中大口徑艦炮跨介質水下防御技術研究

魏 錦，李世紀，陳 亮

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

現代魚雷攻擊性強、防御難度大，然而水面艦艇魚雷防御主要以規避和干擾、誘餌、氣幕等軟殺傷手段為主，現有硬殺傷手段較少，中近程硬殺傷防御手段以反魚雷深彈為主，使得現役海軍艦艇缺乏有效地自衛措施[1-3]。因此水面艦艇編隊面臨的水下威脅越來越大，急需加強中遠程水下硬殺傷防御能力。

艦炮具有的反應快、初速快、射速快、持續作戰能力強的特點[4-5]，本文首次提出了中大口徑艦炮跨介質水下防御技術，該技術應用于中大口徑艦炮可有效提高水面艦艇的水下防御硬殺傷能力，具有重要的軍事價值。

1 火炮水下防御技術發展現狀

火炮水下防御方面，典型代表有美國的機載快速滅雷系統（RAMICS）和采用自適應水下高速彈藥（AHSUM）的全水下火炮系統，以及挪威DSG公司研制的“多環境彈藥”（MEA）[6-7]。

1）美國機載快速滅雷系統和全水下火炮系統

機載快速滅雷系統主要裝備于直升機機載火炮系統中，由30 mm速射炮發射超空泡脫殼穿甲彈，在空氣和水中穩定飛行，用于消滅水面及水下40 m的水雷；同時美軍曾計劃將該火炮系統部署到水面艦艇甲板上，形成超空泡射彈型近程武器系統，用于防御尾流自導魚雷。全水下火炮系統則使用自適應水下高速彈藥（AHSUM），將裝備在潛艇、水面艦艇等，用于對魚雷、UUV或水雷等的水下防御。

圖1 美國機載快速滅雷系統（RAMICS）Fig. 1 U.S. airborne rapid mine system

2）挪威“多環境彈藥”

挪威DSG公司的“多環境彈藥”（MEA）是將超空泡技術應用到輕武器上，但其彈頭尺寸與常規槍彈相近，因此無需對已裝備的槍械進行任何改動就可直接發射，并且能夠以非常低的射角從水面進入水中穩定飛行，其口徑序列有5.56 mm、7.62 mm、12.7 mm、30 mm、40 mm[4]。DSG公司還宣稱進行了更大口徑的MEA彈的研制，如30 mm，57 mm，76 mm甚至155 mm口徑的超空泡炮彈，從而用于水面艦艇對魚雷等水下目標的防御。

圖2 挪威DSG“多環境彈藥（MEA）”Fig. 2 Norwegian DSG "multi-environment ammunition"

2 中大口徑艦炮跨介質水下防御技術分析

2.1 毀傷能力分析

對魚雷的硬殺傷手段主要采用水下爆破毀傷，相關研究表明要使來襲魚雷殼體破裂，水中爆炸沖擊波峰值壓力要達到15.54 MPa[8-9]。

若以沖擊波強度來衡量對魚雷的破壞威力，針對球形TNT裝藥水中爆炸，適用范圍較廣的沖擊波壓力計算公式為：

式中：Pm表示沖擊波壓力峰值，MPa；ω表示裝藥TNT當量，kg；r表示距離炸點的距離，m。

由此得出現有中大口徑彈丸水下爆炸沖擊波壓力峰值隨距離的變化關系，如圖3所示。彈丸水下爆炸時，沖擊波壓力峰值隨著距離的增大衰減較快，現有中大口徑彈丸水下爆距5 m時可產生16.1 MPa的沖擊波壓力，可對魚雷進行有效毀傷。通過進一步需增大彈丸裝藥量，可提升彈丸的毀傷半徑，提高對魚雷的毀傷能力。

圖3 沖擊波壓力峰值隨距離變化關系Fig. 3 Relationship between shock wave pressure peak and distance

在增大彈丸裝藥量的基礎上，通過多發射彈的同時起爆，形成爆炸沖擊波的疊加，利用彈丸水下爆破合成效應，可進一步增大對魚雷的毀傷能力。利用理論與仿真相結合的手段，得到不同裝藥量的彈丸在不同間距下同時起爆時，爆炸沖擊波壓力隨爆距的變化規律如表1所示。

表1 多發射彈不同爆距條件下爆炸沖擊波壓力合成變化規律Tab. 1 The variation law of explosive shock wave synthetic pressure under the condition of multiple projectiles with different explosion distance

由此可知，通過匹配多發射彈水下爆破的間距、提高單發射彈的裝藥質量等，可實現水下防御射彈不同水下爆炸能量釋放及傳播規律，從而為確定對魚雷目標最優的毀傷模式提供依據。

2.2 內外彈道兼容匹配分析

現有中大口徑艦炮為全自動火炮，彈丸裝藥量的增大雖為終點彈道對目標的高效毀傷創造了條件，但后坐長必須控制在一定范圍才能使艦炮完成自動循環，同時彈丸內彈道壓力又必須滿足現有中大口徑艦炮炮身強度設計。需通過與外彈道的相互匹配，才能最終確定水下彈丸的基本參數。

現有中大口徑艦炮射程為5 km時的彈道軌跡如圖4所示。由計算可知，現有彈藥射程為5 km時，存在高射角和低射角2種外彈道路徑。低射角時，飛行時間在8 s以內，針對目標的反應時間短，末速度相對較大；但入射角僅為3.26°，對彈丸跨介質入水不利。高射角時，入射角為86.49°，彈丸接近垂直入水，對彈丸跨介質入水有利。但彈丸射高達16 km，飛行時間接近120 s，彈丸空中飛行時間長，無法發揮火炮反應速度快的特點。

