國外制導迫彈發展綜述*

張 意, 王 喬,陳勝政,康博翼,王天明,張 杰

(西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

0 引言

迫擊炮自20世紀初投入戰場以來,一直是支援和伴隨步兵作戰的一種有效壓制兵器。迫擊炮武器系統具有體積小、質量輕、機動性好、使用方便、反應迅速、射速快、火力猛、攻擊隱蔽性強、大曲射彈道等技術特點,主要用于伴隨和支援步兵作戰,打擊敵方有生力量、非裝甲軍用車輛、火力點等目標,執行對地火力支援、定點清除以及叢林反恐等作戰任務,尤其是在山地、丘陵等復雜地形條件下作戰,具有無可比擬的作戰優勢。因此,國內外軍事強國都十分重視迫擊炮及其彈藥的發展,迫擊炮也成為了世界上種類最多、裝備量最大、使用最廣泛的一類火炮武器系統。

從口徑上分析,全世界迫擊炮共有51 mm、60 mm、81 mm、82 mm、100 mm、105 mm、107 mm、120 mm、160 mm、240 mm等口徑系列。其中,又以120 mm迫擊炮應用最為廣泛,并且數量較大,主要的國家都在上百門以上[1],制導迫彈的裝備將大大提升這些迫擊炮系統的作戰能力,世界各軍事強國在制導迫彈領域研究非常活躍,裝備需求非常急切,市場應用前景廣闊。

1 制導迫彈發展歷程

1.1 冷戰時期

在冷戰時期,西方國家的作戰需求主要是對付前蘇聯的裝甲洪流。由于裝甲目標頂部防護弱,可以充分利用迫彈彈道彎曲的特點從頂部攻擊目標,因此在迫擊炮系統上,西歐國家致力于發展具備精確制導能力的反裝甲迫彈,以改變傳統迫彈精度差和戰術作用弱的缺點。這一時期的制導迫彈在彈道下半段進行自動尋的,可攻擊靜止目標或移動目標,具備發射后不管、頂攻的特點,裝有破甲戰斗部,主要應對坦克及裝甲車輛目標。這類制導迫彈典型的代表為瑞典的120 mm“斯特里克斯”紅外制導迫彈及英國的81 mm“莫林”毫米波制導迫彈。

圖1 “斯特里克斯”120 mm紅外制導迫彈

與北約國家不同,前蘇聯研制的制導迫彈采用殺爆戰斗部,具備對付多種目標的能力,采用中段慣性制導加末端激光半主動(SAL)制導方式,頂部攻擊目標。典型代表為“棱面”120 mm激光末制導迫彈,以及“勇敢者”240 mm激光半主動末制導迫彈,主要用于摧毀地面目標以及小型運動目標和靜止目標,如坦克裝甲車輛、火炮發射陣地和工事等,提高營級部隊的作戰能力。

圖2 “棱面”120 mm激光末制導迫彈

冷戰時期各國制導迫彈技術參數[2]如表1、表2所示。

表1 冷戰時期北約制導迫彈技術參數

表2 冷戰時期前蘇聯制導迫彈技術參數

冷戰時期研制的制導迫彈具有以下特點:

1)戰斗部:北約國家采用聚能破甲戰斗部,攻擊目標單一,主要是坦克和裝甲目標;而前蘇聯采用殺爆戰斗部,可攻擊多種目標。

2)制導體制:北約國家制導體制多樣化,主要為紅外圖像及毫米波制導,具備發射后不管的能力,命中概率約為60%;前蘇聯主要采用慣性+激光半主動方式制導,命中概率90%。

3)作戰使用:制導迫彈像常規迫彈一樣以無控方式飛過彈道頂點,在下降段進行制導。

4)口徑與射程:主要為120 mm口徑,前蘇聯將制導迫彈拓展運用至240 mm口徑;該階段射程相對較近,一般不超過10 km。

1.2 非對稱作戰時期

在海灣戰爭、伊拉克戰爭及阿富汗戰爭中越來越體現出日趨多樣化的戰斗形勢,需要研制可以打擊多類目標的精確打擊彈藥,因此北約開始借鑒前蘇聯的發展模式,制導迫彈戰斗部一般采用殺爆戰斗部,來打擊多類目標。

