一種防空導彈用破片戰斗部技術

梁安定，鄭雄偉，孫興昀

(西安近代化學研究所，西安 710065)

0 引言

高科技戰爭形態的多樣化和復雜化發展，使得中近程防空導彈針對的目標日益增多且特性迥異[1-4]，其戰斗部必須實現同時兼顧對多種目標有效毀傷的目的。

目前，防空用殺傷戰斗部主要有破片、桿式和EFP戰斗部，其中破片戰斗部又以聚焦戰斗部和傳統飛散角戰斗部為主。傳統飛散角戰斗部的飛散角一般大于12°，飛散角內破片的分布密度較低，對目標的毀傷效應主要體現為多個獨立破片穿孔毀傷。聚焦戰斗部產生的聚焦帶內破片密度大幅提高，可在目標上形成一個密集穿孔組成的“切割帶”，能對目標實施“帶切割式”結構毀傷。李向榮等[5]研究了聚焦與傳統飛散角戰斗部的毀傷效果，認為聚焦戰斗部對典型空中目標具有切割性毀傷，比傳統飛散角戰斗部的結構毀傷作用強。宋浦等[6]研究了聚焦戰斗部對直升機的毀傷效果，認為聚焦戰斗部對直升機的局部毀傷效果相比傳統飛散角戰斗部明顯，但隨著距離等條件變化，也顯示出聚焦戰斗部毀傷效能的下降。李靜海[7]對聚焦和傳統飛散角戰斗部的特點進行了研究，總結了威力半徑和沖擊波復合效應等條件下兩種戰斗部的優缺點。以上研究均發現單一模式的破片戰斗部不能很好地同時應對多種目標。此外，對聚焦戰斗部設計也做過深入研究。張紹興等[8]研究得出聚焦戰斗部產生的破片在聚焦帶內，沿軸向兩邊破片密度小，中間破片密度大，破片分布不均勻的結論。梁爭峰和王寶成等[9-10]提出了一種線列式破片戰斗部方案，是聚焦戰斗部基礎上的優化改進，其破片殼體仍為聚焦特征曲線設計,但將外側的破片沿軸向每列破片質心連線與戰斗部軸線排布成特定夾角,使得戰斗部破片飛散呈現出周期線列式分布特點，能夠對目標造成線性應力集中形式的結構破壞。線列式戰斗部的破片分布相比聚焦戰斗部更為集中，破片分布帶極其狹窄，對引戰配合的要求極高。中近程防空彈目動態交匯的復雜條件下，導彈總體更希望實現一種具有“寬度”且破片均勻分布的聚焦帶，以提高攔截概率。

文中在對中近程防空導彈面對的目標分類分析基礎上，為實現同時兼顧飛機和導彈類目標毀傷目的，提出一種具有集成飛散和聚焦特性的破片戰斗部方案。為了實現破片均勻性分布，設計了一種點陣分布破片的戰斗部半預制破片殼體，使破片呈現交叉點陣分布。對戰斗部的地面靜爆試驗進行了方案可行性的驗證。

1 典型目標特性分析

根據中近程防空導彈對作戰需求的分析，應對的目標有：戰術空地導彈、巡航導彈、戰斗機、武裝直升機和察打一體無人機等。導彈類目標的顯著特點就是呈現細長型結構[11-13]。戰斗機、武裝直升機以及察打一體無人機等飛機類目標的體積較大，翼展和機身長度達到3 m以上，基本呈現長方體型的結構。通常飛機要害部位可分為乘員及保障系統(無人機無此系統)、燃油系統、推進系統、軍械系統、液壓系統、儀表板系統、電子設備系統、網絡系統、電傳系統、起落架系統、機翼系統和雷達系統[14-20]，各系統分散在機體不同部位。

飛機和導彈是具有很大不同點的兩大類目標。飛機類目標的體型大，要害艙段分散各處，對飛機的打擊不應集中在飛機的某一特定區域，而應盡可能地打擊飛機的不同部位，因此采用較大飛散角的破片戰斗部打擊是非常有效的。而導彈類目標體積相對飛機來說小很多，且直徑小，整體細長。防空導彈與來襲導彈的交匯條件復雜，往往防空導彈破片打擊到來襲導彈僅占圓周向分布的破片帶很小的角度，約占破片總數的10%[8]。而聚焦戰斗部能在較窄的破片帶內實現高的破片密度，將顯著增加打擊到來襲導彈上的破片數量，實現“帶切割式”效應，提升反導能力[4-5,10]。

