反潛導彈空中末彈道及入水控制問題研究

李 偉，徐文焱，鄧 鵬

(海軍潛艇學院導彈兵器系，山東青島266042)

0 引言

反潛導彈是導彈技術和水中兵器技術相融合而產生的一種現代高效能反潛武器，戰斗部按其攜帶武器可分為反潛自導魚雷或核裝藥武器。最初的反潛導彈只是為魚雷加裝了不可控制的助推火箭用以增程，因此，將其稱為“火箭助飛魚雷”更為貼切。真正意義上的反潛導彈是在中短程導彈推進平臺上搭載了反潛尋的戰斗部 (一般為魚雷)，從而實現空中和水下的全彈道控制和導引［1］。

反潛導彈的技術難題并不是導彈或魚雷本身，而是如何將兩者有效結合。從工作過程看，則是如何實現空中導彈飛行狀態入水變為魚雷航行狀態的平穩切換。本文試圖對其中較為關鍵的問題做一探討。

1 反潛導彈入水攻擊的一般過程

以美國的“阿斯洛克”反潛導彈為例，其反潛作戰運動全過程如圖1所示。反潛導彈發射之后，進行預定轉向，并以最佳俯仰角直接飛向目標海域。導彈飛行時，靠其內部的制導控制進行彈道修正。經過空中彈道飛行，反潛導彈到達預定空域。點火分離組件發出電信號，引爆火箭發動機分離爆炸裝置，使彈體上固定發動機的夾箍斷開，從而打開火箭發動機的反向噴管，發動機產生反向推力，使發動機與彈體構架分離［2］。

火箭分離之后，彈體構架和導彈繼續沿彈道飛行，在預定的時間，由點火分離組件產生的電脈沖引爆彈體構架的分離爆炸裝置，使彈體構架與魚雷之間的夾箍斷開。此時，液壓彈簧的反沖力頂開彈體構架，然后在氣動力作用下，彈體構件分離，同時也使魚雷上的電纜插頭解脫。

當彈體構件分離后，降落傘打開，使魚雷迅速減速到安全入水速度。魚雷入水撞擊，擊碎頭部保護罩，并通過一個解脫機構使降落傘分離。海水電池激活，啟動魚雷推進系統。魚雷下潛到設定的搜索深度后，自導裝置開始搜索目標，發現目標后，進行跟蹤和攻擊。

圖1 艦載垂直發射“阿斯洛克”反潛導彈作戰過程示意Fig.1 Attack schematic diagram of shipbrone vertical launching ASROC antisubmarine missile

2 反潛導彈空中末彈道與控制技術

反潛導彈下降接近水面時的空中末彈道及其控制，是決定魚雷能否安全入水從而啟動預定水下彈道的關鍵技術問題之一。空中末彈道及控制要研究的問題很多，概括起來主要有導彈結構防護技術、空中彈道穩定性及反潛導彈入水條件等。

2.1 空中末彈道的階段劃分

反潛導彈 (含彈上魚雷)在入水前都要在空中飛行一段時間，開傘前導彈應具有一定的靜穩定度和姿態，開傘后導彈沿下降彈道穩定減速飛行，以所需的入水參數在要求的區域入水，以保證魚雷水下航行所需的初始條件。反潛導彈按其入水前空中運動的主要物理過程，可分為如下4段［3］:開傘前彈道;傘繩拉直段彈道;降落傘充氣段彈傘彈道;降落傘張滿后的滑翔入水彈道。

2.2 開傘前的彈道控制

反潛導彈在空中彈道設計中考慮穩定時，需增加彈體本身的穩定性。穩定性控制所需要的氣動力矩往往由氣動布局來實現，如增加穩定環或其他部件，若增加的部件對水下航行造成不利影響，一般是把設計的氣動部件安裝在傘包上，在彈體入水時，該部件和降落傘一起脫掉;用拉繩或彈簧等機械機構對彈體產生一定的力和力矩作用，主要作用是在傘衣張滿時使得彈體的攻角較小。

開傘前空中運動的導彈受到的作用力和力矩主要有:重力、氣動力及其力矩、降落傘開傘繩產生的力及其力矩。有些導彈還有其他力和力矩，如“米拉斯”反潛導彈在這一段彈道受到的繩索作用力有［4］:海水電池待發繩拉力，設定插頭拔插拉力、開傘繩拉斷三環細線作用力、開傘繩拉開傘包彈簧鎖拉力、拉開脫傘裝置保險作用力、拉斷可斷繩拉力等，這些力的作用時間都較短，大多是幾十微秒，作用力也較小，不足以對彈體運動產生較大的影響。在空中彈道的設計和分析時，主要考慮其對彈體姿態的影響，只要獲得這些作用力起作用的時刻、作用力大小及持續時間，就可以開展這段彈道的分析和研究。在開傘機構或空中彈道初步設計時，為求出降落傘起減速作用的邊界條件，不失一般性，往往關注縱向平面空中彈道的研究。

