0 引言
战略防御和国土防空是国家安全的重要保障,如何探测、拦截和毁伤来袭的飞机、导弹等空中目标,是这一保障的技术手段。而防空反导毁伤技术作为这些技术手段的最终目标,越来越受到各军事强国的重视。破片毁伤技术发展了聚焦、定向、线列式、定向/聚焦复合、聚焦/大飞散角复合等新型战斗部结构,离散杆毁伤技术涌现了旋转离散杆、聚焦离散杆、线列式离散杆等战斗部技术,毁伤元一方面向具有大长径比、高比动能深侵彻能力方向发展,另一方面积极研发具有扩孔、引燃、内爆等增强毁伤效应的含能毁伤元。这些发展的技术本质均是对能量的提升、控制和高效利用,一方面通过毁伤元质量分配及排布结构、轴向飞散角、周向偏心起爆等控制能量的分配,另一方面通过采用撞击条件下能够发生反应而释能的含能材料赋予毁伤元材料新的毁伤能量。因此,能量控制和提升将是防空反导毁伤技术发展的主要方向,文中从这两方面着手综述了国内外近年来防空反导毁伤技术的研究现状和技术特点,并对未来该领域的发展趋势进行了展望。
1 能量输出结构控制向定向、聚焦和线列式方向发展
杀伤型战斗部是目前完成防空反导任务的主要战斗部形式,其主要的杀伤元是高速破片或杆条,同时伴有装药起爆后的冲击波超压作用。早期受制导、引战等技术制约,多采用圆筒或腰鼓形大飞散角结构。圆筒形战斗部飞散角为12°左右[1],如美国响尾蛇1A型空空导弹战斗部,其利用装药聚能效应切割作用形成破片,飞散角为10°~16°;典型的腰鼓形战斗部如法国马特拉R530导弹T-110战斗部,飞散角为25°[2]。这类战斗部优点为轴向杀伤范围广,有利于引战配合,但其缺点也十分明显,穿孔密度低,间距大,应力集中效应难以耦合,对目标的结构毁伤威力有限。于是在此基础上通过对能量输出结构进行优化设计,发展出了聚焦式、线列式、定向式等多种通过提高能量利用率以实现高效毁伤效果的新型毁伤技术。
1.1 聚焦战斗部
1.2 线列式战斗部
聚焦战斗部毁伤元在聚焦带宽内为均匀分布,切割毁伤效果为“带状切割”,为了进一步提高对目标的结构切割毁伤效果,又发展了线列式战斗部,其原理是通过合理的毁伤元排布结构设计,实现能量的规则线性分布,使得威力半径处毁伤元穿孔呈线列式周期分布,可对目标实施“线切割式”结构毁伤,毁伤威力提高25%,能量增益60%以上。
1.3 定向战斗部
定向战斗部是通过对炸药装药实施控制起爆或定向转动战斗部,使战斗部破片以更高速度朝着指定的目标方向集中飞散。其特点是炸药能量利用率高,杀伤效率高,美国的“爱国者”PAC-3和俄罗斯的C300-B系列导弹均采用了定向战斗部技术,“爱国者”改进后通过增大破片质量提高了战斗部的打击动能。目前研究最广泛的是波形控制定向战斗部,是今后防空反导战斗部发展的主要研究方向。国内外多位学者对该种战斗部的能量增益效应进行了研究。A. Resnyansky等[11]对偏心多线起爆条件下破片战斗部的破片速度和密度分布进行了数值仿真,最终得出平面波起爆方式使得破片战斗部杀伤效率最高。王树山等[12]研究了偏心多点起爆战斗部破片飞散规律。实验结果表明定向方向破片初速和密度都达到最大值。武伟明[13]研究了偏心单点起爆定向战斗部的破片密度增益情况,发现偏心起爆的增益量会随着起爆点与轴心距离的增加而增加。
