瞄準式戰斗部殺傷裝置結構設計研究

石志彬，高敏，楊鎖昌，魏保華

(軍械工程學院 四系，河北 石家莊050003)

0 引言

戰術彈道導彈(TBM)飛行速度快、預警時間短、彈頭防護層較厚，具有很強的抗毀傷能力。傳統防空導彈戰斗部由于破片利用率很低，單枚破片質量小，無法有效毀傷TBM.采用定向戰斗部是提高防空導彈反TBM 能力的重要途徑，它將殺傷元素向目標方向集中，能大幅提高殺傷半徑和毀傷效果，根據結構特點和方向調整機構的不同，定向戰斗部可分為偏心起爆式、成形定向式和機械轉向式等多種形式［1］。

瞄準式戰斗部是定向戰斗部的一種，其破片位于圓柱形裝藥的前端面，并且戰斗部安裝在萬向轉臺上，彈目交會時可實時轉動以瞄準目標。在彈目遭遇階段，該戰斗部利用探測裝置提供的目標信息，相對于導彈彈體在偏航和俯仰兩個方向實時轉動而瞄準目標，爆炸后其預制破片云沿瞄準方向以一定飛散角度高速前向飛散，實現遠距離、大威力、高精度毀傷各種TBM.國內對瞄準式戰斗部的研究還處于探索階段，莊志洪等［2］曾對其引戰能力進行過初步的分析。

瞄準式戰斗部的殺傷裝置主要包括破片組件、裝藥組件以及起爆系統等。破片初速、破片場密度等對目標毀傷效果具有決定性的影響，而這些參數由戰斗部結構以及不同的起爆方式決定。本文旨在研究關鍵的結構參數，設計滿足預期指標的殺傷裝置。

1 殺傷裝置參數設計

圖1為瞄準式戰斗部的結構，殺傷裝置能隨導引頭在偏航和俯仰兩個方位實現一定角度的轉動(最大幅度可達80°).為使殺傷裝置外形滿足轉動的空間要求，其長度不能太大，在充分考慮機構可實現性和戰斗部威力的基礎上，本文設圓柱形殺傷裝置的長徑比為2/3.

圖1 瞄準式戰斗部結構Fig.1 The structure of gimbaled warhead

瞄準式戰斗部攻擊TBM 時，導彈與目標之間的相對速度可達3 000 m/s 以上。瞄準式戰斗部采用逆軌攔截方式進行攻擊，在高彈目相對速度條件下，只要與目標撞擊的破片有一定的質量(25 g 以上)，便可造成較大的毀傷［3］。因此，只需要破片出現在目標的“必經之路”上，不必要求破片本身具有太高的靜態初速，預制破片靜態初速參數可設計為≥1 500 m/s.

瞄準式戰斗部起爆點在圓柱形裝藥底端面，爆炸時破片拋撒到一圓錐形空間，破片云呈圓形或橢圓形。破片束錐角是一個關鍵參數，采用小的錐角，由于破片場密度高，可更有效地毀傷目標，但要求導彈有更加精確的瞄準和起爆控制能力;大錐角雖然降低了對導彈系統的要求，但在較遠距離上由于破片場密度低，容易使目標從破片縫隙中“溜走”，無法毀傷。所以，遠距離起爆時需要較小錐角，近距離起爆時大錐角毀傷效果較好，戰斗部設計時應有兩種模式可供選擇。

以“飛毛腿”彈道導彈為假想目標，其彈徑2rTBM=0.88 m，以最嚴格的情況考慮，目標在破片云端面的投影為目標截面積。令單枚破片質量為45 g，并認定1 枚破片命中目標即能有效將其毀傷。則有效毀傷目標所需的破片場密度為

