防空反導毀傷技術現狀與發展*

唐嬌姣，梁爭峰，陳元建

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

0 引言

戰略防御和國土防空是國家安全的重要保障，如何探測、攔截和毀傷來襲的飛機、導彈等空中目標，是這一保障的技術手段。而防空反導毀傷技術作為這些技術手段的最終目標，越來越受到各軍事強國的重視。破片毀傷技術發展了聚焦、定向、線列式、定向/聚焦復合、聚焦/大飛散角復合等新型戰斗部結構，離散桿毀傷技術涌現了旋轉離散桿、聚焦離散桿、線列式離散桿等戰斗部技術，毀傷元一方面向具有大長徑比、高比動能深侵徹能力方向發展，另一方面積極研發具有擴孔、引燃、內爆等增強毀傷效應的含能毀傷元。這些發展的技術本質均是對能量的提升、控制和高效利用，一方面通過毀傷元質量分配及排布結構、軸向飛散角、周向偏心起爆等控制能量的分配，另一方面通過采用撞擊條件下能夠發生反應而釋能的含能材料賦予毀傷元材料新的毀傷能量。因此，能量控制和提升將是防空反導毀傷技術發展的主要方向，文中從這兩方面著手綜述了國內外近年來防空反導毀傷技術的研究現狀和技術特點，并對未來該領域的發展趨勢進行了展望。

1 能量輸出結構控制向定向、聚焦和線列式方向發展

殺傷型戰斗部是目前完成防空反導任務的主要戰斗部形式，其主要的殺傷元是高速破片或桿條，同時伴有裝藥起爆后的沖擊波超壓作用。早期受制導、引戰等技術制約，多采用圓筒或腰鼓形大飛散角結構。圓筒形戰斗部飛散角為12°左右[1]，如美國響尾蛇1A型空空導彈戰斗部，其利用裝藥聚能效應切割作用形成破片，飛散角為10°～16°；典型的腰鼓形戰斗部如法國馬特拉R530導彈T-110戰斗部，飛散角為25°[2]。這類戰斗部優點為軸向殺傷范圍廣，有利于引戰配合，但其缺點也十分明顯，穿孔密度低，間距大，應力集中效應難以耦合，對目標的結構毀傷威力有限。于是在此基礎上通過對能量輸出結構進行優化設計，發展出了聚焦式、線列式、定向式等多種通過提高能量利用率以實現高效毀傷效果的新型毀傷技術。

1.1 聚焦戰斗部

聚焦戰斗部[3]通過對炸藥裝藥外形進行對數螺旋聚焦曲線設計，控制殺傷元聚焦在一個很窄的聚焦帶內，可在目標上形成一個密集的穿孔、撕裂和應力集中“切割帶”，使得聚焦帶內毀傷能量面密度大幅度提高。目前已經發展了單束、雙束以及多束聚焦技術[4-5]，可以實現將90%以上破片匯聚在2°聚焦帶內，顯著提高了對目標的結構毀傷效應。

根據毀傷元的不同，聚焦戰斗部分為破片聚焦戰斗部以及離散桿聚焦戰斗部。學者們針對聚焦戰斗部曲線設計以及能量增益問題展開了相關研究，程淑杰[6]根據比沖量分布曲線采用了曲線裝藥結構，對毀傷元形成等爆轟場強作用，實現了戰斗部軸向能量增益，提高了毀傷元初速，為聚焦戰斗部的設計提供參考。丁方超等[7]研究了桿條排布以及桿條參數對聚焦桿條戰斗部毀傷效能的影響，為提高毀傷能量利用率提供參考。梁爭峰等[8]提出了高密度均布離散桿戰斗部，耦合集成了單根離散桿局部切割和匯聚帶整體切割的毀傷效應，使得聚焦帶內的桿條密度達到傳統離散桿戰斗部的8倍。

1.2 線列式戰斗部

聚焦戰斗部毀傷元在聚焦帶寬內為均勻分布，切割毀傷效果為“帶狀切割”，為了進一步提高對目標的結構切割毀傷效果，又發展了線列式戰斗部，其原理是通過合理的毀傷元排布結構設計，實現能量的規則線性分布，使得威力半徑處毀傷元穿孔呈線列式周期分布，可對目標實施“線切割式”結構毀傷，毀傷威力提高25%，能量增益60%以上。

