徐　健，楊　臻

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原　030051)

新太空小口徑高初速動(dòng)能發(fā)射技術(shù)及打擊模式

徐健，楊臻

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原030051)

摘要：新太空武器最突出的特點(diǎn)就是能發(fā)射出高速運(yùn)動(dòng)的彈頭，利用彈頭的巨大動(dòng)能，通過直接碰撞的方式摧毀或擊傷目標(biāo)。若在我方平臺(tái)上搭載該發(fā)射平臺(tái)，可以以較小的代價(jià)獲取較大的軍事效能，具有較大的軍事價(jià)值。若開發(fā)一種口徑適中，初速比陸基武器大得多的發(fā)射系統(tǒng)，對敵衛(wèi)星、空間站等空間信息系統(tǒng)進(jìn)行打擊，用來爭奪信息控制權(quán)。

關(guān)鍵詞：兵器；小口徑；高初速；太空；發(fā)射

本文引用格式：徐健，楊臻.新太空小口徑高初速動(dòng)能發(fā)射技術(shù)及打擊模式[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(12):26-30.

Citation format:XU Jian, YANG Zhen.Newly-Outer Space Small-Bore High Muzzle Velocity Launch Generality and Shock Mode[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):26-30.

Newly-Outer Space Small-Bore High Muzzle Velocity

Launch Generality and Shock Mode

XU Jian, YANG Zhen

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:The outstanding advantage of outer space weapon is that it can launch bullet with high velocity which is used the far high kinetic energy of bullet to fight off or directly collies the object. If we establish this launch platform on our own platform, we can get the maximum martial efficiency with the minimum cost. If we develop a launch system with moderate caliber and that has the velocity than land army weapons to hit the space information such as enemy secondary planet, space station and so on to contest communication authority.

Key words:weapon; small-bore; high muzzle velocity; outer space; launch

當(dāng)前世界軍事強(qiáng)國非常重視空間，制天權(quán)具有極大的重要性。制天權(quán)在未來戰(zhàn)爭中至少可以扮演以下3種角色：① 對地面作戰(zhàn)提供空間支持；② 控制空間；③ 部署天基武器，實(shí)施全球攻擊。

控制空間方面的設(shè)想主要為：完善太空監(jiān)視，保護(hù)自己的衛(wèi)星，確保自由進(jìn)入太空，阻止對方使用太空，阻止對方使用其太空能力等。阻止對方使用太空措施之一就是堅(jiān)持不懈地發(fā)展反衛(wèi)星武器，明確提出把發(fā)展摧毀衛(wèi)星能力作為威懾戰(zhàn)略的組成部分。

基于空間平臺(tái)的武器，該武器最突出的特點(diǎn)就是能發(fā)射出高速運(yùn)動(dòng)的彈頭，利用彈頭的巨大動(dòng)能，通過直接碰撞的方式摧毀或擊傷目標(biāo)。與眾不同的是動(dòng)能武器不是靠爆炸、輻射等其他物理和化學(xué)能量去殺傷目標(biāo)，而是靠自身巨大的動(dòng)能，在與目標(biāo)短暫而劇烈的碰撞中殺傷目標(biāo)。開發(fā)一種口徑適中，初速比陸基武器大得多的發(fā)射系統(tǒng)，對敵衛(wèi)星、空間站等空間信息系統(tǒng)進(jìn)行打擊，用來爭奪信息控制權(quán)。

1國內(nèi)外太空武器特點(diǎn)

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，目前世界主要的天基武器主要有如下幾類[1-6]：

1.1　天基微波武器

天基微波武器是利用強(qiáng)微波波束的輻射，干擾或燒毀敵方電子設(shè)備以及殺傷作戰(zhàn)人員的一種天基武器，又稱射頻(RF)武器。

天基微波武器由能量系統(tǒng)、高功率微波發(fā)生器、大型發(fā)射天線和其他配套裝置組成。微波發(fā)生器所產(chǎn)生的強(qiáng)微波，以很窄的脈沖通過天線集聚在一個(gè)窄波束內(nèi)，很高的微波能量定向投射到空間目標(biāo)上，以破壞敵方的電子系統(tǒng)傳感器和接收機(jī)部分，燒毀電子元器件，擾亂數(shù)字電路，甚至直接摧毀敵方設(shè)備。目前，世界發(fā)達(dá)國家，如美國、俄羅斯、法國、英國、德國和日本等，都很重視發(fā)展高功率微波武器。