2.3 降落傘拉直和充氣時的物理過程

降落傘拉直和充氣時導彈空中彈道的分析和研究，關鍵在于求出拉直力、傘衣充氣期間的作用力及其作用時間。降落傘的開傘過程是指傘衣傘繩開始從傘包中拉出到傘衣完全張滿的整個過程(見圖2)，可簡化為傘繩拉直和充氣2個階段。當開傘機構拉出傘衣后，傘衣就向彈體后方漂移(水平開傘)，相對導彈就有相對速度，當傘衣漂移距離等于未拉緊的傘繩長度(LS)時，導彈與傘衣之間的相對速度最大;然后，傘繩被繃緊并拉長至同彈體一樣的速度，此時傘衣相對彈體的速度為0，由傘衣拉直而引起的這個慣性力叫做拉直力。

圖2 傘衣拉直過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of canopy straighten course

當傘繩完全拉直時，傳遞給彈體的能量為

式中:mc為傘衣質量;VP2為t=t2時傘衣相對彈體的速度;VP3為t=t3時傘衣相對彈體的速度。

如果傘與彈體連接部位沒有特殊的緩沖裝置，傘衣所受的力必然通過傘繩而傳遞，使具有彈性的傘繩被拉長，并把拉力傳遞給彈體，根據能量守恒定理，則

式中:P為傘繩的瞬時拉力;dL為傘繩微小伸長單元。

2.4 彈傘系統空間彈道及控制

當降落傘充氣張滿后，把導彈和降落傘視作由2個剛體組成的復雜系統且稱為彈傘系統。彈傘系統的運動不僅受各自的幾何尺寸及質量、空氣動力特性及其他外界條件的影響，還受到相互耦合的氣動性能的影響。

彈傘系統在空中的運動是質量不變的非定常運動［3］，剛性假設后，其運動類似飛機、導彈在理想流體中的運動，降落傘的附加質量僅取決于其幾何形狀。系統受到的力有重力、定常氣動力、傘衣附加慣性力和隨機氣動力等，定常氣動力可分解為法向力、切向力和側向力。受到的力矩有雷、傘相對系統重心所在橫截面中心的重力矩、定常氣動力矩、傘衣隨機氣動力矩和附加慣性力矩。如圖3所示，建立地面坐標系OXeYeZe和彈體坐標系OXYZ。OXe方向為導彈初始速度Vb的方向(水平飛行)，OYe方向垂直紙面向里，按右手法則建立以系統質心S為參考點，導彈質心相對系統質心的坐標為(Xs，Ys，Zs)，系統運動的線速度為(Vx，Vy，Vz)，角速度為(ωx，ωy，ωz)，受到的合外力為(Fx，Fy，Fz)，力矩為(Mx，My，Mz)。為推導彈傘系統空間彈道方程，特作如下假設:

圖3 坐標系及彈傘運動示意圖Fig.3 Schematic diagram of coordinate system and missile-parachute motion

1)彈傘系統是在理想流體中運動的剛體，系統具備旋轉對稱性;

3)由于彈體的氣動力相對傘衣氣動力要小得多，在傘衣完全張滿后，忽略彈體氣動力;

4)因彈傘系統空中運行時間較短，不考慮地球曲率變化。利用剛體動量和動量矩定理可推出雷傘系統空間彈道方程，需先求出系統剛體部分的動能:

進而推導出系統重力和降落傘在彈體坐標系中產生的力和力矩，并利用假設條件，可得:

式中:

假設ys=0，又認為系統體坐標系是其慣性主軸，以及降落傘是軸對稱的，于是VxVy…ωyωz等項的系數應為0。經理想狀態簡化后，可得系統的總動能為

因篇幅所限，詳細的推導不再贅述。

3 導彈入水及緩沖技術

反潛導彈下降入水經歷復雜的力學過程，出現一系列復雜的物理現象，涉及固體、液體和氣體3種介質的運動，存在2個自由面，一個是水面，另一個是入水泡壁。入水初期的撞水過程，不論是水介質的運動，還是導彈殼體內部機構的響應運動，都具有碰撞性質。整個入水過程，如彈體的運動、水的運動、空泡內的氣體運動，都具有強烈的不定常性。用解析方法、數值模擬方法研究入水過程的有關問題都必須把剛體動力學方程或彈性動力學方程與流體動力學方程耦合求解;用模擬試驗方法研究入水問題，即使把導彈當作剛體，相似方案也極其復雜，如果把導彈當作復雜的變形系統，那就更為復雜。

