金屬風暴武器技術發展綜述

李書甫，常衛偉，殷 利

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

金屬風暴武器技術發展綜述

李書甫，常衛偉，殷 利

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

金屬風暴武器技術是采用彈丸疊裝技術和電子點火技術的新型發射技術，具有射速高、火力強大、極高的火力質量比等特點。本文較為全面地論述了金屬風暴武器技術的原理、各個方面的發展及改裝情況，包括發射藥密封、多發射藥、點火與不點火排除、現場裝彈、大口徑武器發射及普通榴彈與可疊裝彈丸改裝等專利技術。采用這些技術可以解決發射藥的有效密封與低成本密封、彈丸初速度的提高與改變、可靠點火與低成本點火、現場再裝彈、大口徑武器發射及低成本改裝等問題。

金屬風暴武器;發射藥密封;多發射藥;點火;現場裝彈;大口徑武器;改裝

0 引言

金屬風暴武器系統是彈丸軸向疊裝、由計算機控制的電子點火的武器系統。理論上，金屬風暴武器系統可配備極大數量的身管，能在短時間內發射大量彈丸，且該武器是緊湊型的，可提供極高的火力質量比。因此，金屬風暴武器系統可用作艦載近程防御，用來打擊炸彈、導彈或攻擊機等。此外，金屬風暴武器系統可配置不同類型彈藥，以滿足不同用戶需求。

1 技術原理

金屬風暴武器系統配備多個身管組件，1個身管組件包括1個身管、多個彈丸、多個發射藥裝藥、點火裝置和控制裝置。多個彈丸軸向疊裝在身管內，每個彈丸裙部用作密封裝置，當受到身管內壓力時向外膨脹，與身管炮膛密封接合。相鄰的彈丸由發射藥裝藥相互隔開。控制裝置有選擇性地、按順序啟動點火裝置。點火裝置點燃發射藥裝藥，各發射藥裝藥分別將各彈丸推出身管口。

點火裝置采用電子點火裝置，控制裝置采用電子控制器，以便給各點火裝置提供電子點火脈沖信號。適當設置控制裝置，使用戶可以有選擇地控制脈沖的速度、數量和頻率，以提供需要的發射模式。身管炮膛可以設置凹槽，凹槽容納點火裝置的全部或一部分。身管內安裝電導線，電導線傳輸控制裝置和點火裝置之間的電子點火脈沖信號。

當第1個彈丸點火時，同一身管內第2個彈丸在電路控制下鎖定。隨后，電路將第2個彈丸解除保險并點火，第3個彈丸則繼續保持鎖定狀態。然后，依次重復這個過程，身管內全部彈丸按順序被發射出去。

2 金屬風暴武器技術發展

近年來，為了滿足不同用戶的不同需求，金屬風暴有限公司對其金屬風暴武器技術的各個方面進行了多層次的改進、發展和完善。下面將簡要論述有關金屬風暴武器技術的9項專利技術，這些技術分別屬于發射藥密封、多發射藥、點火與不點火排除、現場裝彈、大口徑武器等5個方面。采用這些技術可以解決發射藥的有效密封與低成本密封、彈丸初速度的提高與改變、可靠點火與低成本點火、現場再裝彈以及大口徑武器發射等問題。

2.1 發射藥密封技術

2 .1 .1 楔形密封技術

如圖1所示，身管11中的彈丸10包括普通子彈形的彈體14，彈體帶有截頭錐形的向后縮小的尾部15。尾部支撐著互補的錐形密封帶16。密封帶在尾部的前后端都有自由移動空間，可來回移動，從而有效地與其接合和脫離。密封帶的尾部內表面18與主體部分尾部的后肩部23對應布置。

圖1 采用楔形密封的彈丸Fig.1 A wedging sealing projectile

在裝彈時，沖擊力A將使互補的楔形表面19和20接合，使密封帶向外膨脹，與身管炮膛形成有效的密封接合，防止燃燒的發射藥氣體繞過相鄰的后面彈丸點燃其發射藥。當發射時，主體部分被燃燒的發射藥推動，向前相對運動，使互補的楔形表面脫離，尾部內表面與后肩部有效接合，允許彈丸與密封帶被推出身管口。同時，密封帶稍微徑向膨脹，與身管炮膛有效地密封接合。楔形密封技術的優點是，允許使用較小的楔角，產生較高的鎖壓［1］。