靜態條件下戰斗部起爆后，一定距離上破片的場密度為

式中:d 為起爆后破片的飛行距離;θ 為破片束的半錐角;n 為破片數;rs為靜態起爆后圓形破片場的半徑。

根據戰斗部的實際尺寸，假設本戰斗部可產生200 枚預制破片，破片場密度隨距離的變化曲線如圖2所示。

圖2 破片場密度變化曲線Fig.2 The change about fragment-field density

由圖中可以看出，當破片束錐角為5°時，破片場密度肯定滿足毀傷要求，但此時對導彈探測與瞄準系統的要求極高;當錐角為10°時，破片場密度在71 m 的距離上仍可以滿足殺傷需求;錐角為20°、30°、45°時，有效殺傷距離分別約為35 m、23 m、15 m.綜合考慮，可將破片束錐角參數設計為10°、30°供選擇。

2 預制破片靜態初速設計

預制破片的靜態初速主要與裝藥與破片質量比mc/mf以及戰斗部的結構、形狀有關，本文研究的戰斗部為圓柱形，破片在圓柱前端面，起爆點在底端面，結構如圖3所示，其中mf、mc、ms、ml分別為預制破片、戰斗部裝藥、殼體以及底部蓋板的質量。

圖3 戰斗部裝藥及破片結構Fig.3 Warhead charge and the fragments

對圖3所示具有殼體和底部蓋板的圓柱形戰斗部而言，前向飛散預制破片的靜態初速v0可用以下Gurney 公式［4］計算:

與TNT 相比，黑索今炸藥(ρRDX≈1.816 g/cm3)的威力大、安定性好，而且來源廣泛［5］，可優先選用;破片則可選用高密度鎢合金材料(ρW≈14.5 g/cm3).當滿足破片靜態初速為1 500 m/s 時，利用(3)式計算得到戰斗部裝藥與預制破片的質量比為mc/mf=0.862.

令戰斗部裝藥和破片總質量為20 kg，則破片質量為9.253 kg，設每枚破片質量為45 g，則破片個數n=205.

3 破片束錐角控制

對于本瞄準式戰斗部，主要有兩種方式調整破片束錐角［6］。

一是采用底面中心起爆、多點起爆或平面起爆等不同的起爆方式，通過控制爆轟波形進行調整。如圖4所示，中心起爆時，爆轟波在裝藥中呈球面傳播，邊沿破片偏離角度大，破片束錐角大。采用平面起爆時，爆轟波以近似平面的方式傳播，破片束錐角很小。多點起爆情況介于上述兩種情況之間。通過選擇不同的起爆方式，可使破片束錐角在極大值和極小值之間調整。

圖4 不同起爆方式對破片飛散角的影響Fig.4 Different initiation styles can influence the cone angle of fragment beam

二是采用平板式、內凹式或外凸式等不同的破片層形狀，通過改變破片的受力角度調整飛散方向。圖5所示為平板式和內凹式破片層對破片飛散方向的影響示意圖，其中v'f為內凹型破片層邊緣破片的飛散方向，可見破片束錐角減小。也就是說，內凹式結構會使破片束錐角減小，甚至會產生聚焦效果，外凸式結構會使破片更加發散，平板式結構的破片飛散角介于上述二者之間。

圖5 不同破片層形狀對飛散角的影響Fig.5 Different fragments structures can influence the cone angle of fragment beam

對于長徑比L/D =2/3 的圓柱形戰斗部而言，如采用平板式破片層結構，粗略估算可知，當底面中心起爆時，破片束錐角將大于30°，所以采用內凹式破片層結構更合理。因此設計的目標為:底面中心起爆方式下獲得30°的錐角;底面多點同時起爆時獲得10°錐角。

下面求在中心起爆方式下，獲得30°錐角所需預制破片層的結構參數，主要是內凹式破片層的曲率半徑。

假定采用平板式破片層結構，如圖4(a)所示。起爆點設置在戰斗部底端中心，起爆后，爆轟波呈球面傳播，破片受到沖擊力垂直于爆轟波陣面，可近似認為其速度方向垂直于爆轟波陣面。破片與戰斗部軸線呈一定角度向前飛散，邊沿破片的飛散角度θ是殺傷裝置半徑r 和戰斗部裝藥深度H 的函數。不計殼體厚度時，根據圖4(a)中的結構關系可以得到