梁爭峰等[9]提出了動態線列式破片戰斗部技術，在彈目動態交匯條件下使能量結構按照一定空間方位排布，對目標形成線列式穿孔，顯著提升了毀傷元的結構切割毀傷效應。阮喜軍等[10]發展了線列式離散桿戰斗部技術，利用LS-DYNA對線列式離散桿戰斗部模型進行仿真，初步驗證了作用原理及設計方法的正確性和可行性。

1.3 定向戰斗部

定向戰斗部是通過對炸藥裝藥實施控制起爆或定向轉動戰斗部，使戰斗部破片以更高速度朝著指定的目標方向集中飛散。其特點是炸藥能量利用率高，殺傷效率高，美國的“愛國者”PAC-3和俄羅斯的C300-B系列導彈均采用了定向戰斗部技術，“愛國者”改進后通過增大破片質量提高了戰斗部的打擊動能。目前研究最廣泛的是波形控制定向戰斗部，是今后防空反導戰斗部發展的主要研究方向。國內外多位學者對該種戰斗部的能量增益效應進行了研究。A. Resnyansky等[11]對偏心多線起爆條件下破片戰斗部的破片速度和密度分布進行了數值仿真，最終得出平面波起爆方式使得破片戰斗部殺傷效率最高。王樹山等[12]研究了偏心多點起爆戰斗部破片飛散規律。實驗結果表明定向方向破片初速和密度都達到最大值。武偉明[13]研究了偏心單點起爆定向戰斗部的破片密度增益情況，發現偏心起爆的增益量會隨著起爆點與軸心距離的增加而增加。

從上述戰斗部技術的發展可以看出，無論是對裝藥結構、毀傷元排列方式進行設計，還是對起爆方式進行優化，其出發點均立足于對能量的高效利用和能量結構的合理控制上，即在總的爆轟能量一定的情況下，最大限度的利用戰斗部結構形式的優化來使毀傷元獲得更高的毀傷能量和更佳的毀傷模式，以實現對目標的精準打擊和高效毀傷。

2 厚壁目標打擊需求催生了高比動能型毀傷元

隨著現代戰場的信息化發展，戰術彈道導彈(TBM)和航空炸彈等大壁厚作戰目標正在加速向制導化方向發展，TBM是一種高速機動目標，具有飛行速度快、突防能力強、摧毀難度大等特點，如美國的“陸軍戰術導彈系統”(ATACMS)等，能夠攜帶多種類型戰斗部[14]。精確制導炸彈具有精度高、成本低、投放距離遠等特點，使其成為了現代戰爭中的重要空襲武器。美軍在2003年伊拉克戰爭中使用精確制導彈藥的比例已高達68%。精確制導彈藥對國土防御的威脅日益嚴重，偏航和解體不能完全解除威脅，必須直接“擊爆”目標戰斗部。

在這一前提下，為了更好的應對精確制導彈藥的威脅，需要提高防空反導戰斗部的命中精度和毀傷能力，發展高比動能毀傷技術。其核心思想是利用爆轟載荷使毀傷元發生打擊面積縮小的變形，從而提高打擊比動能和侵徹穿透威力，以提升侵徹能量，目前廣泛應用的技術途徑有爆炸成型彈丸(EFP)、多爆炸成型彈丸(MEFP)、線性爆炸成型彈丸(LEFP)等。

傳統的EFP具有穩定飛行距離遠、侵徹體形狀規則、穿甲能力強和毀傷后效性好等優點，具備引燃/引爆15～30 mm甚至40 mm厚Q235A鋼屏蔽H6炸藥裝藥等效彈藥靶標能力，近年來國內學者對EFP裝藥結構、藥型罩材料及侵徹能力等方面展開了大量研究。藥型罩錐角取值范圍通常為130°～160°[15]。常用的藥型罩材料有銅、純鐵、鉭及鉭合金等。Cardoso[16]提出了一種數值模擬方法，再現了EFP的形成條件和彈道性能，評估了藥型罩材料、厚度、雷管數量和偏心距對模型的影響。李劍[17]利用LS-DYNA分析了不同參數對球缺型EFP成型性能的影響規律，為EFP優化設計提供了參考依據。池朋飛等[18]研究發現分離式殼體可以改善藥型罩形成彈丸的形狀，有效提高EFP侵徹威力。沈慧銘等[19]研究發現多點起爆方式可以顯著提高EFP的侵徹能力。