2 .1 .2 簡易密封技術

該簡易密封技術可應用于需要大量、低成本制造的領域。圖2顯示采用該密封技術的彈丸10。彈體11包括頭部和尾部19。尾部的后開口13與彈體內設置的藥室相通。藥室容納發射藥裝藥15和點火裝置(未顯示)。彈丸頭部的前密封面16為普通半球形凸面，后開口被制成密封面17，它至少部分具有與頭部的半球形密封面互補的凹面外形，以便當壓縮載荷被施加到相鄰的彈丸上時提供緊密的氣密密封。

圖2 2個彈丸組件幾乎鄰接Fig.2 Two projectile assemblies in almost abutting relation within a barrel

在裝填過程中，當壓縮載荷L被施加到相鄰的彈丸時，前面彈丸10a后開口的后部周圍表面緊靠后面彈丸10b頭部的前表面，提供有效的密封，從而把發射藥裝藥密封在彈體內的藥室里。一般當最前面的彈丸(未顯示)點火時，最前面的彈丸被推出身管，又會產生壓縮載荷。為了可靠工作，彈體的外圓柱面和身管炮膛之間必須達到最適當的密封程度，以阻止在發射時發射藥氣體通過彈體的頭部泄漏［2］。

2.2 多發射藥技術

2 .2 .1 杯式發射藥技術

為了使彈丸達到更高的初速度，通常需要在身管內裝填更多的發射藥裝藥，但這將增加身管內的最高壓力，從而必需加固身管，制造成本隨之增加。然而，金屬風暴武器采用每個彈丸配備多個發射藥裝藥的發射技術，在不增加身管內最高壓力的情況下，使彈丸初速度提高。

如圖3所示，彈丸的第1個發射藥裝藥16直接設置在前面的彈丸13之后，被容納在第1個杯形藥筒17內。第2個發射藥裝藥18設置在第1個杯形藥筒之后，被容納在第2個藥筒19內。第2個藥筒由2個杯形藥筒構成，容納第3個發射藥裝藥20。第3個發射藥裝藥與第2個發射藥裝藥由第2個藥筒的中間壁21隔開。第1個杯形藥筒的前表面具有小角度楔子形狀，以便與前面彈丸后部的互補楔形后表面接合。同樣，第1個杯形藥筒后端和第2個藥筒前端分別設置互補的表面。按順序點燃這3個發射藥裝藥，將使彈丸達到極高的初速度，而不會在身管內產生等量發射藥裝藥產生的最高壓力［3］。

圖3 第1個發射藥裝藥引爆后的身管組件Fig.3 A barrel assembly after the detonation of a first propellant charge

2 .2 .2 內置式發射藥技術

為了使彈丸的初速度改變，金屬風暴武器采用方便可靠的彈丸內置式發射藥技術，根據實際用途選擇1個或多個發射藥裝藥，裝藥快速燃燒導致以需要的能量發射彈丸。

圖4 內置有發射藥的彈丸Fig.4 A projectile with sealed propellant

如圖4所示，彈丸包括彈體10、頭部11、尾部12和戰斗部13。彈體包括藥室、藥室出口和密封裝置。藥室出口由密封裝置6堵塞，由藥室內的發射藥14燃燒打開，但能抵抗住身管內其他的發射藥燃燒。多個發射藥裝藥由彈丸內設置的多個藥室容納，分別由各自的引爆器15點燃。各裝藥靠塞子16保持在其藥室內，塞子可就地擰上或粘上。為適合彈丸用途，可改變裝藥的數量和配置。頭部內設有排氣通道17，以便向前排出裝藥燃燒產生的氣體。頭部制成一定形狀，以接合前面彈丸的尾部;同樣，尾部制成一定形狀，以接合后面彈丸的頭部。這樣就在彈丸之間提供一定程度的密封，尾部也包括底緣18，以接觸后面彈丸的彈體。當發射時，選擇點燃1個或多個發射藥裝藥，燃燒氣體打開藥室出口，通過排氣通道向前噴出，從身管發射前面相鄰的彈丸。依次，這個彈丸由后面相鄰的彈丸內的裝藥發射，或者由身管后座內的裝藥發射［4］。

