偏心起爆定向戰(zhàn)斗部引戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計的幾個問題*

付斯琴，姬聰生，姬軍鵬

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.中國人民解放軍駐航天科工二院中心軍代室，北京 100854)

0 引言

防空導(dǎo)彈作戰(zhàn)目標(biāo)種類的增多和性能的提高對防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的毀傷威力提出了更高的要求[1-5]，采用定向戰(zhàn)斗部已成為增強(qiáng)戰(zhàn)斗部威力的重要發(fā)展方向[6]。定向戰(zhàn)斗部是通過控制戰(zhàn)斗部破片的飛散方向，使破片在目標(biāo)方向上的分布密度和速度有所提高[7-8]。當(dāng)導(dǎo)彈與目標(biāo)遭遇時，根據(jù)彈上設(shè)備探測的目標(biāo)信息獲取目標(biāo)方位，通過安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)起爆相應(yīng)的若干個相鄰的偏心起爆點(diǎn)，使定向戰(zhàn)斗部殺傷能量向目標(biāo)方向集中，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高效毀傷。

與基于常規(guī)中心起爆戰(zhàn)斗部的引戰(zhàn)系統(tǒng)相比，基于偏心起爆定向戰(zhàn)斗部的引戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計中還需要重點(diǎn)考慮以下幾方面的問題：①目標(biāo)方位識別；②戰(zhàn)斗部定向起爆方式設(shè)計；③安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)體制選擇；④多點(diǎn)起爆同步性。

1 目標(biāo)方位探測

在彈目高速交會條件下，快速準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)方位是應(yīng)用定向戰(zhàn)斗部的前提條件，探測的目標(biāo)方位精度直接影響戰(zhàn)斗部毀傷效果。在工程應(yīng)用中，可以利用專用設(shè)備和彈上信息獲取目標(biāo)方位。

1.1 專用設(shè)備識別

彈目交會時，為了識別目標(biāo)方位，彈上可以配備具有方位探測功能的設(shè)備，如波束定角引信或其他專門用于方位探測的設(shè)備。考慮導(dǎo)彈小型化、低成本等因素，利用設(shè)備識別目標(biāo)方位時彈上通常配備波束定角引信。波束定角引信采用側(cè)向探測，在垂直于彈軸的平面內(nèi)天線波束覆蓋360°，每個天線在垂直于彈軸的平面內(nèi)對應(yīng)一定的探測方位范圍。彈目交會時，當(dāng)某一個天線探測到目標(biāo)，則可以認(rèn)為目標(biāo)位于該天線探測方位內(nèi)，該方位即為引信探測到的目標(biāo)方位[9-11]。

假設(shè)引信有3個側(cè)向天線，如圖1a)所示；如果天線A探測到目標(biāo)，則目標(biāo)方位φ取值如圖1b)所示；如果天線A與天線B同時探測到目標(biāo)，則目標(biāo)方位φ取值如圖1c)所示。彈目交會時，根據(jù)本方法一共可以識別出6個目標(biāo)方位。

本方法通過引信天線的硬件方位識別目標(biāo)方位，方法簡單且精度較高，在引信作用距離內(nèi)，方位識別精度不受脫靶量大小的影響。通過本方法識別目標(biāo)方位時，增加引信天線數(shù)量，從而縮小每個天線探測方位范圍，或采用復(fù)合引信，對復(fù)合引信測量信息疊加處理，可以提高識別目標(biāo)方位的精度。

1.2 通用設(shè)備識別

當(dāng)導(dǎo)彈沒有配備用于目標(biāo)方位探測的專用設(shè)備時，也可以利用主動導(dǎo)引頭的測角信息和導(dǎo)彈姿態(tài)信息獲取目標(biāo)方位。使用該方法可以實(shí)時計算目標(biāo)方位，大脫靶情況下方位識別精度較高，但當(dāng)脫靶量較小時，由于導(dǎo)引頭角偏差信號的起伏，目標(biāo)方位識別精度較差。同時，未安裝導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈系統(tǒng)也可借鑒該方法，依據(jù)雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)視線信息和慣測系統(tǒng)的導(dǎo)彈姿態(tài)信息進(jìn)行目標(biāo)方位的確認(rèn)，只是精度會有所下降。