然而傳統EFP戰斗部仍然存在表面積利用率低、EFP數量少等缺點，由此衍生出了多爆炸成型彈丸(MEFP)，其特點是在裝藥爆炸后可以形成多個彈丸，能夠有效提高進攻效率和毀傷密度。1950年，德國首先開始多聚能裝藥戰斗部的研究，20世紀80年代美軍開始對多爆炸成型彈丸戰斗部進行研究。根據形成彈丸的不同方式，目前主要有組合式、網柵切割式、刻槽式等MEFP戰斗部。

考慮到MEFP在引爆后形成多個EFP難以保證在點面交匯時的時空同步，嚴重影響了對來襲導彈的毀傷威力，于是又發展出了線性爆炸成型裝藥(LEFP)。LEFP本質上為異形EFP，裝藥被引爆后爆轟產物驅動藥型罩翻轉變形，形成有一定長度的線性爆炸成型侵徹體，將點面交匯變為線面交匯，具有速度高、質量大、分布密度高、毀傷面積大等特點。

Vilig等[20]對V型罩的裝藥結構進行了研究，根據試驗結果得到了侵深和藥型罩材料、罩錐角大小以及炸高之間的關系，并據此對線性成型裝藥進行了優化設計。Rondot和Rolc等[21-22]對V型裝藥的數值模擬也展開了研究。Seokbin Lim等[23]通過改變起爆方式進行了不同的線性成型裝藥試驗，并對不同裝藥尺寸的切割情況進行了試驗。

國內早期史云鵬[24]將LEFP藥型罩應用于MEFP戰斗部，可使其對鋼板的侵徹能力增加到25 mm。茍瑞君等[25]探討了試驗材料和手段對線性成型裝藥威力測試結果的影響，發現靶板尺寸和起爆方式都能夠影響其威力測試結果。杜忠華等[26]對多棱和單棱線性起爆方式下的藥型罩成型過程進行了數值模擬。發現多棱線性起爆方式下LEFP具有良好的外形和更強的侵徹威力，相較單棱的侵徹威力增益為5.2%。周濤等[27]對不同起爆方式下線性成型裝藥的爆炸威力進行了研究，發現起爆方式是影響線性成型裝藥起爆威力的主要因素，兩端同時起爆得到的EFP威力較大。

3 采用高能炸藥和含能破片是主要的增能趨勢

隨著現代戰爭的進一步發展，僅僅通過優化戰斗部結構或是改變殺傷元形式已經不能滿足防空反導對武器裝備的毀傷效果和攔截來襲目標的要求，這就需要從提升戰斗部總毀傷能量的角度出發來提高毀傷效應。目前主要技術途徑有兩個方面，一方面是通過利用以CL-20為代表的新型高能炸藥提高裝藥能量，另一方面采用活性材料作為毀傷元，使毀傷元在動能的基礎上再大幅增加化學能的作用。

3.1 戰斗部炸藥裝藥能量日益提升

含能材料是彈藥完成終點毀傷的威力能源，極大程度上決定了彈藥的毀傷效果，隨著來襲目標和敵方裝備防護能力的增強，對裝藥性能的要求也在日益提高，需要盡可能提高裝藥的能量密度，以保證毀傷元獲得的能量足以使目標有效結構發生失效解體。自1863年首次合成梯恩梯(TNT)以來，含能材料在150多年間從早期的TNT發展到目前的RDX、HMX[28]，新一代典型代表是全氮材料和金屬氫等高能量密度材料，其單位體積化學能高達TNT的數十倍。

目前常見的含能材料主要是以—NO2為致爆基團的CHNO類硝基化合物[29]，但這類炸藥發展緩慢、爆轟能量提升幅度有限，最大能量只比HMX提高31%左右，一定程度限制了毀傷性能的提升，難以適應毀傷技術發展要求。

由于現有的CHNO類傳統炸藥發展已經到了瓶頸期，除了要在當前的研究基礎上進一步挖掘其潛力以外，迫切需要發展和研究新一代高能量密度材料，一旦研制成功，則會在現代戰爭及武器裝備領域帶來驚人的性能提升。

