梁安定，鄭雄偉，孫興昀

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

0 引言

高科技戰(zhàn)爭形態(tài)的多樣化和復(fù)雜化發(fā)展，使得中近程防空導(dǎo)彈針對的目標(biāo)日益增多且特性迥異[1-4]，其戰(zhàn)斗部必須實(shí)現(xiàn)同時兼顧對多種目標(biāo)有效毀傷的目的。

目前，防空用殺傷戰(zhàn)斗部主要有破片、桿式和EFP戰(zhàn)斗部，其中破片戰(zhàn)斗部又以聚焦戰(zhàn)斗部和傳統(tǒng)飛散角戰(zhàn)斗部為主。傳統(tǒng)飛散角戰(zhàn)斗部的飛散角一般大于12°，飛散角內(nèi)破片的分布密度較低，對目標(biāo)的毀傷效應(yīng)主要體現(xiàn)為多個獨(dú)立破片穿孔毀傷。聚焦戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的聚焦帶內(nèi)破片密度大幅提高，可在目標(biāo)上形成一個密集穿孔組成的“切割帶”，能對目標(biāo)實(shí)施“帶切割式”結(jié)構(gòu)毀傷。李向榮等[5]研究了聚焦與傳統(tǒng)飛散角戰(zhàn)斗部的毀傷效果，認(rèn)為聚焦戰(zhàn)斗部對典型空中目標(biāo)具有切割性毀傷，比傳統(tǒng)飛散角戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)毀傷作用強(qiáng)。宋浦等[6]研究了聚焦戰(zhàn)斗部對直升機(jī)的毀傷效果，認(rèn)為聚焦戰(zhàn)斗部對直升機(jī)的局部毀傷效果相比傳統(tǒng)飛散角戰(zhàn)斗部明顯，但隨著距離等條件變化，也顯示出聚焦戰(zhàn)斗部毀傷效能的下降。李靜海[7]對聚焦和傳統(tǒng)飛散角戰(zhàn)斗部的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，總結(jié)了威力半徑和沖擊波復(fù)合效應(yīng)等條件下兩種戰(zhàn)斗部的優(yōu)缺點(diǎn)。以上研究均發(fā)現(xiàn)單一模式的破片戰(zhàn)斗部不能很好地同時應(yīng)對多種目標(biāo)。此外，對聚焦戰(zhàn)斗部設(shè)計也做過深入研究。張紹興等[8]研究得出聚焦戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的破片在聚焦帶內(nèi)，沿軸向兩邊破片密度小，中間破片密度大，破片分布不均勻的結(jié)論。梁爭峰和王寶成等[9-10]提出了一種線列式破片戰(zhàn)斗部方案，是聚焦戰(zhàn)斗部基礎(chǔ)上的優(yōu)化改進(jìn)，其破片殼體仍為聚焦特征曲線設(shè)計,但將外側(cè)的破片沿軸向每列破片質(zhì)心連線與戰(zhàn)斗部軸線排布成特定夾角,使得戰(zhàn)斗部破片飛散呈現(xiàn)出周期線列式分布特點(diǎn)，能夠?qū)δ繕?biāo)造成線性應(yīng)力集中形式的結(jié)構(gòu)破壞。線列式戰(zhàn)斗部的破片分布相比聚焦戰(zhàn)斗部更為集中，破片分布帶極其狹窄，對引戰(zhàn)配合的要求極高。中近程防空彈目動態(tài)交匯的復(fù)雜條件下，導(dǎo)彈總體更希望實(shí)現(xiàn)一種具有“寬度”且破片均勻分布的聚焦帶，以提高攔截概率。

文中在對中近程防空導(dǎo)彈面對的目標(biāo)分類分析基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)同時兼顧飛機(jī)和導(dǎo)彈類目標(biāo)毀傷目的，提出一種具有集成飛散和聚焦特性的破片戰(zhàn)斗部方案。為了實(shí)現(xiàn)破片均勻性分布，設(shè)計了一種點(diǎn)陣分布破片的戰(zhàn)斗部半預(yù)制破片殼體，使破片呈現(xiàn)交叉點(diǎn)陣分布。對戰(zhàn)斗部的地面靜爆試驗進(jìn)行了方案可行性的驗證。