2.3 點火技術

2 .3 .1 混合點火技術

金屬風暴武器通常由全電子控制裝置電子點火，但有時需要備用點火系統。這里論述一種混合式點火系統。

每個彈丸的混合式點火系統包括2個部件，即電子點火子系統和機械點火子系統，2個系統都由控制裝置通過通用化控制系統控制。圖5是彈丸的混合式點火系統示意圖。圖中感應線圈20被嵌入身管10，身管上設置孔21。作為電子點火子系統的元件，半導體電橋器件24被嵌入主底火23，以便由感應線圈觸發。機械器件25被設置在主底火附近，由機械點火子系統觸發。備用底火26由穿過孔的撞針直接接觸觸發。1個或多個通道27從備用底火向里延伸到機械器件，以便激發機械器件，從而備用底火燃燒導致引燃主底火。在發射時，采用電子或機械點火子系統引燃主底火，依次引爆發射藥裝藥22［5］。

圖5 采用混合點火系統的彈丸Fig.5 A projectile utilizing a combined firing system

2 .3 .2 不點火排除技術

金屬風暴武器的身管內可能會出現彈丸不點火，或者后面彈丸的發射藥先于前面彈丸的發射藥點火，造成不點火或遲點火故障。為了提高作戰安全性，金屬風暴武器可采用不點火故障排除技術，即用擊鐵撞擊彈丸，使其脫離密封接合，為后面的燃燒氣體提供泄漏通道，點燃前面留下的發射藥，排除不點火故障。

如圖6所示，身管11內的彈丸組件10與圖1的彈丸組件類似。但在彈丸后表面26的中心設置較大直徑的圓柱形內腔25。內腔內部接合對應形狀的擊鐵27。在裝彈時，將擊鐵保持在略高于后表面之上，在擊鐵之前提供間隙28。當發射藥點火時，擊鐵沿B方向前進到間隙內，直到接觸內腔的封閉端29，提供沖擊力，即刻解開互補楔形表面20a和20b之間的鎖定，從身管上釋放彈丸組件，推動彈丸組件離開身管。

在前面彈丸不點火的情況下，后面彈丸的發射藥燃燒，向前推動擊鐵，撞擊彈丸內腔的封閉端，使其脫離與密封部分的有效密封接合，為后面彈丸燃燒的發射藥氣體提供向前泄漏通道，允許發射藥氣體充分繞過，點燃留下的前面彈丸的發射藥［6］。

圖6 使用擊鐵的彈丸Fig.6 A hammer freed projectile

2 .3 .3 簡易點火技術

在金屬風暴武器中，通常電導線是必需的，以便將點火信號傳送到身管內每個彈丸的發射藥裝藥。然而，這增加了制造的復雜性和成本。在一些應用中，金屬風暴武器需要低成本的簡易點火裝置。

如圖7所示，身管11裝配炮口端12和后端14，炮口端裝有身管端蓋13以阻止外來物體進入身管。身管內裝有多個彈丸15a，15b，15c，彈丸的彈體由頭部16和尾部17組成。尾部的筒式彈尾19緊靠后面的彈丸，并容納各發射藥裝藥20。每個彈體內部設有同軸的圓柱形空腔27，以容納引信22。彈丸內部設有2個孔，第1個孔連通空腔和彈體的前面，第2個孔連通空腔和彈體的后面。將引信插入同軸空腔之后，將彈體的頭部和尾部配合在一起。頭部的承窩部分與尾部的插頭部分接合。承窩部分和插頭部分可以設置配合螺紋。身管內最前面的彈丸容納點火引信21。點火引信由電信號點燃，電信號由點火控制器通過點火電路23提供。