1.2　天基粒子束武器

天基粒子束武器是利用高能強(qiáng)流粒子加速器，將電子、質(zhì)子和各種重離子等帶電粒子加速到接近光速，使這些粒子具有極高的動(dòng)能，然后用強(qiáng)磁場將它們聚集成高密度的高能束流，經(jīng)中性化處理后，直接射向目標(biāo)，與目標(biāo)物質(zhì)相互作用，達(dá)到殺傷、摧毀敵方目標(biāo)。

天基粒子束武器系統(tǒng)主要由粒子束生成裝置、能量系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、目標(biāo)跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、指揮和控制系統(tǒng)5大部分組成。但是粒子束武器存在設(shè)備體積過大問題。

1.3　天基電磁軌道炮

太空電磁軌道炮原是“星球大戰(zhàn)計(jì)劃”設(shè)想的一種武器，它是用炮管內(nèi)兩條平行軌道以高達(dá)(100～200)×104A的強(qiáng)大電流將炮彈加速到2.5 km/s的速度。該種電磁發(fā)射技術(shù)帶來的問題是，第一是電源設(shè)備體積質(zhì)量問題、第二是發(fā)射速率不高，在兩次發(fā)射之間需要充電。

1.4　太陽能光學(xué)武器

太陽能光學(xué)武器是一種天基鏡子群，這些鏡子把太陽光聚焦到空間目標(biāo)，對目標(biāo)形成毀傷。由于光的散射，該武器的殺傷是有限的，但是該系統(tǒng)可以用來破壞或控制天氣，形成對自己有利的作戰(zhàn)條件。該武器對衛(wèi)星平臺(tái)的影響最小，但是若不在太陽光照射范圍之內(nèi)，則不能對目標(biāo)進(jìn)行毀傷。特別是如果攻擊距離較遠(yuǎn)，由于光的散射，殺傷效果又十分有限。

1.5　天基激光武器

天基激光武器是利用激光的高熱效應(yīng)，把強(qiáng)激光產(chǎn)生的數(shù)十萬、數(shù)百萬焦耳的激光能量，射向數(shù)千米、數(shù)百千米的空間目標(biāo)，與目標(biāo)材料相互作用，產(chǎn)生不同的殺傷破壞效應(yīng)，如燒蝕效應(yīng)、激波效應(yīng)和輻射效應(yīng)等。盡管激光武器有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是激光武器需要巨大的能量。

1.6　空間雷

把具有軌道機(jī)動(dòng)和接近能力的微小衛(wèi)星裝上炸藥，長期潛伏在工作軌道。需要時(shí)可以快速機(jī)動(dòng)，接近目標(biāo)，根據(jù)裝藥數(shù)量和摧毀目標(biāo)要求，在距目標(biāo)一定距離內(nèi)引爆炸藥，這樣就變成一顆難于防御的空間雷。這里需要研究的內(nèi)容：達(dá)到最大接近目標(biāo)的距離與最小炸藥量和獲得最佳破壞效果三者間關(guān)系。另外，需要一個(gè)輕質(zhì)量微功耗的軌道機(jī)動(dòng)和接近制導(dǎo)控制系統(tǒng)。

空間雷需要制導(dǎo)系統(tǒng)，同時(shí)由于引爆的炸藥，對目標(biāo)的破壞后會(huì)形成大量的破片，在空中形成破片垃圾，也成為一顆顆衛(wèi)星，會(huì)對其他各種衛(wèi)星和空間飛行器產(chǎn)生危害與威脅。

1.7　動(dòng)能撞擊器

把動(dòng)能撞擊器(KKV)裝在小衛(wèi)星平臺(tái)上，也可作為有效載荷的一部分。平時(shí)可部署在工作(潛伏)軌道長期隱蔽；需要時(shí)小衛(wèi)星釋放動(dòng)能撞擊器，通過變軌機(jī)動(dòng)和各階段制導(dǎo)控制，構(gòu)成一條攻擊軌道。若各階段制導(dǎo)系統(tǒng)能夠正確發(fā)揮作用，則可以精確擊中目標(biāo)。

動(dòng)能撞擊器的特點(diǎn)是一次性使用的，而小衛(wèi)星上不可能裝備很多的動(dòng)能撞擊器，而且需要復(fù)雜的制導(dǎo)系統(tǒng)，才能對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確攻擊。

上述各種天基武器，要么存在天基武器設(shè)備過大、依賴大能量電源的需求，或者發(fā)射時(shí)射速不高，需要等待充電時(shí)間等；或者容易受太陽光等天氣因素的影響的缺點(diǎn)。動(dòng)能撞擊器KKV制導(dǎo)系統(tǒng)復(fù)雜，而空間雷的爆炸產(chǎn)生的碎片會(huì)對空間其他飛行物，包括自己都構(gòu)成威脅。

