超高速制導彈丸研究綜述

魯軍勇， 馮軍紅， 李開， 李湘平

(海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033)

超高速彈丸是指發(fā)射初速大于5Ma、通用化、低成本化和多任務作戰(zhàn)能力的制導彈丸。近年來，隨著電磁技術的發(fā)展，彈丸的射程越來越大。而大射程帶來的主要問題是如何保證射擊精度。由于發(fā)射起始擾動以及大氣環(huán)境的影響，在大射程下，常規(guī)彈丸已經遠遠不能滿足打擊精度的要求，制導彈丸便應運而生。相對于常規(guī)彈丸而言，制導彈丸具有首發(fā)命中率高、精度高、附帶損傷小以及效費比高等優(yōu)勢，是后續(xù)彈丸發(fā)展的主要方向。

新型發(fā)射技術(比如電磁發(fā)射技術)的發(fā)展極大了提高了彈丸的射程，傳感器技術的發(fā)展促進了末敏彈、遠程制導彈和末制導彈丸的誕生。尤其是微電子技術的發(fā)展，使得制導彈丸逐漸小型化和低成本化。引信技術的發(fā)展使得制導彈丸毀傷模式多樣化，具備了多種作戰(zhàn)用途的能力。在信息技術的孕育下，具備多種殺傷模式、超高速的制導彈丸將不斷涌現。尤其是2016年后美國更是積極推進超高速制導彈丸(hypervelocity projectile，HVP)的研制[1-2]。

本文從發(fā)射方式、總體技術、制導技術以及毀傷模式4個方面回顧了目前制導彈丸的研究現狀，通過分析現階段制導彈丸的技術特點，提出了超高速彈丸的關鍵技術和發(fā)展趨勢。

1 制導彈丸的研究現狀

1.1 彈丸發(fā)射方式

制導彈丸發(fā)射方式主要是指以某種平臺進行發(fā)射達到預定的射程和作戰(zhàn)目標，發(fā)射方式的更迭都是為了提高彈丸的射程。傳統上，提高彈丸的射程主要是增大發(fā)射藥和身管倍徑。早期，采用中大口徑火炮發(fā)射是提高彈丸射程的重要舉措，例如美國“銅斑蛇”制導彈丸和前蘇聯的“紅土地”制導彈丸采用155 mm和152 mm火炮進行發(fā)射[3-4]。提高身管倍徑也是增加射程的措施，美國先進艦炮系統(advanced gun system，AGS)艦炮的身管倍徑提高至62倍。

隨后，為實現遠距離的打擊，各國均啟動了火炮平臺+發(fā)動機助推的復合發(fā)射方式。美國海軍主持研發(fā)的遠程滑翔增程制導彈丸(extended range guided munition，ERGM)雖采用127 mm艦炮發(fā)射，但采用了火箭發(fā)動機實現增程，最大射程可達到117 km[5]。DDG1000裝備的遠程對陸攻擊制導彈(long range land attack projectile，LRLAP)制導彈采用了155 mm AGS艦炮+火箭發(fā)動機發(fā)射方式，射程達到180 km[6]。法國的“鵜鶘”制導炮彈也采用了火箭發(fā)動機助推方式。英國最新研制的制導炮彈同樣采用155 mm火炮+火箭發(fā)動機助推方式[7]。

20世紀后，電磁發(fā)射技術受到了各軍事強國的關注，相對于傳統發(fā)射方式，電磁軌道發(fā)射的彈丸初速更高，出口馬赫數達到7以上，不用發(fā)動機助推射程可達200 km以上，而且綜合毀傷能力強[8-9]。因此，這種發(fā)射方式近些年來發(fā)展較快，具備了工程化的條件[10-12]。2001年，美國率先開展電磁軌道炮工程樣機研制。2005年實現了32 MJ能級的發(fā)射試驗，初速達到2.5 km/s。2012年，美國完成了32 MJ電磁軌道炮工程樣機測試，隨后2017年完成了連發(fā)試驗。圖1給出了美國最新公布的電磁軌道炮工程樣機實物圖。2018年后，由于身管壽命、彈炮匹配以及制導器件抗高過載等問題，美國在這一方面進展緩慢，鮮有報道。