3.2 毀傷元向含能化方向發展

活性毀傷元是一種富含化學潛能的新型毀傷元素，兼具穿甲、后效反應釋能雙重毀傷特性。20世紀70年代美國率先提出了活性破片的概念，不僅具有傳統破片的動能殺傷效應，又有類似含能材料的爆炸釋能特性，增加了整體的能量來源，美海軍研究表明其威力半徑可達普通破片的2倍，潛在的殺傷威力相比惰性破片可提高500%左右。目前常見的活性破片主要有金屬/聚合物包覆型、金屬-金屬均相型、惰性表覆金屬型[32]3大類。

金屬/聚合物包覆型材料配方常用鋁/聚四氟乙烯，撞擊后產生大量能量和瞬態氣態產物，能量最高可達到8.67 kJ/g，具有較好的擴孔、內爆等增強型毀傷效應，是目前應用和研究最廣泛的一種活性破片。缺點是自身強度較弱，無法直接適應爆轟驅動，需要用金屬包覆后使用。黃亨建等[33]研究表明該種活性破片毀傷性能明顯強于鋼破片，其化學能約為動能的12.4倍。

考慮到金屬/聚合物包覆型強度較弱，應用具有一定局限，又衍生出了金屬-金屬均相型全含能活性破片，該種活性破片為金屬元素間或金屬與類金屬元素間形成的化合物，典型的配方有Ni-Al、W-Al和Al-Ni-W等，利用撞擊后產生金屬間化合物來釋放能量，釋放的能量低于金屬/聚合物[34]，故內爆結構毀傷效應稍弱，但有著強度大、可直接使用的優點，具備二次擴孔、引燃、引爆等增強毀傷效應。陳元建等[35]研究發現當Al-Ni-W破片在1 176 m/s的速度下撞擊鋁板時釋放的化學能高達2.23 kJ/g。

惰性表覆金屬型破片一般與鋼、鎢合金爆炸復合，化學潛能主要來源于活性金屬粉的燃燒，具有密度高、侵徹能力強等特點，這種類型的破片撞擊產生熱金屬，形成火光和高溫，且速度越高火光強度越大，具有較強的引燃效果。

毀傷效應評估也是當前活性破片研究中很重要的一環，Richard[36]對活性破片戰斗部進行了導彈制導艙毀傷試驗，發現活性破片的毀傷威力相比傳統破片提高了500%。王海福等[37]提出了一種動態測量活性破片能量輸出特性的方法，結果表明，活性破片的能量釋放率與碰撞速度相關，當其碰撞速度為1 500 m/s時，所釋放的化學能約為動能的5倍，大大提高了毀傷能力。余慶波等[38]也提出了一種評估方法，并建立了相應的威力評價模型，研究發現同口徑活性破片戰斗威力半徑比鋼破片提高了2.8倍。

4 針對實戰化要求向注重動態毀傷威力和不敏感方向發展

考慮到實際戰場環境下來襲目標往往具有一定的速度，而現有的戰斗部毀傷性能研究多是在靜爆試驗條件下進行的，因此戰斗部的動態毀傷威力設計也不容忽視，針對不同的來襲速度有不同的考慮因素：攔截慢速目標時(戰斗機、巡航導彈等)，通常采用聚焦技術，但對破片速度一致性要求很高，否則在實戰中，由于目標移動帶來的牽連速度影響難以達到連續切割的毀傷效果，在靶面的分布密度甚至可降低到靜態條件的1/2[39]。

攔截TBM目標時，在彈目相向飛行條件下，相對速度達到4 000～7 000 m/s，為了保證破片動態飛散角度最大，需要精確控制破片速度和飛散角度。靜態時破片前沿角度越小，速度越低，動態時破片飛散角度越大；靜態時破片后沿角度越大(一定范圍內)、速度越高，動態時破片飛散角度越大。因此，采用前端低速、后端高速和大飛散角設計有助于提高對高速TBM的攔截概率。