圖4 現有中大口徑艦炮射程5 km時的外彈道對比Fig. 4 Comparison of external ballistics of existing medium and large caliber naval guns with a range of 5 km

在現有彈藥外彈道計算結果基礎上，結合彈丸毀傷威力與艦炮自動循環等對內彈道的要求，通過減小發射裝藥質量和增大彈丸重量（同時為毀傷威力創造條件），減小了彈丸初速，在保證一定入射速度的情況下增大了彈丸的入射角度。由此計算優化后的彈藥外彈道結果如圖5所示。

圖5 改進前后的結果對比Fig. 5 Comparison of results before and after improvement

由計算結果可知，優化后的彈丸初速在500～550 m/s的范圍內，低射角時，飛行時間在12 s以內變化，比優化前稍增大，仍舊能發揮艦炮反應速度快的特點；入水速度在385～429 m/s的范圍內變化，但仍舊滿足入水速度要求；入水角在6.5°～8.2°的范圍內變化，向著有利于彈丸跨介質入水穩定性的方向變化。因此，對現有彈藥進行適當優化后，其常規彈空氣彈道飛行軌跡可滿足跨介質入水射彈的相關要求。

2.3 彈道飛行穩定方式分析

彈丸的飛行穩定性，是指彈丸飛行時其彈軸不過于偏離彈道切線的性能，飛行穩定性越好，其射擊精度越高。一般彈丸的穩定結構分為旋轉穩定和尾翼穩定。若要實現跨介質射彈可靠毀傷目標，必須保證空氣外彈道、跨介質彈道和水中彈道均具有較好的穩定性。

旋轉彈丸飛行穩定性包括螺穩定性、追隨穩定性及動態穩定性3部分。超空泡射彈在水介質中航行的穩定旋轉角速度是空氣中穩定飛行所需旋轉角速度的近29倍[7]，彈體入水時要達到如此大的轉速是難于實現的。同時相關研究表明，旋轉彈丸入水過程中由于自轉帶動其周圍水介質流動，使其左右受力不均，產生馬格努斯效應，從而使彈丸發生輕微偏轉，同時常規尖拱形炮彈在落角小于10°時發生跳彈現象[10]。因此，尾翼穩定形式更加適合跨介質射彈。

小口徑水下射彈，大多采用尾翼穩定形式，通過長徑比較大的箭形彈并輔以尾翼，利用其頭部的銳角在高速入水時產生空泡，大大降低水阻力，使彈丸在水中可保持比傳統彈藥更好的彈道性能，且尾翼彈有更高的能量密度值，確保對魚雷的有效毀傷[11]。

圖6 小口徑尾翼穩定超空泡射彈Fig. 6 Small-caliber tail stabilized supercavitating projectile

不同于小口徑射彈的動能毀傷，中大口徑艦炮水下防御射彈，通過水下爆破實現對目標的有效毀傷，因此彈體結構完全不同于小口徑射彈。同時，中大口徑艦炮射彈進行水下防御時，射彈跨介質入水毀傷目標時入射角度小，因此要實現彈丸全彈道特別是跨介質入水運動過程的穩定性，需深入研究采用尾翼穩定彈丸的小角度入水穩定性問題。通過對彈丸相關特征參數進行計算，確定水下防御射彈所采用的布局結構，研究彈丸質心位置、空化器結構等因素對彈丸跨介質飛行穩定的影響，從而可最終確定適合中大口徑艦炮跨介質入水的最佳彈體結構，實現中大口徑艦炮射彈小角度跨介質入水的穩定性。

3 中大口徑艦炮水下防御技術展望

隨著探測、信息化彈藥等技術的不斷發展，中大口徑艦炮水下防御作戰效能必將不斷提高。

圖7 艦炮射彈跨介質穩定入水過程Fig. 7 The process of naval gun projectile entering water stably across medium

1）聲吶技術、藍綠激光水下探測能力的不斷提高，留給艦炮武器系統預警的時間增加，將使中大口徑艦炮水下防御的射程不斷增大；

2）以彈道修正、末端導引等技術為代表的信息化彈藥技術的發展，可使中大口徑水下防御射彈的飛行彈道更加優化，跨介質穩定性提高的同時，射彈的落點精度可大大提高；

3）結合彈藥智能毀傷技術，優化水下防御射彈引戰配合模式，從而提高中大口徑艦炮水下防御射彈的毀傷能力。

4 結 語

通過中大口徑艦炮進行跨介質水下防御具有較強的可行性。基于現有中大口徑艦炮，對水下來襲目標進行中遠程防御，能夠擴展艦炮水下防御作戰能力、開拓艦炮使命任務領域，為艦艇水下防御作戰提供硬殺傷手段。主要結論如下：

1）現有中大口徑彈丸水下爆距5 m時可產生16.1 MPa的沖擊波壓力，可對魚雷進行有效毀傷。通過進一步增大彈丸裝藥量、多發射彈水下爆破合成效應，可進一步提升毀傷半徑及毀傷能力。

2）在現有彈藥外彈道計算結果基礎上，結合彈丸毀傷威力與艦炮自動循環等對內彈道的要求，通過減小發射裝藥質量和增大彈丸重量，減小了彈丸初速，在保證一定入射速度的情況下增大了彈丸的入射角度。

3）通過對彈丸相關特征參數進行計算，確定水下防御射彈所采用的布局結構，研究彈丸質心位置、空化器結構等因素對彈丸跨介質飛行穩定的影響，從而確定了適合中大口徑艦炮跨介質入水的最佳彈體結構，實現中大口徑艦炮射彈小角度跨介質入水的穩定性。

4）隨著探測、信息化彈藥等技術的不斷發展，中大口徑艦炮水下防御作戰效能必將不斷提高。