圖1 美國最新公布的電磁軌道炮試驗樣機Fig.1 The latest test prototype of electromagnetic railgun in the United States

相對于傳統的火炮發(fā)射方式，采用電磁發(fā)射技術的應用前景更為廣闊，這也使國內外研究者積極推進電磁發(fā)射技術的研究，力求占領這一科技制高點。近些年來，我國在這一方面取得了重要的進展[10-13]。但現階段電磁發(fā)射方式仍存在電能儲能密度低以及身管壽命低等技術難題，有待進一步解決。

1.2 彈丸總體技術

彈丸總體技術是指彈丸各個分系統的技術綜合，將各部分進行有機整合，達到最佳作戰(zhàn)效能。其核心是氣動布局和彈道規(guī)劃，而氣動布局最終服務于彈丸飛行彈道。這里重點從氣動布局和彈道規(guī)劃2方面分析目前制導彈丸的總體技術。

制導彈丸的氣動布局以氣動阻力小、機動性強為設計目的。早期美國的“銅斑蛇”制導炮彈采用正常式布局，如圖2所示。頭部是圓錐構型，身部和尾部均是圓柱型。穩(wěn)定翼采用20°后掠角，尾舵實現彈體姿態(tài)控制。

圖2 美國“銅斑蛇”155 mm制導彈丸Fig.2 155 mm copperhead guided projectile

彈丸頭部是導引頭和電子器件艙，中間是戰(zhàn)斗部艙，尾部是穩(wěn)定控制艙段。出膛后，該彈首先按照無控慣性彈道飛行，然后在彈道最高點后開始滑翔，彈翼彈開，進行姿態(tài)控制，在接近目標時，彈丸根據導引頭獲得的導航信息實現對目標的攻擊[14]。

鴨式布局也是制導炮彈最為常見的一種氣動布局。前蘇聯研發(fā)的紅土地152 mm制導彈丸采用這種布局，隨后美國制導彈丸普遍采用鴨式布局。這里著重介紹美國著名的XM982“神劍”制導彈丸的氣動布局[15]。圖3顯示了“神劍”制導彈丸外形圖，可看出，彈丸頭部是錐形，內含高炸或近炸引信和電子器件，彈身和彈尾是圓柱型，4片鴨舵安裝于過渡段。尾部安裝6片自由旋轉尾翼。彈底采用排氣技術來實現增程。

圖3 美國XM982“神劍”制導彈丸Fig.3 XM982 Excalibur guided projectile

在整個彈道規(guī)劃上，“神劍”制導彈丸也獨具一格，在彈道初始段，彈丸按照無控慣性彈道飛行，在接近彈道最高點時，4片鴨舵展開，衛(wèi)星接收機開始收星，完成定位。彈丸開始滑翔，在更新坐標數據后，并于目標數據進行對比，計算偏差然后控制鴨舵飛向目標，值得說明的是，在末端彈道規(guī)劃方面，“神劍”制導彈丸采用非彈道式飛行路線，而是在彈道終點進行近乎垂直的俯沖打擊，以保障最佳毀傷效果[16]。

美國海軍研發(fā)的127 mm增程制導彈丸(extended range guided munitions，ERGM)同樣采用鴨式布局，結構布局如圖4所示。彈頭為卡門曲線，中間段為圓柱段，尾部采用船尾形。頭部鴨翼布局和尾部穩(wěn)定翼布局與“神劍”相同，但由于該彈采用了火箭助推增程，射程可達110 km以上。內部結構布局方面，頭部仍是近炸引信和導航電子器件、過渡段是控制系統，圓柱段包含戰(zhàn)斗部和安保機構，尾部是火箭發(fā)動機。

圖4 美國ERGM制導彈丸結構Fig.4 Structural diagram of ERGM

在彈道規(guī)劃方面，ERGM與神劍基本相同，如圖5所示。彈丸出膛后，尾翼張開，保持穩(wěn)定飛行，在彈道上升段，火箭發(fā)動機助推彈丸爬高增程。在彈道最高點處，全球定位系統(global position system，GPS)開始搜星定位，輸出導航信息。同時鴨式舵展開，彈上控制系統控制舵片偏轉，彈丸開始滑翔飛行。彈丸在彈道末段飛臨目標以后，以與地面近乎垂直的姿態(tài)俯沖沖擊目標。

