解析美軍新型激光制導子彈

要雪峰, 栗蘋

（北京理工大學機電工程與控制國家重點實驗室,北京 100081）

解析美軍新型激光制導子彈

要雪峰, 栗蘋

（北京理工大學機電工程與控制國家重點實驗室,北京 100081）

順應現代戰爭的軍事需求,精確制導武器的廣泛使用已成為信息化戰爭的重要特征。制導技術在導彈、炮彈等領域的應用已不足為奇,而在槍彈領域開展制導技術的應用研究幾乎是空白。非接觸、零傷亡的作戰追求,使遠距離開火、一槍斃敵成為現代戰爭對槍彈作戰使命的新要求,微電子技術、微控制技術和新材料技術的發展,使制導槍彈的發展應用成為了可能。美軍已先行開展了相關技術的研究,并取得了一定成果。文章主要對美軍新型激光制導子彈進行介紹,并分析其結構原理和技術特點。

激光制導；子彈；結構；原理

0 引言

2012年2月2日,中央電視臺午間新聞欄目報道了《“子彈”長眼睛,射擊更精確》的新聞,美軍新型激光制導子彈就此走入了人們的視野并引起熱議。據資料報道,美軍于1994年便率先開展了將制導技術應用于槍彈的研究,當時美空軍實施了一項名為“靈巧子彈”（Smart Bullet）的研究計劃,該計劃由美空軍佛羅里達懷特實驗室資助,亞拉巴馬州（Alabama）奧伯恩大學航天材料工程系具體負責研究實施,計劃所研制的制導子彈被稱為“身管發射自適應子彈”（Barrel-Launched A-daptive Ammunition）,其彈頭上有尋找激光信號的傳感器和能控制彈頭飛行方向的壓電陶瓷棒,實現了彈丸偏角的自適應控制,能靈敏調整速度超過1 020 m/s的彈丸飛行方向。

2008年,美國國防部高級研究計劃局（DARPA）又分別與洛克希德·馬丁公司和美國蒂萊蒂尼科學與成像公司簽訂了價值1 230萬美元和950萬美元的高額合同來開展EXACTO（The Extreme Accuracy Tasked Ordnance高精度任務武器計劃）的工作,目的是開發使用制導子彈的狙擊步槍,包括機動的子彈和全程跟蹤的實時制導系統。技術開發工作包括氣動控制設計與一體化、能源、光學制導系統和傳感器。EXACTO旨在減少橫風、空氣密度等環境因素對狙擊武器的影響,提高對運動或靜止目標的命中率,提高射手的隱蔽性。

2012年1月30日,洛克希德·馬丁公司全資子公司桑迪亞公司負責運營管理的美國桑迪亞國家實驗室報道,該實驗室研制出了一款可自動調整飛行方向的激光制導子彈,這種子彈在遠距離上的射擊精度更高,有效打擊距離超過1.6 km,使步兵在戰場上非接觸、遠距離開火、一槍斃敵成為了可能[1]。本文將對美軍新型激光制導子彈的結構、原理和技術特點進行較為詳細的介紹和分析。

1 美軍激光制導子彈結構

據報道,在阿富汗和伊拉克戰場上,由于受天氣、風速、光線及目標移動等因素影響,美軍士兵經常消耗大量子彈也無法命中目標。由美國桑迪亞國家實驗室公開的激光制導子彈正在為步兵開啟精確打擊的新時代,其最終目標是要研發一種可以自動搜索和鎖定目標,并精確命中的子彈。

該制導子彈全彈由彈頭、彈托和彈殼三部分組成,全彈結構如圖1所示。

圖1 全彈結構圖

彈頭長101.6 mm,口徑12.7 mm,初速730 m/s,射程約1.61 km。制導子彈的核心是具有制導功能的彈頭,彈頭由激光導引頭、控制執行機構、電池、配重塊、尾翼和舵機六大部分組成,如圖2所示,采用尾翼穩定方式,依靠舵機調整飛行姿態[2]。

圖2 子彈設想解剖圖

2 美軍激光制導子彈原理

美國桑迪亞國家實驗室公開的制導子彈采用類似激光半主動的制導原理,當子彈從槍管里飛出后,彈托就會脫落。制導子彈飛行過程中,彈尖內含光學傳感器,可探測到目標上反射的激光束,用于判斷子彈飛行方向與目標之間的偏差,光學傳感器將信息傳遞給導航和控制元件,該元件指揮微型驅動器控制微型舵機的姿態,從而引導子彈準確飛向目標。

2.1 制導子彈發射方式

與傳統意義上的子彈不同,激光制導子彈突破了傳統子彈從螺紋槍管發射后高速旋轉、直線飛行的慣性軌跡,采用滑膛發射方式,開辟了子彈發射后不旋轉、無動力曲線飛行的先例,顛覆了傳統的射擊原理。測試中科研人員在其彈頭尾部安裝了發光二極管（LED）,可以清楚地看到子彈彈道圍繞激光束產生的自動修正軌跡,如圖3所示[2]。

