彈道修正引信設計與發(fā)展趨勢分析

趙玉清，田 斌，謝增亮，李建強，盛 鵬

(豫西工業(yè)集團有限公司，河南南陽 473000)

導航與微電子技術(shù)的發(fā)展使GPS 接收機和數(shù)據(jù)傳輸設備小型化程度不斷提高，加固技術(shù)也使GPS 器件可承受高過載，以GPS 導航技術(shù)為基礎的彈道修正技術(shù)得到長足發(fā)展。美國裝有XM1156 精確制導組件是一種二維彈道修正引信，配裝M795 式155 mm 榴彈和M549A1 式155 mm 火箭增程榴彈［1］。一維修正引信對炮彈彈道的縱向修正;“二維修正”則是對炮彈彈道的縱向及橫向都進行修正，以達到所要攻擊的目標［2］。一維和二維修正引信均要依靠對GPS 和慣性測量數(shù)據(jù)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(xiàn)彈道修正效果［3］。彈道修正引信是以先進的信息技術(shù)對常規(guī)彈藥進行改造的產(chǎn)物，是一條低成本、高效益的炮兵彈藥精確化發(fā)展之路，對提高炮兵武器在未來戰(zhàn)爭中的適應性和作戰(zhàn)效能具有重要意義。只需少量的彈藥即能夠摧毀目標，且可將附帶毀傷降至最低［4］。

1 彈道修正引信與制導炮彈

常規(guī)炮彈精化之路主要有兩種，一種是為提高精度而專門設計的全新制導炮彈，另一種是由非制導炮彈通過加裝彈道修正組件得到的靈巧炮彈。其中，前者有很高的精度，但成本較高，典型代表是: 采用GPS/INS 制導的炮彈，如美國“神劍”精確制導炮彈和遠程對陸攻擊炮彈，圓概率誤差分別達到4 m 和5 m［5］。

目前，美、英、法、德、以、南非等國都正在研制基于彈道修正技術(shù)的彈道修正引信，可將現(xiàn)役常規(guī)炮彈轉(zhuǎn)化為“靈巧”炮彈，精度提高3 倍以上，但單價約為精確制導彈藥的三分之一左右。美國精確制導組件是目前在研發(fā)進度和技術(shù)水平上均居于領(lǐng)先地位的彈道修正引信。它的裝備與應用對于其他尋求普通炮彈精確化的國家有著重要的指引和參考作用。精確制導組件有如下重要優(yōu)勢［6］:

1)研發(fā)、采辦費用低，研制周期短，經(jīng)濟效益顯著。精確制導組件方案在研發(fā)成本與研制周期方面都有較為明顯的優(yōu)勢。從成本來看，彈道修正引信方案與其他項目相比也有著巨大的優(yōu)勢。精度高，性價比高。普通非制導炮彈安裝精確制導組件等彈道修正引信后，可以升級成制導彈藥，所需的炮彈量減少，節(jié)省了采辦經(jīng)費，減輕了后勤負擔。

2)實用性強，對庫存炮彈升級方便。精確制導組件可以旋入北約標準化引信室中。安裝后利用改進型便攜式感應炮兵引信裝定器對其進行裝定/編程，大約10 s 便可將所有任務必需的數(shù)據(jù)傳給精確制導組件［7］。

2 彈道修正引信發(fā)展現(xiàn)狀

彈道修正引信典型產(chǎn)品有美國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”、“斯帕西多”(SPACIDO)、德國“彈道修正引信”(TCF)以及瑞典的“布洛姆薩”等［8］。

2.1 法國斯帕西多彈道修正引信

法國“斯帕西多”是一種非GPS 方案，引信外形如圖1所示。發(fā)射時，火炮向目標點更遠的位置射擊，利用炮口測速雷達沿著射彈飛行軌跡測量射彈的速度變化。雷達解算出阻力減速板展開的最佳時機，并向射彈發(fā)送信號。彈丸在特定時機張開阻力片以減小速度和射擊距離，從而使彈丸落在預定區(qū)域［9］。如圖2 所示。

圖2 斯帕西多彈道修正引信原理

這種方法與基于GPS 的距離修正引信相比，精度較低但成本效益較好。斯帕西多地面站由引信裝定器、炮口初速測定雷達、彈道計算機和發(fā)射機組成。炮口初速測定雷達可以測距炮口5 000 m 的速度，彈道計算機進行彈道修正計算，發(fā)射機給引信發(fā)射修正指令，如圖3 所示。

圖3 斯帕西多地面站

引信有殺爆彈和子母彈兩個版本。配用于殺爆彈的修正引信具有修正和不修正可調(diào)、近炸、瞬發(fā)、延期和定時功能。引信利用FRAPPE 引信的部件，采用新一代射頻接收機、信號處理機、電池、安全和解除保險裝置和傳爆序列。如圖4 所示。