圖7 采用簡易點火裝置的身管組件Fig.7 A barrel assembly incorporating a less complex ignition arrangement

發射時，點燃身管內最前面的彈丸引信。該引信在空腔里以預定速度燃燒，引起該彈丸的發射藥裝藥點火燃燒，從身管發射最前面的彈丸，并點燃下1個彈丸空腔內的引信，隨后剩下的各彈丸按順序被發射。由于在前面的彈丸未先點火的情況下后面的彈丸幾乎不可能點火，該點火技術大大減少不點火故障［7］。

2.4 現場裝彈技術

為了克服作戰行動中裝彈與再裝彈的困難，金屬風暴有限公司發明了現場裝彈技術。如圖8所示，圖8(a)所示的彈丸。包括類似彈頭的有效載荷容器10、發射藥裝藥11和尾部組件12。尾部組件包括1組夾片30，同時頭部15也包括1個環形槽16，從而每個后面彈丸的頭部分別可以接合前面彈丸的尾部。每個夾片由較硬的長條和較寬的柔韌長條組成。較硬長條起彈簧作用，較柔長條充當彈丸外表面的蓋子。彈簧長條被加工成3個部分，即主體部分、臂部和銷子。主體部分被固定到彈丸尾部組件上。臂部從主體部分伸出來，向外偏離彈丸。銷子由臂部攜帶，在裝彈過程中接合后面的彈丸。

在裝彈時，圖8(b)中第1個彈丸的尾部組件大部分處于后膛內，第2個彈丸的頭部處于后膛的入口，與第1個彈丸的尾部組件接觸，第1個彈丸尾部組件上的各夾片緊挨后膛的傾斜部分，仍處在其張開狀態。操作者推動第2個彈丸，又促使第1個彈丸進一步進入身管，直到第1個彈丸完全進入身管，各夾片借助后膛的傾斜部分偏轉而閉合，每個銷子都接合環形槽。操作者進一步推動第2個彈丸，使其進入后膛，占據第1個彈丸的最初位置。相反，在退彈過程中，操作者可從后膛拉出第2個彈丸，同時又將把第1個彈丸拉回到后膛。各夾片彈回到其初始張開狀態，即使彈丸退出，并可用同樣方法重新裝彈［8］。

圖8 帶有疊裝夾片的彈丸及裝填Fig.8 A projectile with stacking clips and the loading process

2.5 大口徑武器發射技術

該發射技術主要用于大口徑金屬風暴武器。如圖9所示，該武器10采用直通炮膛身管，身管前部構成膛線部13，而其后部構成身管室和閂室，發射藥室處在兩者之間，發射藥室設有液體發射藥噴射器和點火裝置。將身管后端加厚，以容納發射藥室和引導保持裝置25的外部導向槽。保持裝置沿著導向槽軸向運動，同時也徑向運動。每個炮彈包括彈丸和尾部的環形密封裝置。環形密封裝置的內表面和彈丸尾部的外表面按互補的錐面制造，以便環形密封裝置相對于彈丸向前運動導致其向外膨脹。當炮彈處在閂室內時，這個膨脹將導致炮彈與身管炮膛密封接合。這個密封由通常在44處的鎖定裝置保持，鎖定裝置使保持裝置對著環形密封裝置的后端向前推動其撥爪26，導致環形密封裝置軸向運動，實現與閂室壁有效密封。身管室內的炮彈尾部與閂室內的炮彈頭部緊靠，限制其向身管炮膛前進。身管室前部向內伸出的膛線陽線將身管室內的炮彈限制到位。

圖9 大口徑武器裝彈Fig.9 The loading of large caliber weapon

當發射時，將炮彈縱列貯存在彈倉和裝彈裝置之內，然后用發射藥噴射器將液體發射藥注入發射藥室，用點火裝置點燃發射藥，發射藥氣體膨脹，將炮彈發射出去。前面的炮彈發射后，彈柱被推動，下一個炮彈被推入身管室，后面的炮彈進入閂室。在這個裝彈過程中，將閂室內彈丸向前推動，這是相對于環形密封裝置的軸向運動，使環形密封裝置脫離與閂室的密封接合。由于身管尾部開口一直被閂室內的炮彈封閉，在每次發射后燃燒氣體等物質不會向后排放到操作者位置［9］。

