝備的遠(yuǎn)程對(duì)陸攻擊制導(dǎo)彈(long range land attack projectile，LRLAP)制導(dǎo)彈采用了155 mm AGS艦炮+火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射方式，射程達(dá)到180 km[6]。法國(guó)的“鵜鶘”制導(dǎo)炮彈也采用了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推方式。英國(guó)最新研制的制導(dǎo)炮彈同樣采用155 mm火炮+火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推方式[7]。

20世紀(jì)后，電磁發(fā)射技術(shù)受到了各軍事強(qiáng)國(guó)的關(guān)注，相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)射方式，電磁軌道發(fā)射的彈丸初速更高，出口馬赫數(shù)達(dá)到7以上，不用發(fā)動(dòng)機(jī)助推射程可達(dá)200 km以上，而且綜合毀傷能力強(qiáng)[8-9]。因此，這種發(fā)射方式近些年來(lái)發(fā)展較快，具備了工程化的條件[10-12]。2001年，美國(guó)率先開(kāi)展電磁軌道炮工程樣機(jī)研制。2005年實(shí)現(xiàn)了32 MJ能級(jí)的發(fā)射試驗(yàn)，初速達(dá)到2.5 km/s。2012年，美國(guó)完成了32 MJ電磁軌道炮工程樣機(jī)測(cè)試，隨后2017年完成了連發(fā)試驗(yàn)。圖1給出了美國(guó)最新公布的電磁軌道炮工程樣機(jī)實(shí)物圖。2018年后，由于身管壽命、彈炮匹配以及制導(dǎo)器件抗高過(guò)載等問(wèn)題，美國(guó)在這一方面進(jìn)展緩慢，鮮有報(bào)道。

圖1 美國(guó)最新公布的電磁軌道炮試驗(yàn)樣機(jī)Fig.1 The latest test prototype of electromagnetic railgun in the United States

相對(duì)于傳統(tǒng)的火炮發(fā)射方式，采用電磁發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用前景更為廣闊，這也使國(guó)內(nèi)外研究者積極推進(jìn)電磁發(fā)射技術(shù)的研究，力求占領(lǐng)這一科技制高點(diǎn)。近些年來(lái)，我國(guó)在這一方面取得了重要的進(jìn)展[10-13]。但現(xiàn)階段電磁發(fā)射方式仍存在電能儲(chǔ)能密度低以及身管壽命低等技術(shù)難題，有待進(jìn)一步解決。

1.2 彈丸總體技術(shù)

彈丸總體技術(shù)是指彈丸各個(gè)分系統(tǒng)的技術(shù)綜合，將各部分進(jìn)行有機(jī)整合，達(dá)到最佳作戰(zhàn)效能。其核心是氣動(dòng)布局和彈道規(guī)劃，而氣動(dòng)布局最終服務(wù)于彈丸飛行彈道。這里重點(diǎn)從氣動(dòng)布局和彈道規(guī)劃2方面分析目前制導(dǎo)彈丸的總體技術(shù)。

制導(dǎo)彈丸的氣動(dòng)布局以氣動(dòng)阻力小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)為設(shè)計(jì)目的。早期美國(guó)的“銅斑蛇”制導(dǎo)炮彈采用正常式布局，如圖2所示。頭部是圓錐構(gòu)型，身部和尾部均是圓柱型。穩(wěn)定翼采用20°后掠角，尾舵實(shí)現(xiàn)彈體姿態(tài)控制。

圖2 美國(guó)“銅斑蛇”155 mm制導(dǎo)彈丸Fig.2 155 mm copperhead guided projectile

彈丸頭部是導(dǎo)引頭和電子器件艙，中間是戰(zhàn)斗部艙，尾部是穩(wěn)定控制艙段。出膛后，該彈首先按照無(wú)控慣性彈道飛行，然后在彈道最高點(diǎn)后開(kāi)始滑翔，彈翼彈開(kāi)，進(jìn)行姿態(tài)控制，在接近目標(biāo)時(shí)，彈丸根據(jù)導(dǎo)引頭獲得的導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的攻擊[14]。

鴨式布局也是制導(dǎo)炮彈最為常見(jiàn)的一種氣動(dòng)布局。前蘇聯(lián)研發(fā)的紅土地152 mm制導(dǎo)彈丸采用這種布局，隨后美國(guó)制導(dǎo)彈丸普遍采用鴨式布局。這里著重介紹美國(guó)著名的XM982“神劍”制導(dǎo)彈丸的氣動(dòng)布局[15]。圖3顯示了“神劍”制導(dǎo)彈丸外形圖，可看出，彈丸頭部是錐形，內(nèi)含高炸或近炸引信和電子器件，彈身和彈尾是圓柱型，4片鴨舵安裝于過(guò)渡段。尾部安裝6片自由旋轉(zhuǎn)尾翼。彈底采用排氣技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)增程。