1 典型目標(biāo)特性分析

根據(jù)中近程防空導(dǎo)彈對作戰(zhàn)需求的分析，應(yīng)對的目標(biāo)有：戰(zhàn)術(shù)空地導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、武裝直升機(jī)和察打一體無人機(jī)等。導(dǎo)彈類目標(biāo)的顯著特點(diǎn)就是呈現(xiàn)細(xì)長型結(jié)構(gòu)[11-13]。戰(zhàn)斗機(jī)、武裝直升機(jī)以及察打一體無人機(jī)等飛機(jī)類目標(biāo)的體積較大，翼展和機(jī)身長度達(dá)到3 m以上，基本呈現(xiàn)長方體型的結(jié)構(gòu)。通常飛機(jī)要害部位可分為乘員及保障系統(tǒng)(無人機(jī)無此系統(tǒng))、燃油系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、軍械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、儀表板系統(tǒng)、電子設(shè)備系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電傳系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、機(jī)翼系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)[14-20]，各系統(tǒng)分散在機(jī)體不同部位。

飛機(jī)和導(dǎo)彈是具有很大不同點(diǎn)的兩大類目標(biāo)。飛機(jī)類目標(biāo)的體型大，要害艙段分散各處，對飛機(jī)的打擊不應(yīng)集中在飛機(jī)的某一特定區(qū)域，而應(yīng)盡可能地打擊飛機(jī)的不同部位，因此采用較大飛散角的破片戰(zhàn)斗部打擊是非常有效的。而導(dǎo)彈類目標(biāo)體積相對飛機(jī)來說小很多，且直徑小，整體細(xì)長。防空導(dǎo)彈與來襲導(dǎo)彈的交匯條件復(fù)雜，往往防空導(dǎo)彈破片打擊到來襲導(dǎo)彈僅占圓周向分布的破片帶很小的角度，約占破片總數(shù)的10%[8]。而聚焦戰(zhàn)斗部能在較窄的破片帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高的破片密度，將顯著增加打擊到來襲導(dǎo)彈上的破片數(shù)量，實(shí)現(xiàn)“帶切割式”效應(yīng)，提升反導(dǎo)能力[4-5,10]。

2 戰(zhàn)斗部設(shè)計

2.1 總體思路

文獻(xiàn)[21]給出了瑞士AHEAD雙35 mm榴彈對付不同類目標(biāo)的破片殺傷密度標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)詳見表1。

表1 AHEAD榴彈對不同類目標(biāo)的破片殺傷密度標(biāo)準(zhǔn)

從表1可以看出，要對飛機(jī)類目標(biāo)形成毀傷，破片密度需達(dá)到5～15枚/m2，對導(dǎo)彈類目標(biāo)則需要20～45枚/m2。

為了同時對飛機(jī)和導(dǎo)彈兩類目標(biāo)實(shí)現(xiàn)較好的打擊，既需要有一定的破片飛散角度，也需要破片具有較高的分布密度。綜合考慮需求并采用集成設(shè)計思想，提出了具有傳統(tǒng)飛散角和聚焦戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)特性的集成戰(zhàn)斗部設(shè)計方案，將戰(zhàn)斗部的破片殼體設(shè)計成采用前部大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)和后部聚焦曲線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的組合。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

集成飛散和聚焦特性的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)上包含前蓋、中心管、擴(kuò)爆藥柱、主裝藥、破片殼體、蒙皮和后蓋。戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