从上述战斗部技术的发展可以看出,无论是对装药结构、毁伤元排列方式进行设计,还是对起爆方式进行优化,其出发点均立足于对能量的高效利用和能量结构的合理控制上,即在总的爆轰能量一定的情况下,最大限度的利用战斗部结构形式的优化来使毁伤元获得更高的毁伤能量和更佳的毁伤模式,以实现对目标的精准打击和高效毁伤。
2 厚壁目标打击需求催生了高比动能型毁伤元
随着现代战场的信息化发展,战术弹道导弹(TBM)和航空炸弹等大壁厚作战目标正在加速向制导化方向发展,TBM是一种高速机动目标,具有飞行速度快、突防能力强、摧毁难度大等特点,如美国的“陆军战术导弹系统”(ATACMS)等,能够携带多种类型战斗部[14]。精确制导炸弹具有精度高、成本低、投放距离远等特点,使其成为了现代战争中的重要空袭武器。美军在2003年伊拉克战争中使用精确制导弹药的比例已高达68%。精确制导弹药对国土防御的威胁日益严重,偏航和解体不能完全解除威胁,必须直接“击爆”目标战斗部。
在这一前提下,为了更好的应对精确制导弹药的威胁,需要提高防空反导战斗部的命中精度和毁伤能力,发展高比动能毁伤技术。其核心思想是利用爆轰载荷使毁伤元发生打击面积缩小的变形,从而提高打击比动能和侵彻穿透威力,以提升侵彻能量,目前广泛应用的技术途径有爆炸成型弹丸(EFP)、多爆炸成型弹丸(MEFP)、线性爆炸成型弹丸(LEFP)等。
传统的EFP具有稳定飞行距离远、侵彻体形状规则、穿甲能力强和毁伤后效性好等优点,具备引燃/引爆15~30 mm甚至40 mm厚Q235A钢屏蔽H6炸药装药等效弹药靶标能力,近年来国内学者对EFP装药结构、药型罩材料及侵彻能力等方面展开了大量研究。药型罩锥角取值范围通常为130°~160°[15]。常用的药型罩材料有铜、纯铁、钽及钽合金等。Cardoso[16]提出了一种数值模拟方法,再现了EFP的形成条件和弹道性能,评估了药型罩材料、厚度、雷管数量和偏心距对模型的影响。李剑[17]利用LS-DYNA分析了不同参数对球缺型EFP成型性能的影响规律,为EFP优化设计提供了参考依据。池朋飞等[18]研究发现分离式壳体可以改善药型罩形成弹丸的形状,有效提高EFP侵彻威力。沈慧铭等[19]研究发现多点起爆方式可以显著提高EFP的侵彻能力。
然而传统EFP战斗部仍然存在表面积利用率低、EFP数量少等缺点,由此衍生出了多爆炸成型弹丸(MEFP),其特点是在装药爆炸后可以形成多个弹丸,能够有效提高进攻效率和毁伤密度。1950年,德国首先开始多聚能装药战斗部的研究,20世纪80年代美军开始对多爆炸成型弹丸战斗部进行研究。根据形成弹丸的不同方式,目前主要有组合式、网栅切割式、刻槽式等MEFP战斗部。
考虑到MEFP在引爆后形成多个EFP难以保证在点面交汇时的时空同步,严重影响了对来袭导弹的毁伤威力,于是又发展出了线性爆炸成型装药(LEFP)。LEFP本质上为异形EFP,装药被引爆后爆轰产物驱动药型罩翻转变形,形成有一定长度的线性爆炸成型侵彻体,将点面交汇变为线面交汇,具有速度高、质量大、分布密度高、毁伤面积大等特点。
3 采用高能炸药和含能破片是主要的增能趋势
随着现代战争的进一步发展,仅仅通过优化战斗部结构或是改变杀伤元形式已经不能满足防空反导对武器装备的毁伤效果和拦截来袭目标的要求,这就需要从提升战斗部总毁伤能量的角度出发来提高毁伤效应。目前主要技术途径有两个方面,一方面是通过利用以CL-20为代表的新型高能炸药提高装药能量,另一方面采用活性材料作为毁伤元,使毁伤元在动能的基础上再大幅增加化学能的作用。