3 金屬風暴武器改裝技術

按照武器裝備研制生產的有關規定，新的彈藥型號要具有商業銷售與使用資格，通常需要研制方付出相當多的時間和努力。重新設計彈藥型號很可能會曠日持久且代價高昂。因此，改裝現有的彈藥型號，在成本上是合算的。下面簡要論述2種有關金屬風暴武器系統改裝的專利技術。

3.1 普通榴彈改裝技術

為了將現有的普通榴彈彈丸改裝成為金屬風暴武器，金屬風暴有限公司采用給榴彈彈丸加裝尾部組件的方法，使其能軸向疊裝在普通身管內，然后加裝外部藥室，提供外部點火裝置。

圖10 裝有彈丸疊柱的身管組件Fig.10 A barrel assembly containing an axial stack of projectiles

如圖10所示，多個彈丸20'a，20'b，20'c以頭尾相連關系疊裝在身管41內。在身管壁上設置各排氣口42，在身管壁外設置外部藥室44以容納發射藥裝藥43。藥室通過相連的排氣口連接到身管膛，尾翼與各排氣口對準，并在相鄰彈丸之間提供空間29，在點火后，發射藥氣體膨脹進入這個空間。圖中每個彈丸的膨脹空間只顯示1個排氣口，如果需要，則可以采用多個排氣口。雖然圖中發射藥藥室按身管橫向布置，但每個藥室可以是環形的，或這個環形藥室可以包括許多子藥室，每個子藥室各有1個點火器和相連的排氣口。尾部組件上的多個孔便于發射藥燃燒產物噴流到膨脹空間內。理論上，這個膨脹空間的范圍由身管壁和各彈丸上設置的密封帶確定。各發射藥裝藥由點火器點燃，點火器采用電觸發底火45。各底火與外部藥室相連，響應點火控制器46的點火信號，該信號通過信號線47提供。燃燒產物從外部藥室進入身管內的膨脹空間，從身管發射彈丸［10］。

3.2 可疊裝彈丸改裝技術

通常，金屬風暴武器可疊裝彈丸包括彈頭和與彈頭聯接的推進部件。推進部件包括發射藥燃燒室、底火及其他組件。推進部件一般采用尾翼形式，以容納形狀相同的彈丸頭部。推進部件通常用壓接法或螺紋法直接聯接到彈頭上。然而，如果推進部件由不同材料制成，或者不同的制造方生產的彈頭和推進部件外形不同，則使用壓接法或螺紋法就不合適。為了不重新設計彈頭或推進部件，使用適配器與彈頭和推進部件聯接，不僅可以使彈頭與不同材料制成的推進部件聯接，而且可以使不同外形的彈頭與推進部件聯接。

圖11顯示可疊裝彈丸，彈丸包括彈頭20、適配器30和推進部件40。各部件的外形通常為圓筒形。彈頭具有頭部22和底部24。適配器包括頂面32、側面33和底面34。頂面專為容納彈頭的底部而設計。頂面用粘合劑與底部聯接，頂面提供更多的表面積，把彈頭粘附到適配器上。適配器通常為整體結構。適配器也可以通過螺紋法或壓入配合與彈頭和推進部件聯接。推進部件由彈尾41和筒壁43組成，筒壁從彈尾延伸，以形成容器42。容器專為容納適配器和彈頭的底部而設計。尤其是適配器的側面專為裝入容器而設計。彈尾裝有高壓藥室，底火和發射藥54設置在彈尾的中心。彈尾的表面專為容納另一個彈頭的頭部而設計，以便與其他彈丸疊裝。