中心管伸入主裝藥當(dāng)中，中心管內(nèi)孔用于固定擴(kuò)爆藥柱位置，擴(kuò)爆藥柱位于破片殼體大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)中部偏后位置，圖1中L>l。對于破片殼體大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)的母線曲率，當(dāng)確定好破片飛散角后，可以通過Shapiro 公式迭代計算得出母線微元偏轉(zhuǎn)方向[22]，然后擬合得到合適的母線曲率。而破片殼體聚焦曲線段的曲線參數(shù)，可采用等場強(qiáng)理論擬合得出[9]。大圓弧腰鼓形與聚焦曲線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)交接處采用了平滑圓弧過渡，確保飛散與聚焦區(qū)結(jié)合處的破片分布無明顯的稀疏區(qū)。從破片對兩類目標(biāo)的殺傷密度標(biāo)準(zhǔn)看，針對導(dǎo)彈類目標(biāo)的聚焦區(qū)破片密度應(yīng)為針對飛機(jī)類目標(biāo)的飛散區(qū)的3～4倍，文中以4倍關(guān)系分析。對于飛機(jī)類目標(biāo)來說，希望破片覆蓋至少2/3的主要艙段區(qū)域為佳，以3 m為典型尺寸考慮，破片分布要達(dá)到2 m寬度為宜。以6 m威力半徑考慮，破片的飛散角應(yīng)達(dá)到18°。目前聚焦戰(zhàn)斗部的破片飛散角可做到3°左右，因此飛散區(qū)的破片飛散角可確定為15°。在戰(zhàn)斗部破片殼體各部分的破片大小基本一致的情況下，綜合考慮破片密度和飛散角因素，可以確定破片殼體大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)和后部聚焦曲線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的軸向尺寸比例應(yīng)近似為5∶4。

戰(zhàn)斗部的破片殼體若利用機(jī)械加工規(guī)律性的半預(yù)制刻槽，可使得戰(zhàn)斗部的破片分布具有空間上的規(guī)律性[22]。為了解決破片均勻分布的技術(shù)難題，提出了一種點(diǎn)陣分布破片的戰(zhàn)斗部半預(yù)制破片殼體(以下簡稱為點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部破片殼體)制作方案。借鑒了圓環(huán)疊加戰(zhàn)斗部破片殼體設(shè)計形式[23]，點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部破片殼體整體外形為大圓弧腰鼓形和聚焦曲線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)組合形狀，由多件等軸向長度的圓環(huán)同軸串聯(lián)后點(diǎn)焊連接形成。破片殼體的每一件圓環(huán)外壁均機(jī)械加工等數(shù)量圓周均布的凹槽，凹槽與破片殼體軸線成固定角度，該角度設(shè)計參考了線列式戰(zhàn)斗部設(shè)計[9]。沿破片殼體的軸向順序，奇數(shù)序號圓環(huán)中的一列凹槽沿一條線排列，偶數(shù)序號圓環(huán)中的一列凹槽沿一條線排列，且奇數(shù)和偶數(shù)序號圓環(huán)的凹槽錯位相間。點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部破片殼體外觀示意圖見圖2。通過破片殼體結(jié)構(gòu)上的凹槽錯位相間，可使得點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部形成的破片具有規(guī)律性的點(diǎn)陣分布特性。

圖2 點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部破片殼體外觀示意圖

圖3為線排布和點(diǎn)陣排布形式的破片分布對比圖。從上到下，奇數(shù)序號圓環(huán)的破片中間標(biāo)示“×”符號，偶數(shù)序號圓環(huán)破片中間標(biāo)示“+”符號。若破片殼體的奇數(shù)與偶數(shù)序號的圓環(huán)凹槽未錯位相間，是一條線排列，將形成明顯的線排布形式的破片分布，如圖3(a)；而圓環(huán)凹槽錯位相間，將形成圖3(b)的點(diǎn)陣排布形式的破片分布。

將圖3(a)和圖3(b)相比，明顯可以看出點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部破片殼體偶數(shù)序號圓環(huán)的破片從線排布的“線”位置偏轉(zhuǎn)到兩列“線”的中間。與原“線”排布相比，破片的平面分布特性更為均勻，呈現(xiàn)出類似網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀的交叉點(diǎn)陣分布形態(tài)，而且破片形成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互之間間距呈現(xiàn)出較為均勻的周期規(guī)律性分布。