3.1 战斗部炸药装药能量日益提升
含能材料是弹药完成终点毁伤的威力能源,极大程度上决定了弹药的毁伤效果,随着来袭目标和敌方装备防护能力的增强,对装药性能的要求也在日益提高,需要尽可能提高装药的能量密度,以保证毁伤元获得的能量足以使目标有效结构发生失效解体。自1863年首次合成梯恩梯(TNT)以来,含能材料在150多年间从早期的TNT发展到目前的RDX、HMX[28],新一代典型代表是全氮材料和金属氢等高能量密度材料,其单位体积化学能高达TNT的数十倍。
目前常见的含能材料主要是以—NO2为致爆基团的CHNO类硝基化合物[29],但这类炸药发展缓慢、爆轰能量提升幅度有限,最大能量只比HMX提高31%左右,一定程度限制了毁伤性能的提升,难以适应毁伤技术发展要求。
由于现有的CHNO类传统炸药发展已经到了瓶颈期,除了要在当前的研究基础上进一步挖掘其潜力以外,迫切需要发展和研究新一代高能量密度材料,一旦研制成功,则会在现代战争及武器装备领域带来惊人的性能提升。
3.2 毁伤元向含能化方向发展
活性毁伤元是一种富含化学潜能的新型毁伤元素,兼具穿甲、后效反应释能双重毁伤特性。20世纪70年代美国率先提出了活性破片的概念,不仅具有传统破片的动能杀伤效应,又有类似含能材料的爆炸释能特性,增加了整体的能量来源,美海军研究表明其威力半径可达普通破片的2倍,潜在的杀伤威力相比惰性破片可提高500%左右。目前常见的活性破片主要有金属/聚合物包覆型、金属-金属均相型、惰性表覆金属型[32]3大类。
金属/聚合物包覆型材料配方常用铝/聚四氟乙烯,撞击后产生大量能量和瞬态气态产物,能量最高可达到8.67 kJ/g,具有较好的扩孔、内爆等增强型毁伤效应,是目前应用和研究最广泛的一种活性破片。缺点是自身强度较弱,无法直接适应爆轰驱动,需要用金属包覆后使用。黄亨建等[33]研究表明该种活性破片毁伤性能明显强于钢破片,其化学能约为动能的12.4倍。
惰性表覆金属型破片一般与钢、钨合金爆炸复合,化学潜能主要来源于活性金属粉的燃烧,具有密度高、侵彻能力强等特点,这种类型的破片撞击产生热金属,形成火光和高温,且速度越高火光强度越大,具有较强的引燃效果。
4 针对实战化要求向注重动态毁伤威力和不敏感方向发展
考虑到实际战场环境下来袭目标往往具有一定的速度,而现有的战斗部毁伤性能研究多是在静爆试验条件下进行的,因此战斗部的动态毁伤威力设计也不容忽视,针对不同的来袭速度有不同的考虑因素:拦截慢速目标时(战斗机、巡航导弹等),通常采用聚焦技术,但对破片速度一致性要求很高,否则在实战中,由于目标移动带来的牵连速度影响难以达到连续切割的毁伤效果,在靶面的分布密度甚至可降低到静态条件的1/2[39]。
拦截TBM目标时,在弹目相向飞行条件下,相对速度达到4 000~7 000 m/s,为了保证破片动态飞散角度最大,需要精确控制破片速度和飞散角度。静态时破片前沿角度越小,速度越低,动态时破片飞散角度越大;静态时破片后沿角度越大(一定范围内)、速度越高,动态时破片飞散角度越大。因此,采用前端低速、后端高速和大飞散角设计有助于提高对高速TBM的拦截概率。