引信的關(guān)鍵技術(shù)問題是阻力機構(gòu)作用時間的確定、強度和性能驗證;天線安裝;電源;將阻力片機構(gòu)、天線、電源、電路集成到標準引信空間里; 引信與炮位通信［10］。如圖5所示。

2.2 美國155 mm 精確制導組件

155 mm 精確制導組件關(guān)鍵技術(shù)是抗高過載GPS 制導技術(shù)和固定鴨式舵氣動力控制技術(shù)。該項目分段實施、螺旋發(fā)展［11］。

圖4 斯帕西多引信結(jié)構(gòu)

圖5 斯帕西多引信

精確制導組件可通過連接螺紋旋入北約制式引信室中，僅需用其替換炮彈原裝普通引信即可。精確制導組件由炸高探測器、固定鴨式舵、GPS 天線和接收機、信號處理器、M762 安全與解除保險裝置以及傳爆管等部件構(gòu)成(由于成本和體積的限制，該組件中沒有集成慣性制導裝置)。如圖6 所示。配套設備:改進型便攜式感應炮兵引信裝定器和平臺集成組件等［12］。

安全與解除保險裝置由后座鎖塊、滑塊、滑塊鎖銷、活塞執(zhí)行機構(gòu)、離心塊、離心簧等組成。如圖7 所示［13］。平時，后座鎖塊和離心塊分別將滑塊鎖定在保險位置。如圖8所示。

發(fā)射時，后座鎖塊在后坐力作用下克服扭力簧抗力向下轉(zhuǎn)動釋放滑塊，解除一道保險，離心塊在離心力作用下克服離心簧抗力解除第二道保險，滑塊運動到解除保險位置。

離心保險機構(gòu)設計特點:沒有使用傳統(tǒng)的圓柱形離心子和柱形簧，而是用了離心塊和板簧，其優(yōu)點是減小了徑向空間。

后座保險機構(gòu)設計的特點是用后座鎖塊和扭力簧取代傳統(tǒng)的后座銷和柱形簧，其優(yōu)點是減小了軸向空間。

圖6 ATK 公司精確制導組件及其鴨式舵結(jié)構(gòu)

圖7 安全與解除保險裝置

圖8 安全與解除保險裝置保險狀態(tài)

精確制導組件采用小型貼片GPS 天線和GPS 接收機，反應靈敏，可迅速捕獲GPS 信號。經(jīng)加固封裝后，GPS 天線、接收機以及信號處理器中的電子器件能抗火炮發(fā)射時的高過載(約20 000 G)。信號處理器根據(jù)實時接收的GPS 信號對彈道進行解算，預測彈丸落點，然后將預測值與發(fā)射前通過裝定器輸入的目標位置進行對比，根據(jù)二者的偏差產(chǎn)生修正控制指令，并傳遞給固定鴨式舵［14］。

固定鴨式舵接收到控制指令，電磁感應線圈控制鴨式舵相對于彈體的滾轉(zhuǎn)速度和姿態(tài)。當鴨式舵穩(wěn)定地保持在某個滾轉(zhuǎn)姿態(tài)時，舵面產(chǎn)生的升力將為彈丸提供向特定方向轉(zhuǎn)向的修正力，因而能夠調(diào)整彈丸飛行軌跡，修正其射擊距離和方位，提高命中精度［15］。應用精確制導組件技術(shù)的XM395 式120 mm 制導迫擊炮彈已裝備美軍。

PGK 配用M795 式不敏感炮彈的設計方案: 去除了PBXN-9 傳爆藥以及位于PBXN -9 傳爆藥和IMX -104 傳爆藥之間的氈墊。共有兩級傳爆藥，即IMX -104 傳爆藥和PGK 底部的PBXN-5 傳爆藥。

2.3 多口徑彈道修正引信設計

美國發(fā)明專利US8513581B2I 提出了一種二維彈道修正引信組件設計，可用于不同口徑的彈丸。通常彈道修正引信組件利用其上安裝的鴨式舵產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力修正彈丸的運動方向和射程。但用于155 mm 口徑彈丸的鴨式舵，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力對于口徑較小的(比如105 mm)彈丸來說，會有些偏大。該發(fā)明提出的彈道修正引信組件，其鴨式舵的尺寸和形狀能夠調(diào)整，從而克服上述問題，滿足不同口徑彈丸的需求［16］。