圖3 線排布和點(diǎn)陣排布形式的破片分布對比

2.3 威力設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)前部破片以大飛散角飛散，將起爆戰(zhàn)斗部用的擴(kuò)爆藥柱設(shè)置在破片殼體大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)的中部偏后。大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)加上中部起爆形式能夠形成更大的破片飛散角，中部偏后起爆也有利于破片向前飛散，提高對前部區(qū)域的覆蓋范圍。爆轟波經(jīng)過在大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)中后部裝藥中的穩(wěn)定傳遞，到達(dá)聚焦曲線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)的裝藥時已經(jīng)形成穩(wěn)定向后傳播的波陣面，有利于聚焦區(qū)破片達(dá)到較高的聚焦率。

在主裝藥爆轟作用下，爆轟波掃掠破片殼體的大圓弧腰鼓形和聚焦曲線回轉(zhuǎn)組合結(jié)構(gòu)可以形成較大飛散角加窄束聚焦帶組合的破片分布，前部破片以較大飛散角形式大面積分布，主要用以攻擊飛機(jī)等大體積目標(biāo)，后部破片則形成密集分布的聚焦帶，對導(dǎo)彈等小直徑目標(biāo)形成密集切割，對目標(biāo)產(chǎn)生密集破片復(fù)合疊加效應(yīng)的結(jié)構(gòu)毀傷，達(dá)到擊毀導(dǎo)彈的目的。

考慮到單枚破片的打擊能力，參考已有防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部威力數(shù)據(jù)[6,10]，初步確定設(shè)計方案中破片初速為1 900～2 100 m/s，破片質(zhì)量為2～4 g，這樣鋼材質(zhì)的破片在6 m處可以穿透6 mm鋼板，可實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)和導(dǎo)彈的有效打擊?？紤]到提升戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的緊湊性和破片殼體質(zhì)量的比重，將采用高格尼系數(shù)的高能炸藥作為主裝藥，同時確保裝填比達(dá)到0.75～0.9。

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

為了驗證設(shè)計方案的可行性，設(shè)計了8 kg的集成飛散和聚焦特性的點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部試驗樣機(jī)，并開展了地面靜爆試驗驗證其6 m半徑處的威力性能。集成飛散和聚焦特性的點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部破片殼體大圓弧腰鼓形結(jié)構(gòu)和后部聚焦曲線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包含的圓環(huán)數(shù)分別為16和13，長度分別為145 mm和117 mm，基本符合5∶4比例，圓環(huán)圓周均布的凹槽為48個。裝藥為某第二代高能炸藥，其格尼常數(shù)為2.95 km/s。擴(kuò)爆藥柱位置的相關(guān)尺寸L∶l=5∶4。戰(zhàn)斗部的主要參數(shù)見表2。靶場由戰(zhàn)斗部、木質(zhì)彈架和威力靶組成，威力靶為在距爆心6 m處布置的6 mm厚度Q235鋼靶板。靜爆試驗時戰(zhàn)斗部豎直放置，采用8#電雷管起爆戰(zhàn)斗部。靶場布局示意如圖4所示。

表2 戰(zhàn)斗部的主要參數(shù)

圖4 靶場布局示意圖

3.2 試驗結(jié)果

戰(zhàn)斗部靜爆試驗后的靶板照片見圖5，黃色為破片穿孔的涂漆。戰(zhàn)斗部破片在6 m半徑處的6 mm厚度Q235鋼靶板上達(dá)到100%的穿甲率。從靶板上看，戰(zhàn)斗部的破片同時形成了飛散和聚焦的破片分布，不管在飛散區(qū)還是聚焦區(qū)，破片的分布均呈現(xiàn)周期規(guī)律性的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀的點(diǎn)陣分布，飛散與聚焦區(qū)過渡也未有明顯稀疏空檔。

圖5 戰(zhàn)斗部靜爆試驗后的靶板照片

3.3 結(jié)果分析

取靶板上中間幾列破片分布帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。圖6為圖5中紅線框中包含的破片的分布圖。黑色節(jié)點(diǎn)為破片位置，上部飛散區(qū)破片之間標(biāo)示了破片間距，下部聚焦區(qū)破片進(jìn)行了網(wǎng)格化劃分。

圖6 圖5中紅線框中破片的分布圖(單位:mm)