圖5 ERGM制導彈丸的作戰(zhàn)流程Fig.5 The fight flow chart of ERGM

隨后，美國針對DDX 1000驅逐艦155 mm AGS開發(fā)的遠程對地攻擊制導彈LRLAP同樣采用鴨式布局，火箭助推，射程可達185 km，布局結構見圖6[17]。

圖6 裝備于DDG 1000 AGS的LRLAP外形Fig.6 Outline of LRLAP equipped in DDG 1000 AGS

采用這種氣動布局還有法國“鵜鶘”制導彈丸、意大利“火山”制導彈丸以及英國LCGM制導彈丸等[18]。

近年來，在電磁軌道技術催化下，超高速彈丸被美國海軍視為下一代通用化、大射程以及多任務的制導彈丸，適用于當前的火炮發(fā)射平臺和未來的電磁軌道炮發(fā)射平臺,可完成海軍遠程火力支援和防空反導的任務[19]。這種彈丸從發(fā)射方式以及總體技術等方面與先前的彈丸有較大的區(qū)別，首先，采用次口徑發(fā)射方式，可適用于127、155 mm火炮以及電磁軌道炮等各種發(fā)射平臺，其次，彈丸初速較高，火炮發(fā)射初速可達到1 300 m/s，電磁炮發(fā)射可達2 000 m/s。最后，整個彈丸的氣動布局完全不同，采用了一種無翼式布局，如圖7所示。

圖7 超高速彈丸發(fā)射組件及彈丸外形Fig.7 Outlines of the ILP and HVP

表1總結了當前主要制導彈丸的總體性能指標，從氣動布局上來看，早期采用正常式布局，隨后，鴨式布局稱為制導彈丸的主流布局。這顯然是由于鴨式布局適應于彈丸滑翔增程。而近年來研發(fā)的HVP則采用了無翼式布局，這種布局方式可有效降低氣動阻力。從整個制導彈丸的發(fā)展趨勢來看，無論是采用大口徑火炮發(fā)射，還是采用火箭助推+滑翔增程，其最終目標都是為了提高彈丸的射程。采用電磁軌道炮發(fā)射，射程可達200 km以上，但彈丸在大氣中飛行，由于高初速導致氣動阻力較大。因此，彈丸減阻設計尤為重要。這也是HVP無翼式布局的設計初衷。

表1 當前主要制導彈丸的總體性能指標Table 1 Ensemble indexes of current guided projectiles

1.3 彈丸制導技術

目前，常見的制導彈丸的制導控制方式包括末制導技術、彈道修正技術和INS/GPS復合制導技術等。

1.3.1 末制導技術

早期的“銅斑蛇”和“紅土地”制導彈丸采用激光半主動末制導技術，這種制導方式通過激光對目標進行照射，彈上激光導引頭依靠目標反射的激光波束進行導引。制導精度可達2 m以內，但這種制導方式缺點也很明顯。首先，激光容易受到天氣、煙霧等環(huán)境影響；其次，需要人員和設備將目標指示器抵進目標5 km處，持續(xù)照射目標20 s以上，直至彈丸擊中目標。非常容易暴露己方，在現代激烈的戰(zhàn)場環(huán)境下使用受到限制。

末敏彈也是屬于末制導技術應用的一種形式[20]。隨著紅外和毫米波復合傳感器技術的發(fā)展，一種在彈道末端自動識別目標的末敏彈誕生。這種末敏彈采用155 mm火炮完成發(fā)射，射程范圍為27～35 km。20世紀90年代開始在美國、法國等陸軍服役。

1.3.2 彈道修正技術

彈道修正技術是對現役常規(guī)炮彈的引信單元進行改進，利用逐漸小型化的GPS接收機和數據傳輸設備進行數據融合處理，制導控制，提高現役彈丸的精度，從整個方案上來看，彈道修正技術是一條低成本的彈丸精準化發(fā)展之路。