圖3 美國(guó)XM982“神劍”制導(dǎo)彈丸Fig.3 XM982 Excalibur guided projectile

在整個(gè)彈道規(guī)劃上，“神劍”制導(dǎo)彈丸也獨(dú)具一格，在彈道初始段，彈丸按照無(wú)控慣性彈道飛行，在接近彈道最高點(diǎn)時(shí)，4片鴨舵展開(kāi)，衛(wèi)星接收機(jī)開(kāi)始收星，完成定位。彈丸開(kāi)始滑翔，在更新坐標(biāo)數(shù)據(jù)后，并于目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算偏差然后控制鴨舵飛向目標(biāo)，值得說(shuō)明的是，在末端彈道規(guī)劃方面，“神劍”制導(dǎo)彈丸采用非彈道式飛行路線，而是在彈道終點(diǎn)進(jìn)行近乎垂直的俯沖打擊，以保障最佳毀傷效果[16]。

美國(guó)海軍研發(fā)的127 mm增程制導(dǎo)彈丸(extended range guided munitions，ERGM)同樣采用鴨式布局，結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。彈頭為卡門曲線，中間段為圓柱段，尾部采用船尾形。頭部鴨翼布局和尾部穩(wěn)定翼布局與“神劍”相同，但由于該彈采用了火箭助推增程，射程可達(dá)110 km以上。內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局方面，頭部仍是近炸引信和導(dǎo)航電子器件、過(guò)渡段是控制系統(tǒng)，圓柱段包含戰(zhàn)斗部和安保機(jī)構(gòu)，尾部是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖4 美國(guó)ERGM制導(dǎo)彈丸結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural diagram of ERGM

在彈道規(guī)劃方面，ERGM與神劍基本相同，如圖5所示。彈丸出膛后，尾翼張開(kāi)，保持穩(wěn)定飛行，在彈道上升段，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推彈丸爬高增程。在彈道最高點(diǎn)處，全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)開(kāi)始搜星定位，輸出導(dǎo)航信息。同時(shí)鴨式舵展開(kāi)，彈上控制系統(tǒng)控制舵片偏轉(zhuǎn)，彈丸開(kāi)始滑翔飛行。彈丸在彈道末段飛臨目標(biāo)以后，以與地面近乎垂直的姿態(tài)俯沖沖擊目標(biāo)。

圖5 ERGM制導(dǎo)彈丸的作戰(zhàn)流程Fig.5 The fight flow chart of ERGM

隨后，美國(guó)針對(duì)DDX 1000驅(qū)逐艦155 mm AGS開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程對(duì)地攻擊制導(dǎo)彈LRLAP同樣采用鴨式布局，火箭助推，射程可達(dá)185 km，布局結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6[17]。

圖6 裝備于DDG 1000 AGS的LRLAP外形Fig.6 Outline of LRLAP equipped in DDG 1000 AGS

采用這種氣動(dòng)布局還有法國(guó)“鵜鶘”制導(dǎo)彈丸、意大利“火山”制導(dǎo)彈丸以及英國(guó)LCGM制導(dǎo)彈丸等[18]。

近年來(lái)，在電磁軌道技術(shù)催化下，超高速?gòu)椡璞幻绹?guó)海軍視為下一代通用化、大射程以及多任務(wù)的制導(dǎo)彈丸，適用于當(dāng)前的火炮發(fā)射平臺(tái)和未來(lái)的電磁軌道炮發(fā)射平臺(tái),可完成海軍遠(yuǎn)程火力支援和防空反導(dǎo)的任務(wù)[19]。這種彈丸從發(fā)射方式以及總體技術(shù)等方面與先前的彈丸有較大的區(qū)別，首先，采用次口徑發(fā)射方式，可適用于127、155 mm火炮以及電磁軌道炮等各種發(fā)射平臺(tái)，其次，彈丸初速較高，火炮發(fā)射初速可達(dá)到1 300 m/s，電磁炮發(fā)射可達(dá)2 000 m/s。最后，整個(gè)彈丸的氣動(dòng)布局完全不同，采用了一種無(wú)翼式布局，如圖7所示。

圖7 超高速?gòu)椡璋l(fā)射組件及彈丸外形Fig.7 Outlines of the ILP and HVP

表1總結(jié)了當(dāng)前主要制導(dǎo)彈丸的總體性能指標(biāo)，從氣動(dòng)布局上來(lái)看，早期采用正常式布局，隨后，鴨式布局稱為制導(dǎo)彈丸的主流布局。這顯然是由于鴨式布局適應(yīng)于彈丸滑翔增程。而近年來(lái)研發(fā)的HVP則采用了無(wú)翼式布局，這種布局方式可有效降低氣動(dòng)阻力。從整個(gè)制導(dǎo)彈丸的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，無(wú)論是采用大口徑火炮發(fā)射，還是采用火箭助推+滑翔增程，其最終目標(biāo)都是為了提高彈丸的射程。采用電磁軌道炮發(fā)射，射程可達(dá)200 km以上，但彈丸在大氣中飛行，由于高初速導(dǎo)致氣動(dòng)阻力較大。因此，彈丸減阻設(shè)計(jì)尤為重要。這也是HVP無(wú)翼式布局的設(shè)計(jì)初衷。

