偏心起爆定向戰斗部引戰系統設計的幾個問題*

付斯琴，姬聰生，姬軍鵬

(1.北京電子工程總體研究所，北京 100854；2.中國人民解放軍駐航天科工二院中心軍代室，北京 100854)

0 引言

防空導彈作戰目標種類的增多和性能的提高對防空導彈戰斗部的毀傷威力提出了更高的要求[1-5]，采用定向戰斗部已成為增強戰斗部威力的重要發展方向[6]。定向戰斗部是通過控制戰斗部破片的飛散方向，使破片在目標方向上的分布密度和速度有所提高[7-8]。當導彈與目標遭遇時，根據彈上設備探測的目標信息獲取目標方位，通過安全執行機構起爆相應的若干個相鄰的偏心起爆點，使定向戰斗部殺傷能量向目標方向集中，從而實現對目標的高效毀傷。

與基于常規中心起爆戰斗部的引戰系統相比，基于偏心起爆定向戰斗部的引戰系統設計中還需要重點考慮以下幾方面的問題：①目標方位識別；②戰斗部定向起爆方式設計；③安全執行機構體制選擇；④多點起爆同步性。

1 目標方位探測

在彈目高速交會條件下，快速準確地獲取目標方位是應用定向戰斗部的前提條件，探測的目標方位精度直接影響戰斗部毀傷效果。在工程應用中，可以利用專用設備和彈上信息獲取目標方位。

1.1 專用設備識別

彈目交會時，為了識別目標方位，彈上可以配備具有方位探測功能的設備，如波束定角引信或其他專門用于方位探測的設備?？紤]導彈小型化、低成本等因素，利用設備識別目標方位時彈上通常配備波束定角引信。波束定角引信采用側向探測，在垂直于彈軸的平面內天線波束覆蓋360°，每個天線在垂直于彈軸的平面內對應一定的探測方位范圍。彈目交會時，當某一個天線探測到目標，則可以認為目標位于該天線探測方位內，該方位即為引信探測到的目標方位[9-11]。

假設引信有3個側向天線，如圖1a)所示；如果天線A探測到目標，則目標方位φ取值如圖1b)所示；如果天線A與天線B同時探測到目標，則目標方位φ取值如圖1c)所示。彈目交會時，根據本方法一共可以識別出6個目標方位。

本方法通過引信天線的硬件方位識別目標方位，方法簡單且精度較高，在引信作用距離內，方位識別精度不受脫靶量大小的影響。通過本方法識別目標方位時，增加引信天線數量，從而縮小每個天線探測方位范圍，或采用復合引信，對復合引信測量信息疊加處理，可以提高識別目標方位的精度。

1.2 通用設備識別

當導彈沒有配備用于目標方位探測的專用設備時，也可以利用主動導引頭的測角信息和導彈姿態信息獲取目標方位。使用該方法可以實時計算目標方位，大脫靶情況下方位識別精度較高，但當脫靶量較小時，由于導引頭角偏差信號的起伏，目標方位識別精度較差。同時，未安裝導引頭的導彈系統也可借鑒該方法，依據雷達制導系統的目標視線信息和慣測系統的導彈姿態信息進行目標方位的確認，只是精度會有所下降。

2 戰斗部定向起爆方式設計

根據彈上目標方位識別精度，可以對戰斗部定向起爆方式進行設計。原則上戰斗部定向方位數量應不少于彈上能識別的目標方位數量，且為保證毀傷效果，識別的目標方位應盡可能位于戰斗部定向區中心。為了使戰斗部的定向區域瞄準目標方向，應同時起爆戰斗部位于目標方位相對一側的多個起爆點，通過爆轟能量的疊加形成目標方位方向的定向區。

假設定向戰斗部有m個偏心起爆點，在垂直于彈軸平面內距戰斗部中心一定距離沿周向均勻分布，編號分別為1，2，…，m。在垂直于彈軸平面內，戰斗部偏心起爆點與戰斗部中心的連線將導彈垂直于彈軸的平面劃分為m個象限，通過同時起爆相鄰的2個或3個起爆點可以實現2m個定向方位。

下面以六分位定向戰斗部為例，分析其定向起爆方式。假設戰斗部起爆點位置如圖2所示，同時起爆相鄰的2個或3個起爆點，可以實現12個定向方位，定向方位中心如圖3所示。通過舉例說明圖2和圖3的對應關系，若同時起爆①，② 2個起爆點，戰斗部實現的定向方位中心如圖3中⑧所示；若同時起爆①，②，③ 3個起爆點，戰斗部實現的定向方位中心如圖3中⑨所示。

圖1 無線電引信探測方位示意圖

圖2 戰斗部起爆點位置

圖3 戰斗部定向方位中心示意圖

3 安全執行機構體制選擇

與定向戰斗部配套使用的安全執行機構可以采用機電安全執行機構，也可以采用全電子安全執行機構。下面分別討論2種體制安全執行機構的區別和與定向戰斗部的配合方式。

3.1 2種體制安全執行機構的區別

機電安全執行機構是機電組合裝置，一般由保險機構、隔離機構、傳爆序列和起爆電路等部分組成，其中保險機構和隔離機構中有機械動作和火工動作，在使用過程中機械動作和火工動作均不可逆。機電安全執行機構起爆元件采用的是橋絲雷管?？紤]橋絲雷管的安全性，需要在主起爆雷管和導爆管之間設置機械隔斷，未解保狀態下，雷管應短路，起爆回路應斷開。