彈道修正技術分為一維和二維修正，一維修正技術主要是對炮彈彈道的縱向修正，二維修正則是對炮彈彈道的縱向和橫向進行修正，以到達所要攻擊的目標[21]。一維和二維修正技術均依靠對GPS和慣性測量數據的處理，前者通過展開某種形狀的空氣動力減速板，后者通過控制可操縱的鴨式舵來實現彈道修正效果。

一維修正彈的關鍵技術是確定阻力機構的作用時間，研制強度和性能。此外，阻力片機構、天線、電源、電路都要集成到標準引信空間里。典型產品有美國的XM1156精確制導組件(precision guidance kit，PGK)，美國和英、法等國研制的“斯塔爾”，法國研制的“桑普拉斯”和SPACIDO，德國的“彈道修正引信”等[21]。

二維修正彈則是在傳統引信部位改裝了由炸高探測器、固定鴨式舵、GPS天線和接收機、信號處理器、安保裝置以及傳爆管等部件，改進后的組件稱為精確制導組件，可見圖8。信號處理器根據實時接收的GPS信號對彈道進行解算，預測彈丸落點，然后將預測值于發(fā)射前通過裝定器輸入的目標位置進行對比，根據二者的偏差產生修正控制指令，并傳遞給鴨式舵。控制彈丸實現精確制導。美國ATK公司是最早開展二維修正彈的研制，并將其成功列裝美國陸軍。據稱該彈能將常規(guī)155 mm彈丸在最遠圓概率誤差CEP 267 m提升至30 m[22]，在制導精度方面，圓概率誤差越小越好。

圖8 美國ATK公司精確制導組件結構Fig.8 Structure of ATK precision guidance components

1.3.3 INS/GPS復合制導技術

20世紀90年代，隨著美國全球定位系統和基于微納制造技術的微機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)傳感技術的發(fā)展，基于慣性導航系統INS(inertial navigation system)/GPS制導技術被迅速應用于制導彈丸上，可相對于20世紀80年代的激光半主動制導技術，這種制導技術優(yōu)勢非常明顯：具備發(fā)射后不管的特點，可實現大射程、全天候的作戰(zhàn)，而且成本低廉。是目前制導彈丸最為常見的制導方式[23]，如表1所示。INS自主性高、保密性強，具備抗干擾能力，但是需要初始對準信息，導航精度差，而且精度隨著時間而漂移。GPS定位精度高，可達5 m。缺點是易受干擾，高動態(tài)下可靠性低以及數據輸出頻率低等。將GPS與INS復合可以使2種制導方式取長補短，構成有機的整體，在制導初始段，GPS可為INS輔助校準精度，減小INS零偏誤差。在彈道末端，當GPS受到干擾后，INS可根據最后得到的數據為基準，單獨控制彈丸飛行[24-26]。

采用這種制導方式存在不能打擊移動目標的缺陷。為此，美國將GPS/INS+激光半主動末制導進行組合，可實現對移動目標的打擊。2020年初，美國雷神公司公布的改進“神劍-S”制導彈丸采用了GPS/INS+激光半主動末制導組合制導方式，并實現了對移動靶的打擊，制導精度從5 m提高至0.9 m。

1.4 彈丸毀傷模式

相對于導彈，制導彈丸的裝填空間有限，需要對引戰(zhàn)系統進行精細化設計，確保達到最佳毀傷效能。提高彈丸的殺傷威力一般有2種措施：一是采用新型毀傷材料，改變裝藥形式和工藝；二是設計更有效的引戰(zhàn)系統，比如將傳統的均勻殺傷改為定向殺傷，或改變彈丸攻擊角度。

早期制導彈丸主要用于打擊裝甲類目標，常采用聚能穿甲戰(zhàn)斗部，比如“銅斑蛇”制導彈丸。但隨著反應裝甲的應用，極大地降低了破甲戰(zhàn)斗部的威力。為此，許多聚能破甲戰(zhàn)斗部升級為串聯戰(zhàn)斗部，即采用前置戰(zhàn)斗部引爆反應裝甲，然后延時起爆的柱戰(zhàn)斗部完成破甲任務[27-28]。隨著高爆/破片戰(zhàn)斗部的發(fā)展，“紅土地”、“神劍”、ERGM、LRLAP、“鵜鶘”、“火山”等制導彈丸均采用這種戰(zhàn)斗部。這種戰(zhàn)斗部優(yōu)勢非常明顯，有效殺傷面積大，戰(zhàn)斗部爆破產生的破片可對輕型裝甲造成破壞，而爆炸所產生的強沖擊波對人員、工事和裝備造成嚴重殺傷。此外，云爆彈和子母彈是制導彈丸較為常見的戰(zhàn)斗部形式[29]。