現代戰場對防空反導的新要求除了需要提升武器裝備的毀傷能量以提高戰斗部的作戰能力之外，隨著多起安全事故的發生，安全性也逐漸受到各國軍方和彈藥研制部門的重視，這就涉及到對能量的合理控制研究。20世紀70年代，美國率先提出不敏感彈藥(insensitive munitions，IM)概念。1984年，美國海軍率先公布不敏感彈藥政策，所有美國海軍彈藥都要求能將彈藥對意外刺激的響應減到最小。1987年，英國國防部建議采納美國不敏感彈藥的基本原理。1989年，北約成立不敏感彈藥信息中心(NIMIC)，促進各成員國制定向IM完全轉化的政策[40]。

不敏感彈藥不但要確保滿足武器的性能、戰備和操作技術要求，而且當遭受意外刺激時，能將偶然引發的反應可能性和隨之產生的對武器平臺和人員的危害程度降低到最小程度。經過多年的摸索，國外關于不敏感彈藥已經制定了一系列政策，2004年北約NIMIC改名彈藥安全性信息分析中心，采用統一標準，STANAG4439要求所有裝備部隊的彈藥必須經評估和試驗才能服役。美2105為美國三軍生產和采購武器裝備的強制性標準，1995年后美國所有武器彈藥的定型都必須通過安全性試驗。法國將彈藥按照危險性分為3個等級，分別為1星/2星/3星鈍感炸藥，裝備在航母上的彈藥，應盡量考慮3星鈍感彈藥。英國國防軍械部要求，所有新研制彈藥應滿足STANAG4439所有要求，并在裝備部隊前對其進行嚴格的安全性驗證。

國外不敏感戰斗部技術研究[41]目前主要集中在含能材料、戰斗部結構設計以及包裝防護結構方面。含能材料是不敏感彈藥的核心，炸藥和裝藥設計的首要原則要保證炸藥的低易損性能以及一定的威力性能，美國針對這一點主要發展了PBX塑料粘結炸藥以及PAX系列等熔鑄炸藥兩大類不敏感炸藥。彈體結構設計是不敏感彈藥的基礎，分為主動緩解結構以及被動緩解結構。提高其不敏感性的主要技術途徑有：采用排氣結構；采用復合殼體結構，減小爆轟引起的強振動波；采用雙裝藥結構，內部為高性能裝藥，外部為不敏感裝藥；預制應力集中槽。美國通過應用不敏感裝藥、殼體釋壓設計以及相應的防護層設計，成功提升了BLU系列戰斗部的不敏感性，并且通過了相應的安全性試驗考核。包裝防護設計結構是對不敏感彈藥安全的輔助保障，有效減弱沖擊作用以及子彈撞擊，提供沖擊和彈道防護作用。法國新概念通用炸彈采用多種方式組合的不敏感結構設計來達到IM要求，如前/后排氣裝置、表面泡沸油漆、輔助裝藥等緩解技術。

經過幾十年的發展，國外在不敏感彈藥階段已經取得了一定進展，繼續朝著發展綠色、鈍感的不敏感彈藥的研制和技術方向發展，而國內起步晚，關于這方面的研究還稍顯欠缺，到目前為止還沒有嚴格意義上的不敏感彈藥，也沒有統一的試驗方法和評估體系，因此在提高武器裝備的安全性和可靠性方面還有很長的路要走。

5 結論

隨著現代戰爭作戰形式日新月異的變化，對武器裝備和彈藥性能的要求也越來越高，各國都在防空反導毀傷技術領域開展了許多研究，以提高自己在軍事力量和武器儲備上的競爭力。文中從控制能量輸出結構、優化毀傷元類型、提升總毀傷能量以及不敏感戰斗部等技術進行綜合分析，提出未來防空反導毀傷技術在能量控制和提升方面的趨勢和發展建議：

1)毀傷元空間分布規律控制越來越精細，軸向不斷向聚焦甚至線列式方向發展，周向定向是未來發展重點；

2)針對TBM和制導炸彈等厚壁類目標，各種優化的具有大長徑比、高比動能深侵徹能力的MEFP將成為一種重要的毀傷元多元化發展趨勢；

3)利用新型高能炸藥和采用含能破片使毀傷元含能化是防空反導毀傷技術增能和賦能的新熱點；

4)基于實戰化需求，彈目交匯條件下的動態毀傷威力日益受到關注，對不敏感性的要求也使防空反導戰斗部向威力和安全并重方向發展。