全電子安全執行機構采用電子安全與解除保險裝置和基于鈍感裝藥的沖擊片雷管，內部無機械運動結構和部件，通過換裝操作可以實現全功能測試。全電子安全執行機構采取電子安全邏輯控制技術和動態開關實現安全執行機構的安全控制，提高了環境信息識別和處理能力，且易于實現保險恢復功能。沖擊片雷管不含敏感藥劑，起爆條件非?？量?，沖擊片雷管橋箔與始發藥不直接接觸，具有很高的安全性，因此無需在雷管和導爆管之間設置機械隔斷，提高了傳爆序列的作用可靠性[12-14]。機電安全執行機構與全電子安全執行機構的作用機理比較見圖4。

機電安全執行機構成本低，技術比較成熟，但可靠性和安全性相對較低，對使用環境也有一定要求。全電子安全執行機構具有高檢測性、高安全性和高可靠性，能夠適應復雜電磁環境和嚴酷的力學環境，但成本相對較高。

3.2 與定向戰斗部的配合方式

根據安全執行機構體制的不同，戰斗部實現定向起爆的方法也不同。

采用機電安全執行機構時，必須與戰斗部爆炸邏輯網絡配合才能實現定向方位的選擇。定向機電安全執行機構的起爆元件根據功能可以分為主雷管和方位雷管2類，方位雷管的輸出能量用于實現戰斗部爆炸邏輯網絡傳爆路徑的選擇,主雷管的輸出能量用于通過方位雷管選好的傳爆路徑偏心起爆戰斗部的主裝藥。為了實現戰斗部殺傷能量在目標方位上的定向，需要在引爆安全執行機構主雷管的同時引爆方位雷管。為了保證安全性，需要將雷管進行機械隔離，但由于方位雷管數量較多，很難做到方位隔爆，通常僅將主雷管進行隔爆。

采用全電子安全執行機構時，不需要通過戰斗部爆炸邏輯網絡實現定向方位的選擇，沖擊片雷管可以直接與戰斗部起爆點對正，且一一對應。當戰斗部需要實現某一方位的定向時，則直接起爆全電子安全執行機構與該方位相對應的幾個方位雷管即可。

對比2種安全執行機構與戰斗部的配合方式，可以看出，采用定向機電安全執行機構時，需要多增加一路雷管用于起爆戰斗部主裝藥，且方位雷管很難進行隔爆，安全性有所降低，同時戰斗部還需要增加爆炸邏輯網絡，提高了戰斗部研制難度。全電子安全執行機構與定向戰斗部配合使用時具有一定優勢，隨著技術的發展和工程應用的增多，成本已大幅下降，將成為工程應用的主要方向。

4 多點起爆同步性

4.1 不同安全執行機構體制下起爆同步性指標分析

機電安全執行機構與戰斗部爆炸邏輯網絡配合時，起爆同步性指標包含引信輸出起爆信號的同步性、安全執行機構方位雷管的同步性和戰斗部爆炸邏輯網絡的同步性3部分。前2個原因導致的作用時間散布可以通過2種方式消除：一是選擇不同類型的主起爆雷管和方位起爆雷管。當主起爆雷管采用鈍感雷管，方位起爆雷管采用敏感雷管時，由于鈍感雷管比敏感雷管作用時間長，當主起爆雷管作用時，方位雷管已完成傳爆路徑的選擇；二是引信先輸出方位起爆信號，延遲一定時間確保方位雷管已完成作用，然后再輸出主起爆信號。通過合理設計，采用機電安全執行機構時，起爆同步性指標僅受戰斗部爆炸邏輯網絡同步性影響，爆炸邏輯網絡同步性較高，能達到幾十納秒量級。

采用全電子安全執行機構時，由于全電子安全執行機構方位雷管直接起爆戰斗部起爆點，因此起爆同步性指標由全電子安全執行機構內的電路輸出信號的同步性、起爆輸出電流的同步性和沖擊片雷管的同步性3部分組成。按目前工程實現情況，起爆同步性可以實現小于2 μs。

4.2 仿真分析

下面采用ANSYS仿真軟件LS-dyna進行仿真，分析多點起爆時起爆時間散布對戰斗部毀傷能力的影響。假設戰斗部為形成某一方位的定向，需同時起爆2個起爆點。仿真2點起爆時不同起爆延時對戰斗部沖擊波形態的影響，仿真結果如圖5～7所示。

根據仿真計算數據統計，得到定向方向上破片速度和破片密度，從而分析起爆能量損失情況和定向區偏轉角度，分析結果如表1所示。

通過仿真結果可知，戰斗部多點起爆時起爆點作用時間散布會影響戰斗部毀傷能力。實際工程應用中，采用機電安全執行機構與戰斗部爆炸邏輯網絡配合的方式，起爆同步性較高，對戰斗部毀傷能力影響較小。采用全電子安全執行機構直接起爆戰斗部起爆點的方式，起爆作用時間散布小于2 μs，造成的戰斗部能量損失控制在5%以內，能滿足引戰系統設計要求。

圖4 機電安全執行機構與全電子安全執行機構的作用機理比較

圖5 2個起爆點同時起爆時沖擊波形態

圖6 2個起爆點相差2 μs起爆時沖擊波形態

圖7 2個起爆點相差5 μs起爆時沖擊波形態

表1 仿真結果分析

通過以上分析可知，在進行基于偏心定向起爆戰斗部的引戰系統設計時，需關注多點起爆時的同步性指標，應盡量減小起爆點作用時間的散布，從而減少其造成的戰斗部能量損失。

5 結束語

本文結合偏心起爆定向戰斗部工程應用上的特點，指出了采用該體制戰斗部時引戰系統設計需要關注的4方面內容，提出了不同的技術途徑并分析其優缺點，可以為類似引戰系統的總體設計提供參考。在實際應用中，可以根據作戰環境、導彈特點選擇合適的技術途徑和方法，從而更好地發揮引戰系統的作戰效能。