對于該殺傷裝置，可不計底部蓋板的厚度，有

戰斗部殺傷裝置裝藥與破片層都是圓柱形，直徑相等，根據其質量比有

聯立(4)式～(6)式，可以計算出破片束的半錐角為

可見，如果使用平板式破片層結構，中心起爆時破片束錐角可達50.24° ＞30°，因此，需要采用內凹式破片層結構以將其減小為15°.設內凹式破片層的曲率半徑為Rf，則根據戰斗部的結構，應滿足關系式

計算得到內凹式破片層曲率半徑Rf≈5.691r.

多點同步起爆網絡技術已經非常成熟［7］，為獲得10°的破片束錐角，可在戰斗部裝藥底部設置多點同步起爆網絡，并根據起爆指令進行邏輯控制。圖6為設計的雙模起爆系統，它可以根據指令產生中心起爆和面12 點同步起爆兩種輸出。通過仿真和試驗可以確定起爆點的位置參數，以獲得相應的破片束錐角，起爆邏輯的設計及優化將另作研究。

4 破片場密度與動態存速的計算

圖6 典型的起爆點陣列Fig.6 Representative initiation array

假設破片均勻分布，破片束錐角為φ，破片個數n=205，根據(2)式可計算出一定距離d 上的破片場密度變化情況如圖7所示。由圖中曲線可以看出，當錐角為30°時，在距離爆炸點23.2 m 處左右，破片場密度降為1.65 片/m2，適宜近距離攻擊時使用;當錐角為10°時，在71.0 m 處左右破片場密度仍滿足毀傷需求(1.65 片/m2)，適宜遠距離攻擊時采用。

圖7 破片場密度隨距離的變化曲線Fig.7 The change of fragment-field density along with the distance

破片在空氣中高速飛行，空氣阻力的作用不可忽略。戰斗部破片的存速v 可利用以下公式計算［8］

式中:CD為破片阻力系數，取決于破片的形狀及速度;ρ 為空氣密度;mp為單枚破片質量(kg);d 為破片飛行距離(m)為破片的平均迎風面積(m2)，它與破片質量和形狀有關，一般可表示為=K·m2p/3，其中K 為破片的形狀系數(m2/kg2/3).

根據(9)式就可以得到某一初速下一定距離上的破片存速。以方形破片(質量45 g，假設其動態速度2 500 m/s)為例，戰斗部作戰高度為10 km(空氣密度約為0.412 kg/m3)，通過相關數據表查詢CD與K 的值，可得到其動態速度變化曲線如圖8所示。

圖8 破片存速隨距離的變化曲線Fig.8 The change about residual velocity of fragment along with the distance

由曲線可以看出，當破片動態初速為2 500 m/s時，在距離爆炸點50 m 遠處，方形破片的存速仍有約2 174 m/s，TBM 目標再入段的速度在3 000 m/s以上，二者合成后速度仍很高，可有效毀傷目標。

5 結論

在合理設計戰斗部主要參數的基礎上，實現了戰斗部主要功能，通過計算仿真得到的結論如下:

1)裝藥與預制破片的質量比mc/mf=0.862時，可使破片達到預定的靜態初速。

2)內凹式破片層曲率半徑Rf≈5.691r 時，采用中心和底面多點兩種起爆模式可獲得預定破片束角度。

3)在靜態爆炸條件下，破片束角度為10°時，在距離爆心71.0 m 處，破片場密度滿足毀傷要求，適合較遠距離攻擊;破片束角度為30°時，破片場密度滿足毀傷要求的最遠距離為23.2 m，適合近距離攻擊時采用。

References)

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