2技術(shù)支持

提出一種口徑為6 mm；彈丸質(zhì)量為10 g；初速為1 800 m/s的反太空目標(biāo)的動(dòng)能發(fā)射技術(shù)，利用成熟的火藥發(fā)射技術(shù)，利用彈頭的巨大動(dòng)能，通過直接碰撞的方式摧毀或擊傷目標(biāo)。

2.1　各種關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1高膛壓發(fā)射技術(shù)

為了縮短身管長度、設(shè)計(jì)出長度可以接受的身管、需要大幅度提高膛壓，因此比常規(guī)槍炮300MPa的膛壓要高，預(yù)計(jì)在500～700 MPa范圍內(nèi)。

高膛壓帶來對武器材料力學(xué)性能要求的提高。有點(diǎn)像坦克炮的膛壓。高膛壓帶來對武器材料力學(xué)性能要求的提高，斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速率等指標(biāo)就成為身管材料重要性能參數(shù)。同時(shí)對身管的工藝水平也提出也更高的要求。

無論是通過增大裝藥量還是通過提高火藥力的方式來提高膛壓，提高膛壓后不僅會(huì)帶來嚴(yán)重的壓力振蕩，產(chǎn)生壓力波，威脅發(fā)射安全性，同時(shí)會(huì)增加武器系統(tǒng)質(zhì)量。高膛壓同時(shí)帶來了火藥燃燒釋放熱量增大，此時(shí)身管壽命尤其是燒蝕將成為關(guān)鍵問題。

2.1.2無后坐技術(shù)

由于空間衛(wèi)星載體質(zhì)量小，同時(shí)在軌道上運(yùn)行，任何施加在衛(wèi)星上的載荷將對衛(wèi)星姿態(tài)和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，后坐力對衛(wèi)星的影響類似于對衛(wèi)星進(jìn)行變軌。

2.1.3太空彈藥存儲(chǔ)技術(shù)

按照目前低軌道軍用天基平臺(tái)的主要位于200～1 500 km的地球低軌道。其軌道在大氣層中屬于第四層 80～500 km(暖層)以及第五層 500～1 000 km(外層)，溫度都隨高度增加而升高。這是因?yàn)檫@層中的空氣分子和離子直接吸收太陽紫外輻射能量，因而運(yùn)動(dòng)速度很快，和高溫氣體一樣。但是到夜間，其熱量將輻射出去，造成晝夜溫差極大，遠(yuǎn)超過目前彈藥發(fā)射條件是-40～+50℃，為了保證彈道性能，必須對彈藥采用新型的存儲(chǔ)技術(shù)，保證彈道性能的一致性。

2.1.4輕量化技術(shù)

軍事偵測天基平臺(tái)本身的質(zhì)量不大，減輕發(fā)射體的質(zhì)量即可換來攜帶彈藥的增加，對火力機(jī)動(dòng)性和持續(xù)性有利，同時(shí)不需要過分增大天基平臺(tái)質(zhì)量。在發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，身管和彈殼作為承受火藥燃?xì)鈮毫Φ臉?gòu)件，減輕其質(zhì)量將是降低整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)質(zhì)量的主要途徑。發(fā)射系統(tǒng)質(zhì)量的降低對減小隨動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩的需求也有利。高膛壓與輕量化的這一對矛盾的結(jié)合，對新型材料提出了更高的要求。

目前輕量化常見的復(fù)合材料大多以某種形式與身管基體材料進(jìn)行結(jié)合，比如纏繞等方式，高膛壓下對纏繞層的厚度、纏繞方式、纏繞層與基體金屬之間應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，特別是在環(huán)境溫度變化劇烈狀態(tài)下復(fù)合材料層與基體金屬之間的熱脹冷縮關(guān)系之間的匹配問題對輕量化提出了嚴(yán)格的要求。

2.1.5天基平臺(tái)下自動(dòng)機(jī)技術(shù)

太空中重力條件有別于地球上的條件，微重力條件下構(gòu)件的重力、接觸、摩擦、潤滑條件與地球上均不相同，而且溫度變化范圍極大，如何在溫度變化范圍內(nèi)保持自動(dòng)機(jī)正常運(yùn)動(dòng)，保證材料在高低溫情況下的力學(xué)性能尤為重要。自動(dòng)機(jī)傳動(dòng)、潤滑條件十分重要。如前所述的因低溫條件而造成的“冷焊”現(xiàn)象，在有相對運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件之間需要采取材料方面的措施來避免。