2 戰(zhàn)斗部定向起爆方式設(shè)計

根據(jù)彈上目標(biāo)方位識別精度，可以對戰(zhàn)斗部定向起爆方式進(jìn)行設(shè)計。原則上戰(zhàn)斗部定向方位數(shù)量應(yīng)不少于彈上能識別的目標(biāo)方位數(shù)量，且為保證毀傷效果，識別的目標(biāo)方位應(yīng)盡可能位于戰(zhàn)斗部定向區(qū)中心。為了使戰(zhàn)斗部的定向區(qū)域瞄準(zhǔn)目標(biāo)方向，應(yīng)同時起爆戰(zhàn)斗部位于目標(biāo)方位相對一側(cè)的多個起爆點(diǎn)，通過爆轟能量的疊加形成目標(biāo)方位方向的定向區(qū)。

假設(shè)定向戰(zhàn)斗部有m個偏心起爆點(diǎn)，在垂直于彈軸平面內(nèi)距戰(zhàn)斗部中心一定距離沿周向均勻分布，編號分別為1，2，…，m。在垂直于彈軸平面內(nèi)，戰(zhàn)斗部偏心起爆點(diǎn)與戰(zhàn)斗部中心的連線將導(dǎo)彈垂直于彈軸的平面劃分為m個象限，通過同時起爆相鄰的2個或3個起爆點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)2m個定向方位。

下面以六分位定向戰(zhàn)斗部為例，分析其定向起爆方式。假設(shè)戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)位置如圖2所示，同時起爆相鄰的2個或3個起爆點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)12個定向方位，定向方位中心如圖3所示。通過舉例說明圖2和圖3的對應(yīng)關(guān)系，若同時起爆①，② 2個起爆點(diǎn)，戰(zhàn)斗部實(shí)現(xiàn)的定向方位中心如圖3中⑧所示；若同時起爆①，②，③ 3個起爆點(diǎn)，戰(zhàn)斗部實(shí)現(xiàn)的定向方位中心如圖3中⑨所示。

圖1 無線電引信探測方位示意圖

圖2 戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)位置

圖3 戰(zhàn)斗部定向方位中心示意圖

3 安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)體制選擇

與定向戰(zhàn)斗部配套使用的安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也可以采用全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)。下面分別討論2種體制安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的區(qū)別和與定向戰(zhàn)斗部的配合方式。

3.1 2種體制安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的區(qū)別

機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)電組合裝置，一般由保險機(jī)構(gòu)、隔離機(jī)構(gòu)、傳爆序列和起爆電路等部分組成，其中保險機(jī)構(gòu)和隔離機(jī)構(gòu)中有機(jī)械動作和火工動作，在使用過程中機(jī)械動作和火工動作均不可逆。機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)起爆元件采用的是橋絲雷管。考慮橋絲雷管的安全性，需要在主起爆雷管和導(dǎo)爆管之間設(shè)置機(jī)械隔斷，未解保狀態(tài)下，雷管應(yīng)短路，起爆回路應(yīng)斷開。

全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電子安全與解除保險裝置和基于鈍感裝藥的沖擊片雷管，內(nèi)部無機(jī)械運(yùn)動結(jié)構(gòu)和部件，通過換裝操作可以實(shí)現(xiàn)全功能測試。全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取電子安全邏輯控制技術(shù)和動態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全控制，提高了環(huán)境信息識別和處理能力，且易于實(shí)現(xiàn)保險恢復(fù)功能。沖擊片雷管不含敏感藥劑，起爆條件非常苛刻，沖擊片雷管橋箔與始發(fā)藥不直接接觸，具有很高的安全性，因此無需在雷管和導(dǎo)爆管之間設(shè)置機(jī)械隔斷，提高了傳爆序列的作用可靠性[12-14]。機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)與全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用機(jī)理比較見圖4。

機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)成本低，技術(shù)比較成熟，但可靠性和安全性相對較低，對使用環(huán)境也有一定要求。全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有高檢測性、高安全性和高可靠性，能夠適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境和嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，但成本相對較高。

3.2 與定向戰(zhàn)斗部的配合方式

根據(jù)安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)體制的不同，戰(zhàn)斗部實(shí)現(xiàn)定向起爆的方法也不同。

采用機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，必須與戰(zhàn)斗部爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)配合才能實(shí)現(xiàn)定向方位的選擇。定向機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的起爆元件根據(jù)功能可以分為主雷管和方位雷管2類，方位雷管的輸出能量用于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)傳爆路徑的選擇,主雷管的輸出能量用于通過方位雷管選好的傳爆路徑偏心起爆戰(zhàn)斗部的主裝藥。為了實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部殺傷能量在目標(biāo)方位上的定向，需要在引爆安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)主雷管的同時引爆方位雷管。為了保證安全性，需要將雷管進(jìn)行機(jī)械隔離，但由于方位雷管數(shù)量較多，很難做到方位隔爆，通常僅將主雷管進(jìn)行隔爆。