3.1 入水過程的描述

在物體入水過程中會形成水面與物面的交界線，它是入水物體已入水部分跟未入水部分的分界線，隨著物體繼續入水，此分界線既在水面上移動，也在入水物面上移動，形成固、液、氣三相交界線。此交界線并不在未受擾動的原水面位置，而高于未擾水面，即所謂水面升高，如圖4所示。

圖4 浮在理想不可壓自由液面的剛體撞水分析Fig.4 Impact analysis of rigid body floating incompressible liquid level

在此三相交界線上，難于給出求解入水問題的初邊條件，給問題的解析研究帶來極大困難，被稱為“奇點線”。根據等速入水及定常水面滑行的理論分析和實驗結果，水流場中的最大壓力點就在三相交界線下方，緊鄰交界線處;而在無界流體繞流(包括定常繞流與非定常繞流)流場中，最大壓力點出現在圖4中的S點(S1、S2)。

入水物體觸水后，原來靜止的水質點，突然得到一個有限的速度增量，與物面鄰接的水介質受到壓縮，形成的一個微弱的壓縮波，以水中聲速向各個方向傳播。由此弱壓縮波產生的水動壓力對入水物體來說是非常大的。當前述三相交界線在物向面移動速度大于水中聲速時，就可能出現水激波。

導彈下降撞水階段所受到的水動力是非常大的，這可能造成導彈(前端魚雷)的損壞，包括局部損壞、整體斷裂和內部機構損壞。但是，由于水面的卸載作用，撞水載荷持續作用時間很短，據統計一般不超過1/2 ms。

3.2 外載荷和沖擊環境

反潛導彈的入水，一般要經歷彈雷分離、開傘和撞水3個關鍵過程。其中撞水過程更是反潛導彈技術的焦點和難點。它既是分離和開傘等空中飛行問題的最后集中表現，又是撞水瞬間產生的劇烈沖擊載荷對彈體、雷內設備(尤其是頭部聲學裝置)以及入水彈道和水下運動穩定性起決定影響的過程［5］。

撞水過程之所以特別重要，在于這個過程中流體流動、水動力負荷、導彈加速度等都呈明顯變化，這確定了入水的進一步演變。對于平頂或鈍頭導彈(魚雷)，這樣的變化更具有沖擊波的特性。

圖5給出了導彈撞水時的受力情況。

圖5 撞水受力分析Fig.5 Force analysis dashing against water

由于反潛導彈的撞水過程是一個極其復雜的物理過程，參變因素多，歷時短，速度變化快，傾斜入水又呈三維不對稱狀況以及非線性的邊值問題等，以致盡管作了長期不懈的努力，目前還是沒有十分可靠的計算撞水沖擊載荷的理論方法。通過實驗研究來認識和掌握撞水外載的規律是另一條研究途徑。體現在各種空中飛行條件下的導彈入水沖擊試驗和載荷測量，為動力強度的理論研究和撞水環境條件的制定提供了依據。實驗研究表明恰好在撞水后水動力負荷達到最大位，并相當快速地消失。以較長的時間來衡量，撞水能量的一部分傳遞給了海水，另一部分造成了飛濺，也證實了垂直入水導彈的平頂處最大撞擊壓力是由壓縮空氣流引起的。

3.3 導彈結構動響應分析

事實上動態響應的含義就是在已知的動態激勵和系統特性下求解動態輸出:這里的動態激勵就是撞水載荷，系統就是導彈，輸出就是響應。搭載魚雷的反潛導彈是十分復雜的彈性結構體，撞水過程又是涉及流體和彈性結構耦合振動的物理過程，只有研究導彈結構的動態響應才能預示結構所處的動環境。掌握響應量隨時間的變化規律，又是對殼體結構進行動強度、剛度設計的必要條件，對布置雷內精密儀器和組件起很大的作用，對于降低與結構有關的噪聲也有著重要的意義。

導彈結構動態響應分析具有這樣一些特點:

1)動態環境復雜。激勵源有發動機推力、控制力、撞水力、水動力和飛行階段的切換(發射、入水、啟動)等。這些激勵單獨或組合起作用，既有有限點負荷(推力)，也有面積負荷(撞水力)。