2.2　技術(shù)方案

在發(fā)射藥開始燃燒后，高溫高壓火藥燃?xì)庠谕苿?dòng)彈丸向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)推動(dòng)一平衡塊(整個(gè)彈殼)向后運(yùn)動(dòng)，采用平衡發(fā)射原理。當(dāng)彈頭向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，厚重的彈殼將保持自由后坐的形式向后運(yùn)動(dòng)，直到打開尾部噴口，完成抽殼動(dòng)作，因此是一種無后坐力發(fā)射方式。如圖1所示。

1.復(fù)合材料； 2.身管； 3.彈殼； 4.彈頭； 5.發(fā)射藥

針對膛口速度指標(biāo)，針對初步估算得到的結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，選定裝藥利用系數(shù)、最大膛壓以及裝填密度，得到裝藥量、初始容積等數(shù)據(jù)，設(shè)定火藥其他尺寸參數(shù)，分析出火藥厚度，根據(jù)給定初速，分析出身管長度。進(jìn)而進(jìn)行其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為了實(shí)現(xiàn)無后坐力，彈殼3和身管2之間不得有摩擦力，也就是說彈殼在發(fā)射時(shí)可以自由后坐，彈殼像身管一樣自行承受火藥燃?xì)鈮毫?，而與彈殼配合部分的身管此時(shí)充當(dāng)?shù)氖菍?dǎo)向作用，并不承受殼膛壓力，因此，該部分可以根據(jù)需要進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

為了保證初速，對彈殼尾部距離身管尾部長度x進(jìn)行分析，保證彈丸達(dá)到t膛口前不能從后方泄氣。在要求膛口速度Vg≥1 800 m/s的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行了內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，在彈道設(shè)計(jì)里面主要考慮了裝填密度，由于7孔火藥的裝填密度極限在800～900 kg/m3。因此選用可以實(shí)現(xiàn)的裝填密度800和700。

為了選取相對裝藥量，對比5.8 mm機(jī)槍，首選選用裝藥利用系數(shù)，5.8 mm機(jī)槍其利用系數(shù)為1281 kJ/kg。比步槍1 000～1 100 kJ/kg要大，進(jìn)入了中等威力火炮1 200～1 400 kJ/kg范圍。其值越小會(huì)導(dǎo)致相對裝藥量變大，在裝填密度一定的情況下，就直接導(dǎo)致了藥室容積V0變大。所計(jì)算的彈道曲線如圖2所示。

圖2　6 mm內(nèi)彈道彈頭彈殼結(jié)果

2.3　打擊模式

依據(jù)目前查找的數(shù)據(jù)，取衛(wèi)星直徑約1 m，由于要求載彈量不多，只有10發(fā)，因此依照2發(fā)能擊中目標(biāo)為例，如圖3所示。

圖3　空間瞄準(zhǔn)射擊圖

下面分打擊模式進(jìn)行分別列寫。

1) 伴隨攻擊模式

當(dāng)作如圖4所做伴隨運(yùn)動(dòng)時(shí)，攻擊衛(wèi)星與被攻擊衛(wèi)星之間速度差與軌道高度之間的關(guān)系如圖5所示。

圖4　伴隨運(yùn)動(dòng)打尾部

圖5　伴隨衛(wèi)星相對速度與軌道高度之間關(guān)系

可以看出在伴隨飛行作戰(zhàn)模式中，如果第1發(fā)沒有打中尾部，則需要使得第2發(fā)擊中頭部，只要兩發(fā)之間時(shí)間差小于錯(cuò)過一個(gè)衛(wèi)星長度即可。

按照目前軍用衛(wèi)星的主要位于200～1 500 km的地球低軌道，可以看出時(shí)間差為

因此射速為

在伴隨飛行攻擊模式中，射速要求并不高，6 r/min以上足夠。

2) 對向運(yùn)動(dòng)攻擊模式

當(dāng)如圖6所對向運(yùn)動(dòng)攻擊模式中，如果第一發(fā)沒有打中頭部，則需要使得第2發(fā)擊中尾部，只要兩發(fā)之間時(shí)間差小于錯(cuò)過一個(gè)衛(wèi)星長度即可，其相對運(yùn)動(dòng)速度與衛(wèi)星軌道高度關(guān)系如圖7所示。