采用全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，不需要通過戰(zhàn)斗部爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定向方位的選擇，沖擊片雷管可以直接與戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)對正，且一一對應(yīng)。當(dāng)戰(zhàn)斗部需要實(shí)現(xiàn)某一方位的定向時，則直接起爆全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)與該方位相對應(yīng)的幾個方位雷管即可。

對比2種安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)與戰(zhàn)斗部的配合方式，可以看出，采用定向機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，需要多增加一路雷管用于起爆戰(zhàn)斗部主裝藥，且方位雷管很難進(jìn)行隔爆，安全性有所降低，同時戰(zhàn)斗部還需要增加爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)，提高了戰(zhàn)斗部研制難度。全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)與定向戰(zhàn)斗部配合使用時具有一定優(yōu)勢，隨著技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用的增多，成本已大幅下降，將成為工程應(yīng)用的主要方向。

4 多點(diǎn)起爆同步性

4.1 不同安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)體制下起爆同步性指標(biāo)分析

機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)與戰(zhàn)斗部爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)配合時，起爆同步性指標(biāo)包含引信輸出起爆信號的同步性、安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)方位雷管的同步性和戰(zhàn)斗部爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)的同步性3部分。前2個原因?qū)е碌淖饔脮r間散布可以通過2種方式消除：一是選擇不同類型的主起爆雷管和方位起爆雷管。當(dāng)主起爆雷管采用鈍感雷管，方位起爆雷管采用敏感雷管時，由于鈍感雷管比敏感雷管作用時間長，當(dāng)主起爆雷管作用時，方位雷管已完成傳爆路徑的選擇；二是引信先輸出方位起爆信號，延遲一定時間確保方位雷管已完成作用，然后再輸出主起爆信號。通過合理設(shè)計，采用機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，起爆同步性指標(biāo)僅受戰(zhàn)斗部爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)同步性影響，爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)同步性較高，能達(dá)到幾十納秒量級。

采用全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，由于全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)方位雷管直接起爆戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)，因此起爆同步性指標(biāo)由全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的電路輸出信號的同步性、起爆輸出電流的同步性和沖擊片雷管的同步性3部分組成。按目前工程實(shí)現(xiàn)情況，起爆同步性可以實(shí)現(xiàn)小于2 μs。

4.2 仿真分析

下面采用ANSYS仿真軟件LS-dyna進(jìn)行仿真，分析多點(diǎn)起爆時起爆時間散布對戰(zhàn)斗部毀傷能力的影響。假設(shè)戰(zhàn)斗部為形成某一方位的定向，需同時起爆2個起爆點(diǎn)。仿真2點(diǎn)起爆時不同起爆延時對戰(zhàn)斗部沖擊波形態(tài)的影響，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

根據(jù)仿真計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到定向方向上破片速度和破片密度，從而分析起爆能量損失情況和定向區(qū)偏轉(zhuǎn)角度，分析結(jié)果如表1所示。

通過仿真結(jié)果可知，戰(zhàn)斗部多點(diǎn)起爆時起爆點(diǎn)作用時間散布會影響戰(zhàn)斗部毀傷能力。實(shí)際工程應(yīng)用中，采用機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)與戰(zhàn)斗部爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)配合的方式，起爆同步性較高，對戰(zhàn)斗部毀傷能力影響較小。采用全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接起爆戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)的方式，起爆作用時間散布小于2 μs，造成的戰(zhàn)斗部能量損失控制在5%以內(nèi)，能滿足引戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖4 機(jī)電安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)與全電子安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用機(jī)理比較

圖5 2個起爆點(diǎn)同時起爆時沖擊波形態(tài)

圖6 2個起爆點(diǎn)相差2 μs起爆時沖擊波形態(tài)

圖7 2個起爆點(diǎn)相差5 μs起爆時沖擊波形態(tài)

表1 仿真結(jié)果分析

通過以上分析可知，在進(jìn)行基于偏心定向起爆戰(zhàn)斗部的引戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計時，需關(guān)注多點(diǎn)起爆時的同步性指標(biāo)，應(yīng)盡量減小起爆點(diǎn)作用時間的散布，從而減少其造成的戰(zhàn)斗部能量損失。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合偏心起爆定向戰(zhàn)斗部工程應(yīng)用上的特點(diǎn)，指出了采用該體制戰(zhàn)斗部時引戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計需要關(guān)注的4方面內(nèi)容，提出了不同的技術(shù)途徑并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，可以為類似引戰(zhàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計提供參考。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境、導(dǎo)彈特點(diǎn)選擇合適的技術(shù)途徑和方法，從而更好地發(fā)揮引戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。