近些年來，制導彈丸逐漸向多功能、多任務型方向發(fā)展，不同的作戰(zhàn)任務需要配備不同的戰(zhàn)斗部類型，比如“神劍”制導彈丸可配備多種類型戰(zhàn)斗部。HVP兼具遠程對地和防空反導的需求，更需要多種類型的戰(zhàn)斗部，目前已發(fā)展成型的戰(zhàn)斗部有高爆和動能2類。

為了提高彈丸毀傷效率，破片材料一直是戰(zhàn)斗部機理研究的重點。目前，含能毀傷元作為一種新興的戰(zhàn)斗部毀傷元成為當前戰(zhàn)斗部研究熱點，其兼具動能和化學能疊加的雙重毀傷效應，可以大幅度的提高戰(zhàn)斗部的毀傷性能。破片毀傷作用機理如圖9所示。通過破片中包覆含能材料，使得破片在侵徹貫穿靶板后，能在靶板后形成爆轟反應，同時形成高壓沖擊波和繞高溫破裂碎片等毀傷因素毀傷目標。2002年，美國“國防先進技術項目”將含能毀傷元技術列入其中，開展了相關技術的研究[30-31]。王海福[32]、曹兵[33]、趙鵬鐸[34]和劉燕等[35]相繼開展了含能材料的研究，研究表明含能毀傷元的毀傷效能是傳統金屬桿的5倍多，代表了破片戰(zhàn)斗部的發(fā)展方向。

圖9 含能毀傷元侵徹作用機理Fig.9 Penetration mechanism of energetic damage fragment

2 制導彈丸的關鍵技術

2.1 制導器件發(fā)射環(huán)境適應性技術

制導器件發(fā)射環(huán)境適應性技術主要包含2大部分：一是制導器件抗高過載技術；二是制導器件抗強磁場技術，后者主要針對電磁軌道炮發(fā)射環(huán)境。下面針對兩方面開展說明。

2.1.1 制導器件抗高過載技術

作為炮射制導彈丸，成功應用的前提是所有結構及器件承受住膛內發(fā)射過載。而作為制導器件，選型首先考慮的是器件是否適用于膛內發(fā)射過載，即經過膛內發(fā)射后，器件存活且性能不發(fā)生改變。至今，制導器件抗高過載技術仍然是制約制導彈丸技術發(fā)展的瓶頸。

解決這一關鍵技術仍需從材料、結構和工藝3方面著手。在材料選型上，首先考慮抗過載能力強和可靠性高的元器件。但目前一些元器件主要材料是石英晶體和硅，屬于典型的脆性材料，尤其是一些測量敏感器件，包括懸臂梁、梳齒等薄弱結構，很容易在大過載下產生永久變形和折斷[36]。其次，在器件結構設計上盡量減小應力峰值，比如國外提出了在MEMS器件上增加止擋限位結構，限制敏感結構的變形[37]。值得說明的是，元器件材料和結構仍受制于其他性能指標要求的限制，針對高過載方面的設計有限，因此，在制導器件抗高過載方面，最為常用的方法是隔振緩沖和灌封防護設計，其中灌封防護是最流行也是效果最好的方法[38]。

灌封材料主要是利用其自身的塑性和粘性吸收沖擊能量，如圖10所示。若材料無阻尼特性，沖擊能量只會以高頻振動形式在材料的彈性勢能和動能間相互轉化，若材料阻尼特性較強，則部分動能會耗散成內能，從而迅速降低振動的幅值[39-41]。因此，灌封材料一般選取彈塑性或粘彈性材料，利用材料的變形和阻尼特性盡可能的吸收沖擊能量，若材料的屈服階段越長，材料的緩沖吸能效果越好[42]。同時由于灌封材料具有粘彈效應和橫向慣性效應，使得應力波在傳播過程中會發(fā)生幅值衰減和波形彌散作用。目前常見的灌封材料主要有3類：環(huán)氧樹脂、聚氨酯和有機硅，其中聚氨酯材料以其硬度低、彈性好、粘結力強和電性能好等特點，目前成為彈載電子系統灌封的主要材料。