表1 當(dāng)前主要制導(dǎo)彈丸的總體性能指標(biāo)Table 1 Ensemble indexes of current guided projectiles

1.3 彈丸制導(dǎo)技術(shù)

目前，常見(jiàn)的制導(dǎo)彈丸的制導(dǎo)控制方式包括末制導(dǎo)技術(shù)、彈道修正技術(shù)和INS/GPS復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)等。

1.3.1 末制導(dǎo)技術(shù)

早期的“銅斑蛇”和“紅土地”制導(dǎo)彈丸采用激光半主動(dòng)末制導(dǎo)技術(shù)，這種制導(dǎo)方式通過(guò)激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射，彈上激光導(dǎo)引頭依靠目標(biāo)反射的激光波束進(jìn)行導(dǎo)引。制導(dǎo)精度可達(dá)2 m以內(nèi)，但這種制導(dǎo)方式缺點(diǎn)也很明顯。首先，激光容易受到天氣、煙霧等環(huán)境影響；其次，需要人員和設(shè)備將目標(biāo)指示器抵進(jìn)目標(biāo)5 km處，持續(xù)照射目標(biāo)20 s以上，直至彈丸擊中目標(biāo)。非常容易暴露己方，在現(xiàn)代激烈的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下使用受到限制。

末敏彈也是屬于末制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的一種形式[20]。隨著紅外和毫米波復(fù)合傳感器技術(shù)的發(fā)展，一種在彈道末端自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)的末敏彈誕生。這種末敏彈采用155 mm火炮完成發(fā)射，射程范圍為27～35 km。20世紀(jì)90年代開(kāi)始在美國(guó)、法國(guó)等陸軍服役。

1.3.2 彈道修正技術(shù)

彈道修正技術(shù)是對(duì)現(xiàn)役常規(guī)炮彈的引信單元進(jìn)行改進(jìn)，利用逐漸小型化的GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，制導(dǎo)控制，提高現(xiàn)役彈丸的精度，從整個(gè)方案上來(lái)看，彈道修正技術(shù)是一條低成本的彈丸精準(zhǔn)化發(fā)展之路。

彈道修正技術(shù)分為一維和二維修正，一維修正技術(shù)主要是對(duì)炮彈彈道的縱向修正，二維修正則是對(duì)炮彈彈道的縱向和橫向進(jìn)行修正，以到達(dá)所要攻擊的目標(biāo)[21]。一維和二維修正技術(shù)均依靠對(duì)GPS和慣性測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，前者通過(guò)展開(kāi)某種形狀的空氣動(dòng)力減速板，后者通過(guò)控制可操縱的鴨式舵來(lái)實(shí)現(xiàn)彈道修正效果。

一維修正彈的關(guān)鍵技術(shù)是確定阻力機(jī)構(gòu)的作用時(shí)間，研制強(qiáng)度和性能。此外，阻力片機(jī)構(gòu)、天線、電源、電路都要集成到標(biāo)準(zhǔn)引信空間里。典型產(chǎn)品有美國(guó)的XM1156精確制導(dǎo)組件(precision guidance kit，PGK)，美國(guó)和英、法等國(guó)研制的“斯塔爾”，法國(guó)研制的“桑普拉斯”和SPACIDO，德國(guó)的“彈道修正引信”等[21]。

二維修正彈則是在傳統(tǒng)引信部位改裝了由炸高探測(cè)器、固定鴨式舵、GPS天線和接收機(jī)、信號(hào)處理器、安保裝置以及傳爆管等部件，改進(jìn)后的組件稱為精確制導(dǎo)組件，可見(jiàn)圖8。信號(hào)處理器根據(jù)實(shí)時(shí)接收的GPS信號(hào)對(duì)彈道進(jìn)行解算，預(yù)測(cè)彈丸落點(diǎn)，然后將預(yù)測(cè)值于發(fā)射前通過(guò)裝定器輸入的目標(biāo)位置進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)二者的偏差產(chǎn)生修正控制指令，并傳遞給鴨式舵?？刂茝椡鑼?shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)。美國(guó)ATK公司是最早開(kāi)展二維修正彈的研制，并將其成功列裝美國(guó)陸軍。據(jù)稱該彈能將常規(guī)155 mm彈丸在最遠(yuǎn)圓概率誤差CEP 267 m提升至30 m[22]，在制導(dǎo)精度方面，圓概率誤差越小越好。

圖8 美國(guó)ATK公司精確制導(dǎo)組件結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of ATK precision guidance components