經(jīng)過統(tǒng)計，飛散區(qū)破片縱向之間的間距96.4%分布在(269±70)mm之間，橫向之間的間距86.2%分布在(401±70)mm之間。統(tǒng)計數(shù)據(jù)證明破片之間的間距均勻性控制是很好的，呈現(xiàn)出點(diǎn)陣分布特性且無明顯稀疏區(qū)。對圖6中飛散區(qū)(約15°)的破片密度進(jìn)行統(tǒng)計，破片密度達(dá)到11.0枚/m2。

對聚焦區(qū)破片進(jìn)行了網(wǎng)格化劃分，可以看出以148 mm寬度劃分橫向網(wǎng)格，破片在4列當(dāng)中呈現(xiàn)規(guī)律分布。分布數(shù)量統(tǒng)計見表3。破片按列分布呈現(xiàn)數(shù)量上的周期性，按行分析，破片在聚焦帶內(nèi)的分布基本呈現(xiàn)均勻分布。聚焦區(qū)(約4.2°)內(nèi)破片密度達(dá)到52.4枚/m2。對圖6中聚焦區(qū)中較為密集的330 mm(約3°)寬度內(nèi)的破片進(jìn)行統(tǒng)計，破片密度達(dá)到64.8枚/m2。由于聚焦區(qū)的劃分主要是依據(jù)靶板上的破片密集區(qū)人為確定的，因破片殼體上大圓弧腰鼓形與聚焦曲線回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)交接處的光滑過度，飛散區(qū)與聚焦區(qū)不易分辨，使得聚焦區(qū)內(nèi)有大圓弧腰鼓形過渡區(qū)形成的破片，因此約4.2°的飛散角及其內(nèi)統(tǒng)計的破片密度較理論值均偏大。

表3 聚焦區(qū)破片的網(wǎng)格化分布數(shù)量統(tǒng)計 單位：枚

靜爆試驗結(jié)果驗證了戰(zhàn)斗部設(shè)計方案的可行性，集成飛散和聚焦特性的點(diǎn)陣戰(zhàn)斗部可同時形成明顯的飛散和聚焦的破片分布。在破片飛散區(qū)，破片呈現(xiàn)了周期規(guī)律性的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)狀分布，破片密度達(dá)到11.0枚/m2，可對飛機(jī)類目標(biāo)形成有效打擊。在破片聚焦區(qū)，破片分布均勻，不僅具有了較高的破片密集度，也使聚焦帶內(nèi)破片分布均勻，滿足了導(dǎo)彈總體希望實(shí)現(xiàn)均勻分布的破片聚焦帶的目的。約3°的聚焦帶內(nèi)破片密度達(dá)到64.8枚/m2，可對導(dǎo)彈類目標(biāo)形成有效打擊。

4 結(jié)論

為同時應(yīng)對飛機(jī)和導(dǎo)彈類目標(biāo)，提出了集成飛散和聚焦特性的破片戰(zhàn)斗部技術(shù)方案，為實(shí)現(xiàn)破片分布的均勻和規(guī)律性控制，設(shè)計了點(diǎn)陣分布破片的戰(zhàn)斗部半預(yù)制破片殼體，對技術(shù)方案開展了試驗驗證。研究結(jié)論為：

1)試驗驗證了戰(zhàn)斗部方案實(shí)現(xiàn)飛散和聚焦破片集成分布的可行性，8 kg的戰(zhàn)斗部在6 m威力半徑處，飛散區(qū)和聚焦區(qū)的破片密度分別達(dá)到了11枚/m2和64.8枚/m2，能夠?qū)崿F(xiàn)中近程防空導(dǎo)彈兼顧反飛機(jī)和反導(dǎo)的作戰(zhàn)任務(wù)。

2)試驗證明點(diǎn)陣分布破片的戰(zhàn)斗部半預(yù)制破片殼體能使戰(zhàn)斗部爆炸形成的破片呈現(xiàn)周期規(guī)律性的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀的點(diǎn)陣分布，特別是實(shí)現(xiàn)了聚焦帶內(nèi)破片的均勻分布。