因此遠距離射擊時就不需要再考慮目標移動、風速風向、地球重力、地球自轉、空氣溫度密度折射等問題,只需將激光束保持照射到目標即可。

圖3 激光制導子彈的飛行軌跡

2.2 飛行穩定方式

制導子彈采用了塑料彈托設計,彈托用于閉氣,并保護子彈纖細的尾翼和舵機,當子彈從槍管飛出后,彈托就會脫落。其后子彈主要依靠其穩定的空氣動力學設計保持飛行穩定,配重塊使子彈重心位于彈體前部,尾翼（4片）用于穩定彈頭飛行,舵機（4片）主要用于保證制導子彈飛行穩定,同時不間斷對飛行姿態進行調整。

2.3 飛行制導方式

在制導子彈的內部有一個獨特的微型激光制導控制系統,主要由兩大部分構成。

一是制導系統,在子彈前端有一個由光學聚焦成像器件和光敏元器件組成的激光導引頭,用于搜索、追蹤射向目標的激光制導點,從而感知制導子彈飛行方向與目標之間的偏差,并產生導引電信號。控制執行機構接收來自激光導引頭的電信號,后者通過一個8位的中央處理器計算出需要的飛行路徑,生成制導信號或控制指令,驅動微型驅動器[3]。

二是微型驅動系統,主要是一個微型驅動電機和類似于“魚鰭”的微型舵機（4片）,如圖4所示。驅動電機可為驅動系統提供動力,微型舵機主要用于保證制導子彈飛行穩定,同時受控于微型驅動電機,可根據制導系統產生的控制指令不斷旋轉,調整方向,產生偏轉驅動力,控制子彈的飛行路徑,迂回、曲折的擊中目標。

圖4 舵機設想示意圖

3 美軍激光制導子彈特點

3.1 整體結構設計精巧

彈托、尾翼和舵機的巧妙結合,一方面有利于發射時閉氣保證身管膛壓,一方面有效保護了尾翼和舵機免受高壓氣流沖擊而發生形變。在飛行過程中尾翼的存在則一方面可以保證無旋轉的槍彈飛行穩定,同時當舵機偏轉時,可產生更大的側向控制力,有利于控制彈道偏轉。

3.2 制導技術成熟可行

該制導子彈采用激光半主動制導原理,技術成熟,反應靈敏,制導過程所需導航信息較少,只需得到彈頭與目標的偏差信息即可,不用進行復雜的數據運算,顯著降低了制導系統的復雜性,適合于體積小巧的槍彈制導。

3.3 飛行控制效果良好

任何彈丸在空氣中飛行時,都會以一定的頻率產生抖動和偏航現象。與導彈相比,子彈微小的外形反而簡化了其飛行控制系統。對體型大的導彈而言,其飛行軌跡修正頻率較低,修正次數少,因此每次修正都需要非常精確。而該制導子彈的固有頻率約為30 Hz,也就是每秒可以校正30次,因此不需要每次都進行精確校正,從而與微型舵機微調方向的作用相得益彰。據其實驗表明,由于受到外界條件影響,普通子彈每飛行800 m至少偏離目標8.96 m,而制導子彈則只偏離0.2 m[4]。

3.4 子彈殺傷力受限

該制導子彈初速僅為730 m/s,與相應口徑的軍用槍彈速度存在差距,由于其自身沒有動力系統,在飛行過程中還需要改變前進方向,勢必會消耗部分動能,即使可以飛行1.6 km準確到達目標,其落點能量及作用效果也將有限。

3.5 實戰中應用受限

由于該制導子彈采用激光制導,在實戰中,子彈需要與激光指示器一同使用,如果直接采用激光束指示目標,那么就容易使作戰人員暴露,造成適用性受限。目標如何有效標示將成為其大規模應用于實戰的關鍵問題之一。

4 結束語

本文概述了美軍制導子彈的研制動態,并對美國桑迪亞國家實驗室公開的激光制導子彈進行了較為詳盡的解析,在對其整體結構介紹的基礎上,分析了其工作原理和工作過程,并進一步提出了現階段該制導子彈的優缺點。該制導槍彈的出現,揭開了槍彈技術一個新的發展方向。

[1] 孫曉棕,國海廣,張宏光.美國新型制導子彈[J].輕武器快訊,2012,（2）：134.

[2] 張宏光,曹曉東,王麗靜,齊文娟.突破性研究：槍彈也制導[J].輕兵器,2013,（4）：26-27.

[3] 李旭光,何旋,王國棟.激光制導：讓子彈自己飛[N].解放軍報,2012,23（12）.

[4] 劉虎.激光制導子彈問世[N].海峽都市報,2012, 27（2）：A22.

Analysis of the New Laser Guided Bullet for US Army

YAO Xue-feng, LI Ping
（National Key Laboratory of Mechatronics Engineering and Control, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

Comply with the military requirement of modern war,the widespread use of the precision guided weapon has become an important characteristic of the information war. It is not surprising for guidance technology application in the field of missiles,shells,etc. But it is almost blank for guidance technology application in the field of bullets.The combat pursuit of non-contact,zero casualty make the long-distance fired become the new requirement of the bullets battle mission.With the development of the microelectronics technology, micro control technology and the new materials technology,use the guidance technology for bullet.The US army has first began the research and achieved certain results.This paper mainly introduces the new laser guided bullet for US army,analysis the structure principle and the characteristics of this bullet.

laser guidance；structure；principle

E932.1

A

1671-0576（2014）02-0011-03

2013-10-30

要雪峰（1982-）,男,碩士研究生,主要從事信息感知與對抗技術研究。