1.3.3 INS/GPS復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)

20世紀(jì)90年代，隨著美國(guó)全球定位系統(tǒng)和基于微納制造技術(shù)的微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)傳感技術(shù)的發(fā)展，基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(inertial navigation system)/GPS制導(dǎo)技術(shù)被迅速應(yīng)用于制導(dǎo)彈丸上，可相對(duì)于20世紀(jì)80年代的激光半主動(dòng)制導(dǎo)技術(shù)，這種制導(dǎo)技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯：具備發(fā)射后不管的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大射程、全天候的作戰(zhàn)，而且成本低廉。是目前制導(dǎo)彈丸最為常見(jiàn)的制導(dǎo)方式[23]，如表1所示。INS自主性高、保密性強(qiáng)，具備抗干擾能力，但是需要初始對(duì)準(zhǔn)信息，導(dǎo)航精度差，而且精度隨著時(shí)間而漂移。GPS定位精度高，可達(dá)5 m。缺點(diǎn)是易受干擾，高動(dòng)態(tài)下可靠性低以及數(shù)據(jù)輸出頻率低等。將GPS與INS復(fù)合可以使2種制導(dǎo)方式取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)成有機(jī)的整體，在制導(dǎo)初始段，GPS可為INS輔助校準(zhǔn)精度，減小INS零偏誤差。在彈道末端，當(dāng)GPS受到干擾后，INS可根據(jù)最后得到的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，單獨(dú)控制彈丸飛行[24-26]。

采用這種制導(dǎo)方式存在不能打擊移動(dòng)目標(biāo)的缺陷。為此，美國(guó)將GPS/INS+激光半主動(dòng)末制導(dǎo)進(jìn)行組合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的打擊。2020年初，美國(guó)雷神公司公布的改進(jìn)“神劍-S”制導(dǎo)彈丸采用了GPS/INS+激光半主動(dòng)末制導(dǎo)組合制導(dǎo)方式，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)靶的打擊，制導(dǎo)精度從5 m提高至0.9 m。

1.4 彈丸毀傷模式

相對(duì)于導(dǎo)彈，制導(dǎo)彈丸的裝填空間有限，需要對(duì)引戰(zhàn)系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，確保達(dá)到最佳毀傷效能。提高彈丸的殺傷威力一般有2種措施：一是采用新型毀傷材料，改變裝藥形式和工藝；二是設(shè)計(jì)更有效的引戰(zhàn)系統(tǒng)，比如將傳統(tǒng)的均勻殺傷改為定向殺傷，或改變彈丸攻擊角度。

早期制導(dǎo)彈丸主要用于打擊裝甲類目標(biāo)，常采用聚能穿甲戰(zhàn)斗部，比如“銅斑蛇”制導(dǎo)彈丸。但隨著反應(yīng)裝甲的應(yīng)用，極大地降低了破甲戰(zhàn)斗部的威力。為此，許多聚能破甲戰(zhàn)斗部升級(jí)為串聯(lián)戰(zhàn)斗部，即采用前置戰(zhàn)斗部引爆反應(yīng)裝甲，然后延時(shí)起爆的柱戰(zhàn)斗部完成破甲任務(wù)[27-28]。隨著高爆/破片戰(zhàn)斗部的發(fā)展，“紅土地”、“神劍”、ERGM、LRLAP、“鵜鶘”、“火山”等制導(dǎo)彈丸均采用這種戰(zhàn)斗部。這種戰(zhàn)斗部?jī)?yōu)勢(shì)非常明顯，有效殺傷面積大，戰(zhàn)斗部爆破產(chǎn)生的破片可對(duì)輕型裝甲造成破壞，而爆炸所產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波對(duì)人員、工事和裝備造成嚴(yán)重殺傷。此外，云爆彈和子母彈是制導(dǎo)彈丸較為常見(jiàn)的戰(zhàn)斗部形式[29]。

近些年來(lái)，制導(dǎo)彈丸逐漸向多功能、多任務(wù)型方向發(fā)展，不同的作戰(zhàn)任務(wù)需要配備不同的戰(zhàn)斗部類型，比如“神劍”制導(dǎo)彈丸可配備多種類型戰(zhàn)斗部。HVP兼具遠(yuǎn)程對(duì)地和防空反導(dǎo)的需求，更需要多種類型的戰(zhàn)斗部，目前已發(fā)展成型的戰(zhàn)斗部有高爆和動(dòng)能2類。