最初研制的專用制導迫彈為了提高射程在彈體上安裝有大翼面,用來提高滑翔能力,也可以保證彈道末端垂直,可以打擊掩體后的小型目標。美國和以色列合作研制的“匕首”120 mm制導迫彈前端除了安裝殺爆戰斗部,也安裝了GPS天線、導航計算機和彈出式舵面,射程可達8.5 km。類似的還有以色列的120 mm GPS+激光半主動雙模制導迫彈、“火球”120 mm激光衛星制導迫彈、德國GMM120 mm制導迫彈。但是這類專用制導迫彈造價高,一枚約在5萬美元以上[2]。美國為提高迫擊炮武器系統的精確打擊能力而研發的名為“精導迫彈”的120 mm激光制導迫彈,采用激光半主動制導,利用位于迫彈質心周圍的小型推力發動機調整彈道,保證迫彈精確打擊目標,單發造價2萬美元以上[2],遠超預算。

圖3 以色列“火球”120 mm制導迫彈

美國2008年停止發展采用激光半主動制導和脈沖發動機控制技術的120 mm“精導迫彈”(PGMM),轉而研制120 mm“緊急迫彈”(APMI)。APMI采用制式M934A1迫彈彈體,采用殺爆戰斗部,安裝手掌大小的迫彈制導組件(MGK)實現制導與控制,前端安裝固定式鴨舵,采用GPS制導體制,制導精度小于5 m,最大射程7 km,用來滿足阿富汗駐軍對復雜地形條件下低附帶毀傷精確打擊目標的作戰需求。類似的制式迫彈加精確制導組件(PGK)改裝的制導迫彈還有美國120 mm滾轉控制制導迫彈(RCGM)、西班牙120 mm制導迫彈(GMG)及美國81 mm滾轉控制制導迫彈(RCGM)。

圖4 美國120 mm“緊急迫彈”(APMI)

這一時期各國制導迫彈技術參數如表3和表4所示。

表3 非對稱作戰時期專用制導迫彈技術參數

表4 非對稱作戰時期修正制導迫彈技術參數

非對稱作戰時期研制的制導迫彈具有以下特點:

1)戰斗部:采用殺爆戰斗部,可攻擊掩體、輕型裝甲等多種目標。

2)制導體制:對制式迫彈加裝PGK組件完成制導化改造,采用GPS制導;專用制導迫彈采用GPS或激光半主動制導。

3)作戰使用:具備自主式制導能力,攻擊固定點目標。

4)成本:制式迫彈加裝制導組件進行制導化改造,并兼容120 mm、81 mm等口徑,可大批量的生產與裝備,使得這一時期制導迫彈成本大大降低。該階段專用制導迫彈由于無法解決低成本問題而未進行裝備,進行了相關技術的研究與大量的技術驗證。

1.3 現階段

盡管制導迫彈的裝備重點放在精確制導組件(PGK)上,但專用制導迫彈由于具有制導模式多樣化、射程遠、精度高的優勢,使其仍在繼續發展。2011年10月,美國開始研制120 mm制導增程迫彈(PERM),采用GPS衛星彈道測量、電動舵機修正控制、火箭發動機+滑翔的復合增程等手段,理論最大射程達到20 km。美國海軍戰爭中心在弗吉尼亞研制一種“先進性能增程迫擊炮”(ACERM),主要目的是提高現役81 mm迫擊炮的作戰能力,最近將射程提高到了21 km,這比傳統迫擊炮射程增加了200%,有效的提高了迫擊炮的火力打擊能力,采用全程GPS引導的炮彈以19.1 km和13.7 km的射程達到了10 m圓概率誤差的精度。為了節省空間,ACERM并沒有使用助推發動機來增程,而是給炮彈安裝了兩片固定的大展弦比彈翼,以提高全彈升阻比,通過滑翔來增加射程。

圖5 PERM精確增程迫擊炮彈

圖6 ACERM先進性能增程迫擊炮

現階段正在研制及未來各國將投入使用的制導迫彈將具備以下特點:

1)與現役裝備的常規迫彈及制導迫彈相比,射程得到極大的提升。通過安裝大翼面提高滑翔能力或加裝火箭發動機的方式增大射程,由原先10 km逐步增程到20 km。

2)在制導體制方面,從原先的衛星/慣性制導、激光或圖像末制導等單一制導體制,向衛星/慣性+激光半主動、圖像末制導等復合制導體制發展,制導精度可達1～2 m。

3)低成本化設計,進一步的降低成本,使其成為部隊真正用得起并大量裝備的精確制導彈藥。

通過對上面3個階段西方國家及前蘇聯和俄羅斯制導迫彈發展歷程分析,可以看到不同國家發展的技術路線不盡相同(詳見圖7),這主要是由于作戰需求、作戰對象的不同,同時由于迫擊炮裝備量大,制導彈藥的經濟可承受性方面也將影響著技術路線的走向,這也為我國后續自行研制和發展制導迫彈提供一定的借鑒。

圖7 西方國家及前蘇聯制導迫彈發展歷程

2 制導迫彈的典型特征對其制導化的機遇與挑戰

2.1 采用制式迫擊炮及裝藥發射

為了與常規迫彈兼容發射,制導迫彈一般采用制式迫擊炮及制式裝藥發射,對制導迫彈彈長、彈重、藥室容積等均有較強的約束。因此,制導迫彈發射具有與常規迫彈相同的過載較高特點,相比導彈、大口徑榴彈制導炮彈,其口徑小,因此對制導迫彈上的制導器件提出小型化、抗高過載的性能要求。制導炮彈、導彈及制導迫彈的發射環境如表5[3]。

表5 各類制導彈藥發射環境對比

采用迫擊炮發射,制導迫彈無控飛行段有較好的彈道一致性。美軍120 mm制式迫彈(無控)CEP為136 m,使用地面彈道計算機進行精確彈道計算后落點CEP精度可達到76 m,最高可到42 m[3]。采用衛星制導后CEP約為10 m,采用末制導技術后CEP可降低為1～2 m。

科學家研究發現，如果小學生連續20分鐘背著一個重量超過自身體重15%的書包，其脊椎就會萎縮6～8毫米，長期如此還會導致腰背疼、脊柱側彎，造成長得慢，縮得快的嚴重后果。因此，大家應該盡量選擇棉麻或帆布材質的書包。它們耐磨又輕巧，即使加上書本、文具等物品，整個書包的重量也容易控制在合理的范圍內。舉個例子，如果你的體重是20千克，那你的書包裝滿后的總重量最好低于3千克。同時，各位同學也應該養成每天整理書包的好習慣，把暫時用不上的書從書包里拿出去，以此減重，避免書包超負荷。

2.2 采用曲射彈道、全程靜穩定設計

迫擊炮射擊時一般采用大角度發射,角度范圍為45°～80°,迫彈上升段一般無控飛行,在彈道頂點過后或者在彈道末端才進行制導,屬于大拋物線曲射彈道。 由于制導迫彈發射后要像普通迫彈一樣進行無控飛行,靜穩定的氣動設計可以提高迫彈的穩定性,防止意外掉落,通過彈道最高點進入下降段后,制導組件或矢量發動機可對彈道進行修正。彈道修正彈正是利用飛行彈道的一致性,采用脈沖控制實現高精度控制,使其不僅具備攻擊點-面目標的能力,甚至具備攻擊點目標的能力,大大拓展了作戰能力[4]。

2.3 采用發動機+滑翔技術進行增程

目前制導迫彈在降低成本的同時也追求著更遠的射程,增大射程可以使制導迫彈具有更遠的火力控制能力。制導迫彈提高射程的主要方法有氣動減阻、安裝火箭發動機、滑翔增程及設計高能量大比沖發射裝藥等[5]。

滑翔增程技術是較為有效的一種彈箭增程技術[6],通過對彈道進行優化使彈藥以最大升阻比滑翔,可有效增大射程;通過在迫彈彈體前設計彈出式固定舵偏或斜置舵偏,對氣動外形參數進行優化,也可提高升阻比來提高制導迫彈的滑翔能力及穩定性[7];為制導迫彈安裝火箭發動機可進一步提高射程,美國120 mm制導增程迫彈(PERM)采用火箭發動機+滑翔的復合增程的方法將理論射程提高到20 km。

3 制導化應用重點解決的問題

3.1 小型化抗高過載測量技術

隨著電子器件小型化的發展,GPS技術成功應用到精確制導組件(PGK),并應用到M934式120 mm迫彈上,升級為迫彈制導組件(MGK),推動了制式迫彈制導化的進程,使得傳統制式迫彈制導精度由100 m以上精確到10 m以下,只需2～3發制導迫彈即可對目標實現精確打擊[8]。雖然GPS可全天候使用,但是也存在以下缺點:

1)無法攻擊移動目標;

2)與激光末制導技術可達到1 m左右的精度相比,制導精度較差;

3)GPS信號易受干擾。

慣性導航系統(INS)可完全實現自主測量,不與外界環境產生信息交互,因此抗干擾能力強,可測量迫彈三軸加速度信息和角速度信息,通過積分可得到速度、位置及姿態角信息。但INS必須精確知道載體的位置、姿態等初始信息,導航精度與器件精度有關,誤差會隨時間不斷積累。近年來飛速發展的MEMS技術, 不僅成本低、體積小,而且具有抗高過載的特點, 是解決抗高過載問題的一個途徑[6]。美國增程制導彈藥演示項目(ERGM)研制出MIMU/GPS制導部件體積為35～50 cm3,可抗6 000g過載,霍尼韋爾公司研制的HG1930型MIMU可承受15 500g發射過載[9]。目前制導彈藥MEMS的陀螺儀與加速度計精度達到1°/h和0.1 mg,抗過載能力達到20 000g[10],滿足制導迫彈后續發展的需求。

地磁匹配導航技術也是一種無源導航技術,隱蔽性強,高精度、低成本、小型化、高可靠性的地磁傳感器的出現推動了地磁匹配導航的應用。地磁傳感器通過測量磁場信息得到載體的點位置信息,具有全天候、抗干擾、隱蔽性好的特點,可修正INS的累積誤差。

為彌補單類型導航技術的不足,目前迫彈主要采用組合導航技術,出現了GPS+地磁、INS+地磁以及GPS+INS等測量方案[11-12]。組合導航仍是制導迫彈測量技術的發展方向,可進一步提升迫彈制導精度及抗干擾能力。

3.2 復合增程技術

發展復合增程技術需要不斷優化提升復合增程效率,重點突破抗大總沖、高過載固體火箭發動機設計,深入研究沖壓發動機、大升阻比氣動設計等新型增程方法[13];進一步完善高能量、低鈍感、低溫度系數裝藥設計,高能、長航時、噴管抗沖刷抗燒蝕及其熱防護設計;開展低阻力氣動布局優化設計,大升阻比氣動布局設計,次口徑設計及其彈托分離設計,同步開展基于最優升阻比的滑翔控制算法與策略研究等,實現制導迫彈射程大幅度增加。

3.3 精確制導與控制技術

制導迫彈高精度的制導控制主要有兩條技術途徑,一是采用精確制導控制組件(PGK)對制式迫彈進行改造的彈道修正技術,二是采用衛星中制導+捷聯末制導技術的復合制導控制技術。

為適應不同作戰任務的需求,可開展圖像制導體制、毫米波制導體制、紅外制導體制、衛星+圖像制導體制、衛星+激光制導體制等不同制導體制或多模復合制導體制研究。此外,還要進行不同制導體制或多模制導體制融合算法的研究,實現發射后不管、制導體制多樣化的系列化制導炮彈。

3.4 低成本抗高過載一體化制導控制組件技術

目前,制導迫彈需要在慣性測量組件、目標探測組件、制導控制解算組件等多個制導部件的配合下才能實現高精度打擊目標的任務。通過集成設計使得原本分立的單個制導部件有機的結合,形成一體化的制導控制組件,是后續提高產品可靠性、降低成本的一個有效手段,將在未來的制導迫彈上得到廣泛的應用。由此而形成的低成本抗高過載一體化制導控制組件,具備時序控制、彈體信息測量、目標信息探測及控制彈體響應等全部功能。

由于電子元器件的小型化、集成化發展,為迫彈的制導化提供了技術支持,制導部件小型化將使更小口徑的制導化迫彈成為可能,同時一體化設計能提高整個制導迫彈的可靠性,會帶動多模小型制導組件的發展,進一步提高制導迫彈的精度,并降低成本。

4 結束語

以作戰需求為導向,對國外制導迫彈發展歷程的3個階段進行了梳理與總結,提出了制導迫彈將向遠程化、多模制導化、高精度及低成本方向發展的趨勢。分析了制導迫彈的典型特征對其制導化的機遇與挑戰,并提出了未來制導迫彈發展中需要關注的測量技術、復合增程技術、精確制導技術與控制技術、低成本抗高過載一體化制導控制組件技術。