如圖9 所示，在鴨式舵底部有一個銷釘26，為鴨式舵提供一個旋轉(zhuǎn)軸，其前方是鎖定機構(gòu)28。在鎖定機構(gòu)下方的引信殼體上，還有21、23 和25 三個槽。當鎖定機構(gòu)將鴨式舵鎖定在其中某個槽中時，則鴨式舵相應地處于20、22 及24三種不同姿態(tài)。鎖定機構(gòu)可以用推鎖系統(tǒng)實現(xiàn)［17］。

圖9 可以調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)角度的鴨式舵設計

2.4 BAE 系統(tǒng)公司阻力片專利

平板式氣動阻力片設計存在的一個重大問題是，當阻力片/彈翼展開后，會產(chǎn)生馬格努斯力，干擾彈丸的飛行和彈丸的減速動作。將阻力片的前表面設計成與彈丸軸線成一定夾角，則可以抵消或減弱阻力片展開期間及展開后的馬格努斯效應，從而消除或緩解馬格努斯力矩對彈丸飛行的干擾。阻力片前表面或前表面的一部分，其法線方向與彈丸軸線成一定夾角［18］，如圖10 所示。

圖10 專利中的一維彈道修正引信

阻力片的激活與張開動作可以通過機械、電子、化學方式或火工品觸發(fā)。在圖11 中，展開機構(gòu)10 控制阻力片的展開動作。阻力片3 上有一個孔11，其內(nèi)插入鎖緊銷。整套展開機構(gòu)中，僅需要一根鎖緊銷即可使所有阻力片保持收縮狀態(tài)。機械臂12 控制設有插入鎖緊銷11 的阻力片處于收縮狀態(tài)，并確保所有的阻力片同時展開。

氣動阻力片的展開時機可以根據(jù)目標的位置的彈丸的位置確定。阻力片可以在彈丸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向心力或彈簧的推力，或其他彈性元件的推力作用下張開［19］。

圖11 機械式阻力片展開機構(gòu)

3 彈道修正引信設計分析與發(fā)展趨勢

美國XM1156 精確制導組件成為第一個在大口徑榴彈上裝備的二維彈道修正引信。精確制導組件研發(fā)項目的成功，有如下經(jīng)驗值得我們學習與借鑒:

1)依托精確制導組件項目，逐步推進普通榴彈炮、迫擊炮炮彈的制導化改造［20］。通過PGK I、PGK II 和PGK III 3個階段的螺旋式發(fā)展，精確制導組件能夠?qū)崿F(xiàn)的打擊精度逐步提高，配用彈種和裝備的平臺不斷拓展。除精確制導組件項目本身以外，美國正在圍繞該技術(shù)實施多項裝備計劃，如美國陸軍XM395 精確制導迫擊炮彈項目以及海軍陸戰(zhàn)隊120 mm 精確增程迫擊炮彈(PERM)研發(fā)項目等，均以精確制導組件技術(shù)為基礎。可以看出，美陸軍希望以精確制導組件項目為依托，全面推進普通榴彈炮、加農(nóng)炮和迫擊炮炮彈的制導化改造。

2)以通用化、模塊化多選擇引信為基礎，結(jié)合成熟GPS制導技術(shù)，在某一平臺上取得成功后，可迅速推廣應用到其他平臺，實現(xiàn)低成本戰(zhàn)略［21］。精確制導組件采用模塊化設計思路，以通用化程度很高的M782 炮兵多選擇引信為基礎研制，而且應用目前較為成熟GPS 制導技術(shù)，與激光半主動等其他制導技術(shù)相比，既能獲得較為理想的精度，又有顯著的價格優(yōu)勢。這一研制路線確保了精確制導組件的良好通用性和平臺適應能力［22］。

美國雷聲公司在發(fā)明專利US8513581B2I 中提出了一種可根據(jù)配用彈丸的口徑調(diào)整鴨式舵尺寸、形狀和偏角的二維彈道修正引信設計，從而避免因鴨式舵尺寸過大，或者偏轉(zhuǎn)角過大而提供過大的操控力，使得彈丸失速翻轉(zhuǎn)的可能性［23］。

歐洲BAE 公司博福斯分部為彈道修正引信阻力片設計申請了專利，通過將阻力片的前表面(即面向彈丸飛行方向的一面)設計成與彈丸軸線成一定夾角，則可以抵消或減弱阻力片展開期間及展開后的馬格努斯效應，從而消除或緩解馬格努斯力矩對彈丸飛行的干擾，因而可以彈道修正裝置的修正效果［24］。

彈道修正引信的發(fā)展方向是發(fā)展采用衛(wèi)星導航技術(shù)、鴨式舵和阻力片技術(shù)為支撐的二維彈道修正引信。

4 結(jié)束語

一維彈道修正引信可以借鑒“斯帕西多”(SPACIDO，即“采用多普勒測速儀提高精度的系統(tǒng)”)，結(jié)構(gòu)較為簡單，火控雷達和火控計算機協(xié)同工作，技術(shù)成熟，故設計難度不是很大［25］。