圖10 灌封材料能量轉化過程Fig.10 Energy conversion process of potting materials

早期制導彈丸的發(fā)射過載較小，“銅斑蛇”制導彈發(fā)射過載只有9 000 g，隨著制導彈丸發(fā)射初速的提高，尤其是電磁發(fā)射超高速彈丸，膛內峰值過載達到2.5×104g以上，而且持續(xù)時間較長，是傳統炮射彈藥過載的1.5～2倍，如圖11所示。使得制導器件的抗高過載設計不斷面臨新的挑戰(zhàn)，仍需要深入研究，進一步提高器件的抗高過載能力。

圖11 制導彈丸發(fā)射過載曲線對比Fig.11 Comparison of launching shock curve of projectile

2.1.2 制導器件抗強磁場技術

對于電磁發(fā)射超高速制導彈丸，其還需承受膛內峰值近7 T的低頻磁場環(huán)境(見圖12)，現有國軍標中電子器件的電磁兼容性設計未針對低頻強磁場環(huán)境制定相應標準，而低頻強磁場可能會對彈上舵機、傳感器、戰(zhàn)斗部裝藥等器部件的性能造成影響，引起制導控制系統失靈或早炸現象[43]。

圖12 電磁發(fā)射超高速彈丸磁感應強度曲線Fig.12 Magnetic induction intensity curve of HVP

為解決制導器件的抗強磁場關鍵技術，需要從器件工作原理、材料和布局3方面著手。首先盡量選用不受磁場影響的制導器件，如采用感應式舵機、或氣動舵取代永磁式舵機，采用機械過載開關取代電子開關等；其次，優(yōu)選非導磁材料或抗磁飽和能力強的材料，如選用不銹鋼或其他高強非導磁材料作為其外殼材料，可避免地磁傳感器等器件在強磁場環(huán)境下出現充磁現象;最后根據彈丸內部磁場的分布規(guī)律對制導器件進行合理布局，如將對磁敏感的電源板、引信、戰(zhàn)斗部等盡量原理電樞端布置，減少磁場的影響[44]。

2.2 彈丸起始擾動抑制及飛行穩(wěn)定技術

彈丸起始擾動是影響制導彈丸飛行穩(wěn)定性以及能量衰減的重要因素。若彈丸起始擾動過大，不僅使彈丸持續(xù)振蕩，姿態(tài)難以收斂，引起彈丸的靜態(tài)和動態(tài)失穩(wěn)。而且對制導器件的初始空中對準增添了困難。

彈丸的起始擾動主要來源于膛內的發(fā)射過程，彈丸的膛內運動過程非常復雜，是典型的非線性過程，易受初始和邊界條件的影響，比如身管狀態(tài)、彈丸狀態(tài)、初始裝填狀態(tài)等因素。而彈丸起始擾動的隨機性主要來源于這些狀態(tài)難以唯一描述。因此，彈丸的起始擾動抑制主要是從結構和工藝上進行優(yōu)化設計，減小制造偏差，對彈丸進行約束。芮筱亭等[45]針對傳統火炮發(fā)射的彈丸起始擾動開展了系統性的研究，指導了工程實踐。電磁發(fā)射彈丸同樣受其發(fā)射裝置結構以及彈丸受力特性的影響，由于裝置結構復雜，發(fā)射原理不同，存在多種物理場強耦合(見圖13)，使得彈丸起始擾動機理仍不明確。同時，彈丸初速越高，馬赫數越大，彈丸的靜穩(wěn)定裕度越小，即在一定起始擾動下，超高速彈丸姿態(tài)收斂更為漫長。因此，需要對電磁發(fā)射的內彈道進行深入研究。但從工程角度考慮，應嚴格控制裝置和彈丸結構加工和裝配偏差。