為了提高彈丸毀傷效率，破片材料一直是戰(zhàn)斗部機(jī)理研究的重點(diǎn)。目前，含能毀傷元作為一種新興的戰(zhàn)斗部毀傷元成為當(dāng)前戰(zhàn)斗部研究熱點(diǎn)，其兼具動(dòng)能和化學(xué)能疊加的雙重毀傷效應(yīng)，可以大幅度的提高戰(zhàn)斗部的毀傷性能。破片毀傷作用機(jī)理如圖9所示。通過(guò)破片中包覆含能材料，使得破片在侵徹貫穿靶板后，能在靶板后形成爆轟反應(yīng)，同時(shí)形成高壓沖擊波和繞高溫破裂碎片等毀傷因素毀傷目標(biāo)。2002年，美國(guó)“國(guó)防先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目”將含能毀傷元技術(shù)列入其中，開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)的研究[30-31]。王海福[32]、曹兵[33]、趙鵬鐸[34]和劉燕等[35]相繼開(kāi)展了含能材料的研究，研究表明含能毀傷元的毀傷效能是傳統(tǒng)金屬桿的5倍多，代表了破片戰(zhàn)斗部的發(fā)展方向。

圖9 含能毀傷元侵徹作用機(jī)理Fig.9 Penetration mechanism of energetic damage fragment

2 制導(dǎo)彈丸的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 制導(dǎo)器件發(fā)射環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

制導(dǎo)器件發(fā)射環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)主要包含2大部分：一是制導(dǎo)器件抗高過(guò)載技術(shù)；二是制導(dǎo)器件抗強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)，后者主要針對(duì)電磁軌道炮發(fā)射環(huán)境。下面針對(duì)兩方面開(kāi)展說(shuō)明。

2.1.1 制導(dǎo)器件抗高過(guò)載技術(shù)

作為炮射制導(dǎo)彈丸，成功應(yīng)用的前提是所有結(jié)構(gòu)及器件承受住膛內(nèi)發(fā)射過(guò)載。而作為制導(dǎo)器件，選型首先考慮的是器件是否適用于膛內(nèi)發(fā)射過(guò)載，即經(jīng)過(guò)膛內(nèi)發(fā)射后，器件存活且性能不發(fā)生改變。至今，制導(dǎo)器件抗高過(guò)載技術(shù)仍然是制約制導(dǎo)彈丸技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

解決這一關(guān)鍵技術(shù)仍需從材料、結(jié)構(gòu)和工藝3方面著手。在材料選型上，首先考慮抗過(guò)載能力強(qiáng)和可靠性高的元器件。但目前一些元器件主要材料是石英晶體和硅，屬于典型的脆性材料，尤其是一些測(cè)量敏感器件，包括懸臂梁、梳齒等薄弱結(jié)構(gòu)，很容易在大過(guò)載下產(chǎn)生永久變形和折斷[36]。其次，在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量減小應(yīng)力峰值，比如國(guó)外提出了在MEMS器件上增加止擋限位結(jié)構(gòu)，限制敏感結(jié)構(gòu)的變形[37]。值得說(shuō)明的是，元器件材料和結(jié)構(gòu)仍受制于其他性能指標(biāo)要求的限制，針對(duì)高過(guò)載方面的設(shè)計(jì)有限，因此，在制導(dǎo)器件抗高過(guò)載方面，最為常用的方法是隔振緩沖和灌封防護(hù)設(shè)計(jì)，其中灌封防護(hù)是最流行也是效果最好的方法[38]。

灌封材料主要是利用其自身的塑性和粘性吸收沖擊能量，如圖10所示。若材料無(wú)阻尼特性，沖擊能量只會(huì)以高頻振動(dòng)形式在材料的彈性勢(shì)能和動(dòng)能間相互轉(zhuǎn)化，若材料阻尼特性較強(qiáng)，則部分動(dòng)能會(huì)耗散成內(nèi)能，從而迅速降低振動(dòng)的幅值[39-41]。因此，灌封材料一般選取彈塑性或粘彈性材料，利用材料的變形和阻尼特性盡可能的吸收沖擊能量，若材料的屈服階段越長(zhǎng)，材料的緩沖吸能效果越好[42]。同時(shí)由于灌封材料具有粘彈效應(yīng)和橫向慣性效應(yīng)，使得應(yīng)力波在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生幅值衰減和波形彌散作用。目前常見(jiàn)的灌封材料主要有3類：環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯和有機(jī)硅，其中聚氨酯材料以其硬度低、彈性好、粘結(jié)力強(qiáng)和電性能好等特點(diǎn)，目前成為彈載電子系統(tǒng)灌封的主要材料。

圖10 灌封材料能量轉(zhuǎn)化過(guò)程Fig.10 Energy conversion process of potting materials

早期制導(dǎo)彈丸的發(fā)射過(guò)載較小，“銅斑蛇”制導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)載只有9 000 g，隨著制導(dǎo)彈丸發(fā)射初速的提高，尤其是電磁發(fā)射超高速?gòu)椡瑁艃?nèi)峰值過(guò)載達(dá)到2.5×104g以上，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，是傳統(tǒng)炮射彈藥過(guò)載的1.5～2倍，如圖11所示。使得制導(dǎo)器件的抗高過(guò)載設(shè)計(jì)不斷面臨新的挑戰(zhàn)，仍需要深入研究，進(jìn)一步提高器件的抗高過(guò)載能力。