圖6　對向運(yùn)動(dòng)打頭部

圖7　對向飛行衛(wèi)星相對速度

按照目前低軌道軍用衛(wèi)星的主要位于200～1 500 km的地球低軌道，可以看出時(shí)間差為

因此射速為

在對向運(yùn)動(dòng)攻擊模式中，射速要求非常高，需要16 666 r/min以上。

3) 平面交錯(cuò)軌道攻擊

圖8為兩衛(wèi)星平面交錯(cuò)攻擊示意圖。

圖8　平面交錯(cuò)軌道攻擊

若兩個(gè)軌道在太空中相交，根據(jù)速度分解原理，相對速度為

對比對向運(yùn)動(dòng)的相對速度，其值較小，計(jì)算如圖9所示。

圖9　平面交錯(cuò)軌道攻擊之相對速度

按照目前低軌道軍用衛(wèi)星的主要位于200～1 500 km的地球低軌道，可以看出時(shí)間差為

因此射速為

在平面交錯(cuò)軌道攻擊方式中，射速要求高，需要11 000 r/min以上。

4) 空間交錯(cuò)軌道攻擊

交錯(cuò)軌道空間攻擊的情況如圖10所示，選低軌道攻擊衛(wèi)星的速度Va為絕對速度，而高軌道衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)參考系為動(dòng)系，O點(diǎn)就是動(dòng)系上與動(dòng)點(diǎn)重合的牽連點(diǎn)。Vb1為牽連運(yùn)動(dòng)，由矢量合成規(guī)則，Vr為相對速度。

圖10　交錯(cuò)軌道空間攻擊

按照目前軍用衛(wèi)星的主要位于200～1 500 km的地球低軌道，設(shè)若高軌道若兩軌道之間相距為10 km，可以算得Vb和實(shí)際牽連速度Vb1之間關(guān)系如圖11所示，由圖11(b)可見，Vb1比Vb大6 m/s左右。

圖11　Vb和實(shí)際牽連速度Vb1

由圖11(b)可知，局部放大其衛(wèi)星之間相對速度與平面相差無幾，因此射速為

在交錯(cuò)軌道空間攻擊模式中，同樣射速要求非常高，需要11 000 r/min以上射速。

2.4　攻擊模式比較與選擇

因攜彈量15～20發(fā)，就目前射速最高的轉(zhuǎn)管武器10 000發(fā)/min，連用于起動(dòng)時(shí)間所需要的彈數(shù)都不夠，因此對向攻擊的模式要求首發(fā)命中，沒有時(shí)間進(jìn)行第二次射擊，對隨動(dòng)系統(tǒng)要求很高。

1) 由于伴隨作戰(zhàn)模式衛(wèi)星相對速度較低，則能以較低的相對速度來獲得富余的射擊時(shí)間，容易取得射擊效果。射速要求并不高，6 r/min以上足夠。

2) 對向運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星之間相對速度最高，因此射速要求非常高，需要16 666 r/min以上。

3) 平面和空間交錯(cuò)軌道攻擊方式中，射速要求高，需要11 000 r/min以上。

3結(jié)論

太空動(dòng)能發(fā)射技術(shù)，就是將傳統(tǒng)的火藥發(fā)射的武器加以創(chuàng)新設(shè)計(jì)、以適應(yīng)太空的使用要求。具備既可以連續(xù)發(fā)射、同時(shí)又克服了上述各種武器的缺點(diǎn)。

1) 將常規(guī)發(fā)射技術(shù)應(yīng)用在太空，拓展了常規(guī)發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2) 具備連續(xù)打擊，消費(fèi)比高等優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]林來興.國外微小衛(wèi)星在太空中的應(yīng)用研究[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006(6):47-50.

[2]周文雅，劉 恒，李順利，等.基于空間交會(huì)的天基反衛(wèi)作戰(zhàn)方案[J].上海航天,2009(3):12-15.

[3]童雄輝，才滿瑞，齊艷麗,等.美俄太空武器裝備的發(fā)展趨勢[J].導(dǎo)彈與航天載運(yùn)技術(shù),2004(6):49-52.

[4]佚名.美國空間對抗裝備與技術(shù)新進(jìn)展[J].軍事世界,2004(1):25-27.

[5]陳洪波.美國太空對抗概念體系下的空間武器平臺(tái)[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2006(3):1-5.

[6]高琳,劉賀軍,宋耀東.美國太空裝備發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].電光技術(shù),2009(2):43-47.(責(zé)任編輯周江川)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

中圖分類號(hào)：TJ86

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0707(2015)12-0026-05

doi:10.11809/scbgxb2015.12.007

作者簡介：徐健(1979—)，男，博士，主要從事高射速武器研究。

基金項(xiàng)目：中北大學(xué)基金(20140105)

收稿日期：2015-07-03