现代战场对防空反导的新要求除了需要提升武器装备的毁伤能量以提高战斗部的作战能力之外,随着多起安全事故的发生,安全性也逐渐受到各国军方和弹药研制部门的重视,这就涉及到对能量的合理控制研究。20世纪70年代,美国率先提出不敏感弹药(insensitive munitions,IM)概念。1984年,美国海军率先公布不敏感弹药政策,所有美国海军弹药都要求能将弹药对意外刺激的响应减到最小。1987年,英国国防部建议采纳美国不敏感弹药的基本原理。1989年,北约成立不敏感弹药信息中心(NIMIC),促进各成员国制定向IM完全转化的政策[40]。
不敏感弹药不但要确保满足武器的性能、战备和操作技术要求,而且当遭受意外刺激时,能将偶然引发的反应可能性和随之产生的对武器平台和人员的危害程度降低到最小程度。经过多年的摸索,国外关于不敏感弹药已经制定了一系列政策,2004年北约NIMIC改名弹药安全性信息分析中心,采用统一标准,STANAG4439要求所有装备部队的弹药必须经评估和试验才能服役。美2105为美国三军生产和采购武器装备的强制性标准,1995年后美国所有武器弹药的定型都必须通过安全性试验。法国将弹药按照危险性分为3个等级,分别为1星/2星/3星钝感炸药,装备在航母上的弹药,应尽量考虑3星钝感弹药。英国国防军械部要求,所有新研制弹药应满足STANAG4439所有要求,并在装备部队前对其进行严格的安全性验证。
国外不敏感战斗部技术研究[41]目前主要集中在含能材料、战斗部结构设计以及包装防护结构方面。含能材料是不敏感弹药的核心,炸药和装药设计的首要原则要保证炸药的低易损性能以及一定的威力性能,美国针对这一点主要发展了PBX塑料粘结炸药以及PAX系列等熔铸炸药两大类不敏感炸药。弹体结构设计是不敏感弹药的基础,分为主动缓解结构以及被动缓解结构。提高其不敏感性的主要技术途径有:采用排气结构;采用复合壳体结构,减小爆轰引起的强振动波;采用双装药结构,内部为高性能装药,外部为不敏感装药;预制应力集中槽。美国通过应用不敏感装药、壳体释压设计以及相应的防护层设计,成功提升了BLU系列战斗部的不敏感性,并且通过了相应的安全性试验考核。包装防护设计结构是对不敏感弹药安全的辅助保障,有效减弱冲击作用以及子弹撞击,提供冲击和弹道防护作用。法国新概念通用炸弹采用多种方式组合的不敏感结构设计来达到IM要求,如前/后排气装置、表面泡沸油漆、辅助装药等缓解技术。
经过几十年的发展,国外在不敏感弹药阶段已经取得了一定进展,继续朝着发展绿色、钝感的不敏感弹药的研制和技术方向发展,而国内起步晚,关于这方面的研究还稍显欠缺,到目前为止还没有严格意义上的不敏感弹药,也没有统一的试验方法和评估体系,因此在提高武器装备的安全性和可靠性方面还有很长的路要走。
5 结论
随着现代战争作战形式日新月异的变化,对武器装备和弹药性能的要求也越来越高,各国都在防空反导毁伤技术领域开展了许多研究,以提高自己在军事力量和武器储备上的竞争力。文中从控制能量输出结构、优化毁伤元类型、提升总毁伤能量以及不敏感战斗部等技术进行综合分析,提出未来防空反导毁伤技术在能量控制和提升方面的趋势和发展建议:
1)毁伤元空间分布规律控制越来越精细,轴向不断向聚焦甚至线列式方向发展,周向定向是未来发展重点;
2)针对TBM和制导炸弹等厚壁类目标,各种优化的具有大长径比、高比动能深侵彻能力的MEFP将成为一种重要的毁伤元多元化发展趋势;
3)利用新型高能炸药和采用含能破片使毁伤元含能化是防空反导毁伤技术增能和赋能的新热点;
4)基于实战化需求,弹目交汇条件下的动态毁伤威力日益受到关注,对不敏感性的要求也使防空反导战斗部向威力和安全并重方向发展。