圖13 電磁發(fā)射超高速彈丸內彈道Fig.13 Interior ballistic diagram of HVP

此外，對于次口徑的超高速制導彈丸，彈托分離過程也是影響彈丸起始擾動的重要因素[46]。存在氣動與機械干擾，如圖14所示。彈托分離機制以及炮口非定常流場機理分析需要重點分析，才能確定氣動干擾和機械干擾帶來的偏差。在近期研究中發(fā)現，相對于彈托分離引起的擾動，炮口擾動是起始擾動的主要因素[47]。

圖14 彈托分離干擾Fig.14 Schematic diagram of interference caused by separation of sabot

彈丸起始擾動只能抑制，不能消除，因此，彈丸的穩(wěn)定性設計也非常重要，靜穩(wěn)定裕度的設計準則、彈丸初始轉速的設計和分析是制導彈丸初始穩(wěn)定性分析需要重點考慮。

2.3 大空域、寬速域的彈丸氣動設計技術

制導彈丸逐漸向遠射程、高精度和高機動方向發(fā)展。在大射程和寬速域工況下，彈丸的氣動特性以及對應的設計技術非常重要。首先，要求彈丸在整個飛行過程中具有較高的升阻比，尤其是彈道下降段，升阻比越大，滑翔增程效果越好；其次，要考慮彈道高度對彈丸飛行穩(wěn)定性、舵效的影響。彈道高不僅影響大氣密度，而且影響流經彈丸表面的邊界層特性，從而影響氣動力系數；最后，需要考慮彈丸的滾轉運動對飛行穩(wěn)定的影響[48-49]。彈丸在3個方向的姿態(tài)變化具有明顯的三維特性，機理比較復雜，需要深入分析。

此外，氣動熱問題也是制約彈丸技術發(fā)展的重要因素。尤其是超高速彈丸，在氣動加熱下，彈丸表面最大溫度達到2 000 K左右[48]，如圖15所示。如此高的溫度極大地影響彈丸的飛行和制導性能，需要予以重點關注。根據前面的分析，氣動熱問題主要體現在3個方面：1)氣動熱對彈翼和舵表面的影響。為減小氣動阻力，彈翼和舵一般較薄，則翼和舵前緣面積小，導致氣動加熱比較明顯，影響舵面效率；2)氣動熱影響制導器件，彈丸在飛行過程中，熱量持續(xù)向彈體內部傳遞，這會影響制導器件的存活性；3)氣動熱影響天線罩，制導彈丸存在非金屬材料的天線罩，導熱性能差，使得天線罩表面溫度較高，較高溫度下，表面會發(fā)生碳化，影響透波性能。氣動熱對彈丸3個方面的影響需予以重點關注。

圖15 超高速彈丸表面駐點溫度變化曲線[48]Fig.15 Temperature curves of stagnation point of HVP[48]

2.4 制導控制技術

彈丸的閉環(huán)控制系統如圖16所示。彈丸運動模型是典型的非線性時變模型，在傳統彈丸控制方面，均采用“系數凍結法”和“小擾動”的假設進行線性化處理，忽略了非線性項和耦合項的影響，使得彈丸的實際控制過程中容易出現穩(wěn)定性差和精度差等問題。隨著非線性控制理論的發(fā)展，一些新的控制算法，比如最優(yōu)控制、滑模控制、神經網絡控制和模糊控制等現代控制理論逐漸應用在制導彈丸控制系統中，增強了算法的魯棒性，減小了彈丸的脫靶量。此外，考慮彈丸終點姿態(tài)對毀傷的影響，帶有末端姿態(tài)控制的算法也逐漸發(fā)展成型。

圖16 制導彈丸制導與控制Fig.16 Guidance and control diagram of guided projectile

在導航算法方面，首先解決制導彈丸的空中對準問題，在發(fā)射工況下，由于INS系統難以適應過載要求而選擇不啟動，需要在出膛后進行初始姿態(tài)校準，現階段通過衛(wèi)導輔助校準技術解決這一技術難題[50]。其次，為提高導航精度，在原基礎上考慮數據融合技術，考慮狀態(tài)方程的時變性，采用自適應卡爾曼濾波技術，提高導航系統的抗干擾能力[51]。目前，在干擾環(huán)境下的導航硬件和軟件設計仍是技術難點。