圖11 制導(dǎo)彈丸發(fā)射過(guò)載曲線對(duì)比Fig.11 Comparison of launching shock curve of projectile

2.1.2 制導(dǎo)器件抗強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)

對(duì)于電磁發(fā)射超高速制導(dǎo)彈丸，其還需承受膛內(nèi)峰值近7 T的低頻磁場(chǎng)環(huán)境(見(jiàn)圖12)，現(xiàn)有國(guó)軍標(biāo)中電子器件的電磁兼容性設(shè)計(jì)未針對(duì)低頻強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，而低頻強(qiáng)磁場(chǎng)可能會(huì)對(duì)彈上舵機(jī)、傳感器、戰(zhàn)斗部裝藥等器部件的性能造成影響，引起制導(dǎo)控制系統(tǒng)失靈或早炸現(xiàn)象[43]。

圖12 電磁發(fā)射超高速?gòu)椡璐鸥袘?yīng)強(qiáng)度曲線Fig.12 Magnetic induction intensity curve of HVP

為解決制導(dǎo)器件的抗強(qiáng)磁場(chǎng)關(guān)鍵技術(shù)，需要從器件工作原理、材料和布局3方面著手。首先盡量選用不受磁場(chǎng)影響的制導(dǎo)器件，如采用感應(yīng)式舵機(jī)、或氣動(dòng)舵取代永磁式舵機(jī)，采用機(jī)械過(guò)載開(kāi)關(guān)取代電子開(kāi)關(guān)等；其次，優(yōu)選非導(dǎo)磁材料或抗磁飽和能力強(qiáng)的材料，如選用不銹鋼或其他高強(qiáng)非導(dǎo)磁材料作為其外殼材料，可避免地磁傳感器等器件在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下出現(xiàn)充磁現(xiàn)象;最后根據(jù)彈丸內(nèi)部磁場(chǎng)的分布規(guī)律對(duì)制導(dǎo)器件進(jìn)行合理布局，如將對(duì)磁敏感的電源板、引信、戰(zhàn)斗部等盡量原理電樞端布置，減少磁場(chǎng)的影響[44]。

2.2 彈丸起始擾動(dòng)抑制及飛行穩(wěn)定技術(shù)

彈丸起始擾動(dòng)是影響制導(dǎo)彈丸飛行穩(wěn)定性以及能量衰減的重要因素。若彈丸起始擾動(dòng)過(guò)大，不僅使彈丸持續(xù)振蕩，姿態(tài)難以收斂，引起彈丸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)失穩(wěn)。而且對(duì)制導(dǎo)器件的初始空中對(duì)準(zhǔn)增添了困難。

彈丸的起始擾動(dòng)主要來(lái)源于膛內(nèi)的發(fā)射過(guò)程，彈丸的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，是典型的非線性過(guò)程，易受初始和邊界條件的影響，比如身管狀態(tài)、彈丸狀態(tài)、初始裝填狀態(tài)等因素。而彈丸起始擾動(dòng)的隨機(jī)性主要來(lái)源于這些狀態(tài)難以唯一描述。因此，彈丸的起始擾動(dòng)抑制主要是從結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小制造偏差，對(duì)彈丸進(jìn)行約束。芮筱亭等[45]針對(duì)傳統(tǒng)火炮發(fā)射的彈丸起始擾動(dòng)開(kāi)展了系統(tǒng)性的研究，指導(dǎo)了工程實(shí)踐。電磁發(fā)射彈丸同樣受其發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)以及彈丸受力特性的影響，由于裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)射原理不同，存在多種物理場(chǎng)強(qiáng)耦合(見(jiàn)圖13)，使得彈丸起始擾動(dòng)機(jī)理仍不明確。同時(shí)，彈丸初速越高，馬赫數(shù)越大，彈丸的靜穩(wěn)定裕度越小，即在一定起始擾動(dòng)下，超高速?gòu)椡枳藨B(tài)收斂更為漫長(zhǎng)。因此，需要對(duì)電磁發(fā)射的內(nèi)彈道進(jìn)行深入研究。但從工程角度考慮，應(yīng)嚴(yán)格控制裝置和彈丸結(jié)構(gòu)加工和裝配偏差。

圖13 電磁發(fā)射超高速?gòu)椡鑳?nèi)彈道Fig.13 Interior ballistic diagram of HVP

此外，對(duì)于次口徑的超高速制導(dǎo)彈丸，彈托分離過(guò)程也是影響彈丸起始擾動(dòng)的重要因素[46]。存在氣動(dòng)與機(jī)械干擾，如圖14所示。彈托分離機(jī)制以及炮口非定常流場(chǎng)機(jī)理分析需要重點(diǎn)分析，才能確定氣動(dòng)干擾和機(jī)械干擾帶來(lái)的偏差。在近期研究中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于彈托分離引起的擾動(dòng)，炮口擾動(dòng)是起始擾動(dòng)的主要因素[47]。