二維彈道修正引信可以借鑒美國XM1156 精確制導組件(Precision Guidance Kit，PGK)，立足于軍事科技發(fā)展實際，側(cè)重于“北斗”導航、慣性導航、空氣阻力技術(shù)。總之，彈道修正引信成本較低，精度較高，符合彈藥發(fā)展精確性和經(jīng)濟性要求，是常規(guī)彈藥發(fā)展的方向。

組織專家制定彈道修正引信設計規(guī)范，減少無序競爭，少走彎路，借鑒兩彈一星科研攻關(guān)組織管理經(jīng)驗，盡快縮短在常規(guī)彈藥制導化方面與國際先進水平的差距，為我軍打贏現(xiàn)代戰(zhàn)爭做出貢獻。

［1］北方科技信息研究所.2013年世界引信火工品技術(shù)發(fā)展分析［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，2014.

［2］Max PERRIN.Course Correction Fuzes Integration Technologies［C］//55th Annual Fuze Conference. Salt Lake City，UT-May 24-26，2011.

［3］舒延春.一維修正彈射擊校正方法［J］.四川兵工學報，2015(2):1-3.

［4］曹紅錦，常思江.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的彈道修正彈落點預測方法［J］.四川兵工學報，2015(1):17-20.

［5］袁新波，王朋飛.海拔高度對一維修正彈彈道特性的影響［J］.四川兵工學報，2014(11):34-36.

［6］余勃彪，嚴平.彈道修正彈藥現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)［J］.四川兵工學報，2011，32(4):37-39.

［7］黃義，汪德虎，由大德，等.一維增程修正彈對海上目標射擊誤差及射程擴展量研究［J］.彈箭與制導學報，2012(1):149-153.

［8］王中原，史金光.一維彈道修正彈氣動布局與修正能力研究［J］.南京理工大學學報，2008，32(3):333-336.

［9］Nashville.SPACIDO 1D Course Correction Fuze［C］//51st Annual Fuze Conference.May 22-24，2007 .

［10］王欣，岳明凱.彈道修正技術(shù)及其應用研究［J］.飛航導彈，2012(3):149-153.

［11］史金光，王中原，曾小兵，等.一維彈道修正彈氣動力計算方法和射程修正量分析［J］.火力與指揮控制，2010，35(7):80-83.

［12］于濤.二維修正彈的彈道特性研究［J］.南京理工大學學報，2010(3):18-19.

［13］UT.Fuzing’s Evolving Role in Smart Weapons［C］//55th Annual Fuze Conference Salt Lake City，May 24-26，2011

［14］陶陶，王海川.一維彈道修正彈阻力環(huán)修正控制算法研究［J］.指揮控制與仿真，2009，31(3):88-90.

［15］陳科山，馬寶華.迫彈一維彈道修正引信阻力器結(jié)構(gòu)的空氣阻力特性研究［J］. 北京理工大學學報，2004，24(6):477-480.

［16］王良明，錢明偉. 高原環(huán)境對高炮外彈道特性的影響［J］.彈道學報，2006，18(1):18-21.

［17］錢明偉，王良明，郭錫福.火炮武器射擊時的彈道特性研究［J］.彈道學報，2009，21(4):21-25.

［18］朱志軍，潘書山.雷諾數(shù)隨高度的變化對遠程彈箭射程的影響［J］.火力與指揮控制，2009，34(5):111-114.

［19］邱榮劍，陶杰武，王明亮.彈道修正彈綜述［J］.國防技術(shù)基礎，2009(8):45-48.

［20］虎曉偉.彈道修正技術(shù)反導應用［J］.火力與指揮控制，2004，29(5):41-43.

［21］Tom Hillstrom＆Paul Osborne.United Defense Course Correcting Fuze for the Projectile Guidance Kit Program［C］//NDIA.49thAnnual Fuze Conference April 5-7，2005.

［22］華菊仙.彈道修正引信:拓寬炮兵彈藥精確化之路［J］.現(xiàn)代軍事，2005(10):75-79.

［23］高敏，張強.彈道修正彈實際彈道探測技術(shù)綜述［J］.彈道學報，2003(1):91-96.

［24］趙金強，龍飛，孫航.彈道修正彈綜述［J］.制導與引信，2005(4):16-19.

［25］陳永新.德-瑞聯(lián)合研制227 毫米火箭彈彈道修正模塊［EB/OL］.［2005-01-18］.http: //army.news.