高超聲速制導炮彈射程遠，彈道高度大，因而氣動力參數變化范圍較大，飛行過程中各通道間還存在非線性耦合，這對制導和控制系統提出了更高要求。

3 制導彈丸的發(fā)展態(tài)勢

3.1 彈丸增程技術的發(fā)展和應用

彈丸追求的總目標是遠射程、高精度和大威力。射程一直是制導彈丸追求的第一目標。為了提高射程，各種制導彈丸采取了各種各樣的增程技術。目前的增程技術主要是從發(fā)射平臺和彈丸2個方面來考慮，如表2所示。從發(fā)射平臺方面實現增程的方法主要是指研究新型發(fā)射技術(電磁發(fā)射技術)、發(fā)射藥和火炮結構；從彈丸方面實現增程的方法主要有彈型減阻增程、底部排氣增程、架設發(fā)動機增程等。這些增程技術已經成功應用于現有的制導彈丸中。可以預見，未來的制導彈丸繼續(xù)采用以下增程技術，甚至是各種增程技術的組合。

表2 目前常見的制導彈丸增程技術Table 2 Technology of increased range for guided projectiles

3.2 模塊化、集成化的設計思路成為趨勢

相對于導彈，制導彈丸最大的優(yōu)勢是成本低、攜彈量大等。控制彈丸成本最好的辦法是將彈丸內部各個部分進行集成化、模塊化設計，使得彈丸生產更加標準化和系列化。因此，模塊化和集成化是制導彈丸的未來發(fā)展方向。

目前，這種設計思想已經成功應用于制導彈丸中，比如，美國Honeywell公司已將GPS和INS集成設計，形成體積更小的導航模塊，“神劍”制導彈丸將戰(zhàn)斗部模塊化設計，可根據不同作戰(zhàn)任務實現戰(zhàn)斗部的更換。HVP制導也同樣采用了模塊化和集成化的設計思路，以滿足不同的作戰(zhàn)需求。

3.3 高效毀傷技術依然是研究熱點

彈丸的毀傷效能一直是研究的熱點問題，隨著彈丸小型化和低成本化發(fā)展。對毀傷的要求也越來越大，對于超高速彈丸，目前戰(zhàn)斗部的設計主要有2種：一是動能戰(zhàn)斗部，僅依靠彈體的動能進行毀傷；二是殺爆戰(zhàn)斗部，通過引信引爆裝藥戰(zhàn)斗部，起爆裝藥，形成破片，對目標進行毀傷。在追求最大毀傷效能下，可將這2種戰(zhàn)斗部結合使用，同時引入新的高效毀傷元，比如含能毀傷元完成戰(zhàn)斗部設計。

此外，在電磁攻防體系下，軟殺傷模式也成為一種重要的發(fā)展方向。軟殺傷戰(zhàn)斗部主要是通過電磁、煙霧或微波等技術破壞敵方系統作戰(zhàn)能力，使武器裝備失效和敵人喪失戰(zhàn)斗力。例如電磁干擾彈、電磁脈沖彈。20世紀90年便開始了這類殺傷模式的研究，但由于技術受限，遲遲未能實現工程化，但這種發(fā)展趨勢仍然明顯。近年來，出現了攜帶導電復合碳纖維、燃料空氣炸藥、溫壓炸藥等裝填物的軟/硬毀傷戰(zhàn)斗部。并研發(fā)電磁脈沖、高功率微波、強光致盲、復合干擾等新概念戰(zhàn)斗部。

4 結論

超高速制導彈丸是下一代通用化、模塊化、低成本以及多任務作戰(zhàn)的彈藥，被美國視為落實第3次“抵消戰(zhàn)略”的重要舉措，兼具遠程對地和防空反導等多種作戰(zhàn)使命，具有廣闊的應用前景。但其對應的關鍵技術尚未完全突破，本文回顧了制導彈丸的發(fā)展現狀，系統梳理了當前制約超高速制導彈丸發(fā)展的關鍵技術，指出了制導彈丸的發(fā)展趨勢，旨在為后續(xù)彈丸研究提供借鑒和參考。