圖11 裝配前的彈丸Fig.11 A stackable projectile prior to assembly

如圖12所示，推進部件也包括點火機構，點火機構包括環形感應器51和電子級53。電子級由管腳55連接到感應器上，并由管腳56連接到底火上。感應器和電子級組成點火信號探測器，探測來自外部點火系統的電磁信號，而管腳構成探測器和底火之間的電接觸接口。電子級通常是印刷電路板，處在襯底57和蓋層58之間。襯底和蓋層通常是由塑料材料制成的圓板，支撐和保護電子級不受機械壓力，并保持管腳就位。感應器接收的信號由管腳傳送到電子級，如果適合這個彈丸，則由管腳點燃底火，引燃發射藥，發射彈丸。如果傳送到電子級的信號不適合這個彈丸，則底火不點火［11］。

圖12 適配器和推進部件Fig.12 A adaptor and a propulsion unit

4 結語

目前，金屬風暴武器技術的研發已經在多個方面、多個層次有了一些實質性進展，金屬風暴武器技術的成熟度也有了很大提高。金屬風暴有限公司與世界各國政府部門和工業部門合作，利用金屬風暴武器技術，已經研制出一系列金屬風暴武器系統，例如“赤背蜘蛛”型40 mm金屬風暴武器系統、“火力風暴”型40 mm遙控金屬風暴武器系統和艦載型40 mm金屬風暴武器系統。

［1］James Michael O'Dwyer.Firearms ［P］.US Patent:6343553，2002 －02 －05.

［2］Ramon John Bambach.Projectile sealing arrangement［P］.US Patent:2005/0268807，2005 －12 －08.

［3］James Michael O'Dwyer.Multiple propellant initiation［P］.WIPO Patent:03/006917，2003 －23 －01.

［4］James Michael O'Dwyer;SEAN Patrick O'Dwyer.Projectiles with sealed propellant［P］.US Patent:2008/0022879，2008－01－31.

［5］James Michael O'Dwyer;SEAN Patrick O'Dwyer.Combined electrical mechanical firing systems［P］.US Patent:2007/0084102，2007 －04 －19.

［6］James Michael O'Dwyer.Firearms ［P］. US Patent:6431076，2002 －08 －13.

［7］Sean Patrick O'Dwyer.Ignition arrangementforstacked projectiles［P］.US Patent:2005/0246934，2005 －11 －10.

［8］Joseph FrancisKevin Cronin，Sean Patrick O'Dwyer，ROGER H T.Projectile for a stacked projectile weapon［P］.WIPO Patent:2007/082334，2007 －07 －26.

［9］James Michael O'Dwyer.Cannon for axially fed rounds with breeched round sealing breech chamber［P］.US Patent:6223642，2001 －05 －01.

［10］James Michael O'Dwyer， SEAN Patrick O'Dwyer.Modification of a projectile for stacking in a barrel［P］.US Patent:2007/0056460，2007 －03 －15.

［11］Rene Rosales，Ben Bishop.Adaptor for stackable projectile［P］.WIPO Patent:2008/070923，2008 －06 －19.

Development survey of Metal Storm weapon technology

LI Shu-fu，CHANG Wei-wei，YIN Li
(The 713 Research Institute of CSIC，Zhengzhou 450015，China)

Metal Storm weapon technology is a new firing technology utilising the electronically fired stacked ammunition system with characteristics of high rate，high volume of firepower，ultimate ratio of firepower to mass and the like.This paper summarizes the principle，developments of every aspect and modifications of Metal Storm weapon technology，which includes a variety of patent technologies such as propellant sealing，multiple propellants，firing and minimising misfiring，field loading，firing of large caliber weapon as well as modification of tube launched grenade and stackable projectile.Utilising above technologies，problems such as effective sealing or low-cost sealing of propellant，increasing or varying muzzle velocity of projectile，reliable firing or low-cost firing，field reloading，firing of large caliber weapon，and low-cost modifications would respectively settled.

Metal Storm weapon;propellant sealing;multiple propellants;firing;field loading;large caliber weapon;modification

E926.1

A

1672－7649(2012)03－0003－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.001

2011－08－15;

2011－09－15

李書甫(1969－)，男，工程師，從事海軍武器裝備情報研究工作。