2)激勵變化梯度大，作用時間短。

3)高自由度。由于導彈結構自由度成百上千，不可能不依靠計算機進行響應分析。因此，在導彈結構動態分析中采用的各種方法都是力圖降低計算規模，以少量的自由度取得較好的計算結果。

4)缺乏系統的實測數據。導彈的動環境不是在空中就是在水下，檢測渠道有限，現場試驗次數也不會多，因而對導彈實際的動態響應情況難于精確掌握。

3.4 導彈沖擊穩定性

反潛導彈的撞水受到流—固沖擊作用。流—固沖擊作用下導致的結構破壞形式有2種:一種是結構發生局部動力變形(結構強度問題)，另一種是結構發生動力屈曲(結構穩定性問題)。

沖擊屈曲是由于結構受到壓迫或剪切應力使剛度變小，導致結構材料雖未達到破壞應力，但結構已不能繼續承受更大的載荷，甚至發生坍塌現象。在導彈殼體撞水的屈曲過程中，結構的屈曲變形和流體與結構之間的沖擊過程互相禍合、互相影響，并且隨著結構屈曲變形的發展，這種耦合作用愈加明顯。

導彈殼體流—固沖擊屈曲具有以下2個特點:

1)流固沖擊屈曲的加載時間僅為毫秒量級;

2)流固沖擊屈曲中的外載不能事先確定。

3.5 導彈入水緩沖技術

導彈由空中飛行、高速入水轉入水下攻擊目標。起始，導彈頭部與水面撞擊，在沾水部位上形成一個峰值相當高的瞬間(微秒級)脈沖壓力;隨后，侵入水中，沾水面上作用的浸水載荷使導彈整體經受一個幅值不小的短時(毫秒級)過載。

這兩類作用在導彈頭部沾水面上的載荷將激起功能與結構響應［6］。前者指過載式提供導彈內部器件(如撞擊開關、引信等)所需的環境信號(條件);后者指給導彈結構、內部器件和機構帶來有害作用的各種響應。表現為:一是撞水產生的沾水面上的峰值壓力使沾水部位殼件皺折失穩、擊壞雷頭器件或高幅值的壓應力波在結構內傳播與反射，導致薄弱部位產生損傷和紋裂;二是過載(加速度或角加速度)會破壞結構的完整性(構件失穩、損傷和斷裂)，引發工藝故障(連接松動、分離，電氣短路或斷開)，最終使導彈功能喪失。

為解決這一疑難，合理的技術途徑是在導彈入水時采取隔離沖擊和降載、限載措施，有效的技術方案就是給反潛導彈加裝入水緩沖保護頭帽。由于硬聚胺脂塑材成型性能好、質地輕，受壓后呈現很大的塑料變形，以及良好的耐濕、耐溫、隔熱等特性，因此是制作緩沖件的理想材料。撞水過后，緩沖件端面排水，受到水的阻力，夾在雷頭和水面之間的緩沖件受壓變形，吸收一定能量，到壓實直至碎裂。

4 結語

現代海上戰爭更加強調非接觸作戰和非對稱打擊，反潛導彈充分利用導彈空中飛行阻力小、速度快和距離遠的特點，迅速抵近潛艇目標附近海域入水攻擊，利用水聲信號探測目標，使潛艇的防御難度大為增加。而美國最近幾年研制成功的“高空反潛概念武器”，則直接采用滑翔平臺搭載反潛魚雷，實現從高空遠距離向可疑海域的無動力滑翔和投送，這可以認為是反潛導彈的又一進步。但無論怎樣，空中減速入水技術始終是保證反潛導彈最終作戰效果的關鍵節點。

［1］曲東才.反潛導彈現狀和發展［J］.中國航天，2001，(9):36-40.

［2］關世義，馮郅仲.國外飛航式反潛導彈淺析［J］.飛航導彈，2004，(10):1-6.

［3］薛曉中，邵大燮，金友兵.火箭助飛魚雷的彈道研究［J］.南京理工大學學報，2002，26(4):131-134.XUE Xiao-zhong，SHAO Da-xie，JIN You-bing.The ballistic characteristics of torpedo with rocket assisted［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2002，26(4):131-134.

［4］李偉，等.外軍反潛武器［M］.青島:海軍潛艇學院，2010.122-128.

［5］瞿東輝.艦載反潛導彈攻擊方式及入水精度分析［J］.數字技術與應用，2010，(5):160-161.

［6］楊世興，等.空投魚雷技術［M］.昆明:云南科技出版社，2001.93-131.