圖14 彈托分離干擾Fig.14 Schematic diagram of interference caused by separation of sabot

彈丸起始擾動(dòng)只能抑制，不能消除，因此，彈丸的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)也非常重要，靜穩(wěn)定裕度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、彈丸初始轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)和分析是制導(dǎo)彈丸初始穩(wěn)定性分析需要重點(diǎn)考慮。

2.3 大空域、寬速域的彈丸氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)

制導(dǎo)彈丸逐漸向遠(yuǎn)射程、高精度和高機(jī)動(dòng)方向發(fā)展。在大射程和寬速域工況下，彈丸的氣動(dòng)特性以及對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)非常重要。首先，要求彈丸在整個(gè)飛行過(guò)程中具有較高的升阻比，尤其是彈道下降段，升阻比越大，滑翔增程效果越好；其次，要考慮彈道高度對(duì)彈丸飛行穩(wěn)定性、舵效的影響。彈道高不僅影響大氣密度，而且影響流經(jīng)彈丸表面的邊界層特性，從而影響氣動(dòng)力系數(shù)；最后，需要考慮彈丸的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)飛行穩(wěn)定的影響[48-49]。彈丸在3個(gè)方向的姿態(tài)變化具有明顯的三維特性，機(jī)理比較復(fù)雜，需要深入分析。

此外，氣動(dòng)熱問(wèn)題也是制約彈丸技術(shù)發(fā)展的重要因素。尤其是超高速?gòu)椡瑁跉鈩?dòng)加熱下，彈丸表面最大溫度達(dá)到2 000 K左右[48]，如圖15所示。如此高的溫度極大地影響彈丸的飛行和制導(dǎo)性能，需要予以重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)前面的分析，氣動(dòng)熱問(wèn)題主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：1)氣動(dòng)熱對(duì)彈翼和舵表面的影響。為減小氣動(dòng)阻力，彈翼和舵一般較薄，則翼和舵前緣面積小，導(dǎo)致氣動(dòng)加熱比較明顯，影響舵面效率；2)氣動(dòng)熱影響制導(dǎo)器件，彈丸在飛行過(guò)程中，熱量持續(xù)向彈體內(nèi)部傳遞，這會(huì)影響制導(dǎo)器件的存活性；3)氣動(dòng)熱影響天線罩，制導(dǎo)彈丸存在非金屬材料的天線罩，導(dǎo)熱性能差，使得天線罩表面溫度較高，較高溫度下，表面會(huì)發(fā)生碳化，影響透波性能。氣動(dòng)熱對(duì)彈丸3個(gè)方面的影響需予以重點(diǎn)關(guān)注。

圖15 超高速?gòu)椡璞砻骜v點(diǎn)溫度變化曲線[48]Fig.15 Temperature curves of stagnation point of HVP[48]

2.4 制導(dǎo)控制技術(shù)

彈丸的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖16所示。彈丸運(yùn)動(dòng)模型是典型的非線性時(shí)變模型，在傳統(tǒng)彈丸控制方面，均采用“系數(shù)凍結(jié)法”和“小擾動(dòng)”的假設(shè)進(jìn)行線性化處理，忽略了非線性項(xiàng)和耦合項(xiàng)的影響，使得彈丸的實(shí)際控制過(guò)程中容易出現(xiàn)穩(wěn)定性差和精度差等問(wèn)題。隨著非線性控制理論的發(fā)展，一些新的控制算法，比如最優(yōu)控制、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等現(xiàn)代控制理論逐漸應(yīng)用在制導(dǎo)彈丸控制系統(tǒng)中，增強(qiáng)了算法的魯棒性，減小了彈丸的脫靶量。此外，考慮彈丸終點(diǎn)姿態(tài)對(duì)毀傷的影響，帶有末端姿態(tài)控制的算法也逐漸發(fā)展成型。

圖16 制導(dǎo)彈丸制導(dǎo)與控制Fig.16 Guidance and control diagram of guided projectile

在導(dǎo)航算法方面，首先解決制導(dǎo)彈丸的空中對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，在發(fā)射工況下，由于INS系統(tǒng)難以適應(yīng)過(guò)載要求而選擇不啟動(dòng)，需要在出膛后進(jìn)行初始姿態(tài)校準(zhǔn)，現(xiàn)階段通過(guò)衛(wèi)導(dǎo)輔助校準(zhǔn)技術(shù)解決這一技術(shù)難題[50]。其次，為提高導(dǎo)航精度，在原基礎(chǔ)上考慮數(shù)據(jù)融合技術(shù)，考慮狀態(tài)方程的時(shí)變性，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波技術(shù)，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力[51]。目前，在干擾環(huán)境下的導(dǎo)航硬件和軟件設(shè)計(jì)仍是技術(shù)難點(diǎn)。

高超聲速制導(dǎo)炮彈射程遠(yuǎn)，彈道高度大，因而氣動(dòng)力參數(shù)變化范圍較大，飛行過(guò)程中各通道間還存在非線性耦合，這對(duì)制導(dǎo)和控制系統(tǒng)提出了更高要求。

3 制導(dǎo)彈丸的發(fā)展態(tài)勢(shì)

3.1 彈丸增程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

彈丸追求的總目標(biāo)是遠(yuǎn)射程、高精度和大威力。射程一直是制導(dǎo)彈丸追求的第一目標(biāo)。為了提高射程，各種制導(dǎo)彈丸采取了各種各樣的增程技術(shù)。目前的增程技術(shù)主要是從發(fā)射平臺(tái)和彈丸2個(gè)方面來(lái)考慮，如表2所示。從發(fā)射平臺(tái)方面實(shí)現(xiàn)增程的方法主要是指研究新型發(fā)射技術(shù)(電磁發(fā)射技術(shù))、發(fā)射藥和火炮結(jié)構(gòu)；從彈丸方面實(shí)現(xiàn)增程的方法主要有彈型減阻增程、底部排氣增程、架設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)增程等。這些增程技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于現(xiàn)有的制導(dǎo)彈丸中。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的制導(dǎo)彈丸繼續(xù)采用以下增程技術(shù)，甚至是各種增程技術(shù)的組合。

表2 目前常見(jiàn)的制導(dǎo)彈丸增程技術(shù)Table 2 Technology of increased range for guided projectiles

3.2 模塊化、集成化的設(shè)計(jì)思路成為趨勢(shì)

相對(duì)于導(dǎo)彈，制導(dǎo)彈丸最大的優(yōu)勢(shì)是成本低、攜彈量大等?？刂茝椡璩杀咀詈玫霓k法是將彈丸內(nèi)部各個(gè)部分進(jìn)行集成化、模塊化設(shè)計(jì)，使得彈丸生產(chǎn)更加標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。因此，模塊化和集成化是制導(dǎo)彈丸的未來(lái)發(fā)展方向。

目前，這種設(shè)計(jì)思想已經(jīng)成功應(yīng)用于制導(dǎo)彈丸中，比如，美國(guó)Honeywell公司已將GPS和INS集成設(shè)計(jì)，形成體積更小的導(dǎo)航模塊，“神劍”制導(dǎo)彈丸將戰(zhàn)斗部模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部的更換。HVP制導(dǎo)也同樣采用了模塊化和集成化的設(shè)計(jì)思路，以滿足不同的作戰(zhàn)需求。

3.3 高效毀傷技術(shù)依然是研究熱點(diǎn)

彈丸的毀傷效能一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，隨著彈丸小型化和低成本化發(fā)展。對(duì)毀傷的要求也越來(lái)越大，對(duì)于超高速?gòu)椡?，目前?zhàn)斗部的設(shè)計(jì)主要有2種：一是動(dòng)能戰(zhàn)斗部，僅依靠彈體的動(dòng)能進(jìn)行毀傷；二是殺爆戰(zhàn)斗部，通過(guò)引信引爆裝藥戰(zhàn)斗部，起爆裝藥，形成破片，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。在追求最大毀傷效能下，可將這2種戰(zhàn)斗部結(jié)合使用，同時(shí)引入新的高效毀傷元，比如含能毀傷元完成戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)。

此外，在電磁攻防體系下，軟殺傷模式也成為一種重要的發(fā)展方向。軟殺傷戰(zhàn)斗部主要是通過(guò)電磁、煙霧或微波等技術(shù)破壞敵方系統(tǒng)作戰(zhàn)能力，使武器裝備失效和敵人喪失戰(zhàn)斗力。例如電磁干擾彈、電磁脈沖彈。20世紀(jì)90年便開(kāi)始了這類殺傷模式的研究，但由于技術(shù)受限，遲遲未能實(shí)現(xiàn)工程化，但這種發(fā)展趨勢(shì)仍然明顯。近年來(lái)，出現(xiàn)了攜帶導(dǎo)電復(fù)合碳纖維、燃料空氣炸藥、溫壓炸藥等裝填物的軟/硬毀傷戰(zhàn)斗部。并研發(fā)電磁脈沖、高功率微波、強(qiáng)光致盲、復(fù)合干擾等新概念戰(zhàn)斗部。

4 結(jié)論

超高速制導(dǎo)彈丸是下一代通用化、模塊化、低成本以及多任務(wù)作戰(zhàn)的彈藥，被美國(guó)視為落實(shí)第3次“抵消戰(zhàn)略”的重要舉措，兼具遠(yuǎn)程對(duì)地和防空反導(dǎo)等多種作戰(zhàn)使命，具有廣闊的應(yīng)用前景。但其對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，本文回顧了制導(dǎo)彈丸的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)梳理了當(dāng)前制約超高速制導(dǎo)彈丸發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，指出了制導(dǎo)彈丸的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為后續(xù)彈丸研究提供借鑒和參考。