2 戰斗部設計

2.1 總體思路

文獻[21]給出了瑞士AHEAD雙35 mm榴彈對付不同類目標的破片殺傷密度標準，標準詳見表1。

表1 AHEAD榴彈對不同類目標的破片殺傷密度標準

從表1可以看出，要對飛機類目標形成毀傷，破片密度需達到5～15枚/m2，對導彈類目標則需要20～45枚/m2。

為了同時對飛機和導彈兩類目標實現較好的打擊，既需要有一定的破片飛散角度，也需要破片具有較高的分布密度。綜合考慮需求并采用集成設計思想，提出了具有傳統飛散角和聚焦戰斗部結構特性的集成戰斗部設計方案，將戰斗部的破片殼體設計成采用前部大圓弧腰鼓形結構和后部聚焦曲線回轉結構的組合。

2.2 結構設計

集成飛散和聚焦特性的戰斗部結構上包含前蓋、中心管、擴爆藥柱、主裝藥、破片殼體、蒙皮和后蓋。戰斗部結構示意圖見圖1。

圖1 戰斗部結構示意圖

中心管伸入主裝藥當中，中心管內孔用于固定擴爆藥柱位置，擴爆藥柱位于破片殼體大圓弧腰鼓形結構中部偏后位置，圖1中L>l。對于破片殼體大圓弧腰鼓形結構的母線曲率，當確定好破片飛散角后，可以通過Shapiro 公式迭代計算得出母線微元偏轉方向[22]，然后擬合得到合適的母線曲率。而破片殼體聚焦曲線段的曲線參數，可采用等場強理論擬合得出[9]。大圓弧腰鼓形與聚焦曲線回轉結構交接處采用了平滑圓弧過渡，確保飛散與聚焦區結合處的破片分布無明顯的稀疏區。從破片對兩類目標的殺傷密度標準看，針對導彈類目標的聚焦區破片密度應為針對飛機類目標的飛散區的3～4倍，文中以4倍關系分析。對于飛機類目標來說，希望破片覆蓋至少2/3的主要艙段區域為佳，以3 m為典型尺寸考慮，破片分布要達到2 m寬度為宜。以6 m威力半徑考慮，破片的飛散角應達到18°。目前聚焦戰斗部的破片飛散角可做到3°左右，因此飛散區的破片飛散角可確定為15°。在戰斗部破片殼體各部分的破片大小基本一致的情況下，綜合考慮破片密度和飛散角因素，可以確定破片殼體大圓弧腰鼓形結構和后部聚焦曲線回轉結構的軸向尺寸比例應近似為5∶4。

戰斗部的破片殼體若利用機械加工規律性的半預制刻槽，可使得戰斗部的破片分布具有空間上的規律性[22]。為了解決破片均勻分布的技術難題，提出了一種點陣分布破片的戰斗部半預制破片殼體(以下簡稱為點陣戰斗部破片殼體)制作方案。借鑒了圓環疊加戰斗部破片殼體設計形式[23]，點陣戰斗部破片殼體整體外形為大圓弧腰鼓形和聚焦曲線回轉結構組合形狀，由多件等軸向長度的圓環同軸串聯后點焊連接形成。破片殼體的每一件圓環外壁均機械加工等數量圓周均布的凹槽，凹槽與破片殼體軸線成固定角度，該角度設計參考了線列式戰斗部設計[9]。沿破片殼體的軸向順序，奇數序號圓環中的一列凹槽沿一條線排列，偶數序號圓環中的一列凹槽沿一條線排列，且奇數和偶數序號圓環的凹槽錯位相間。點陣戰斗部破片殼體外觀示意圖見圖2。通過破片殼體結構上的凹槽錯位相間，可使得點陣戰斗部形成的破片具有規律性的點陣分布特性。

圖2 點陣戰斗部破片殼體外觀示意圖

圖3為線排布和點陣排布形式的破片分布對比圖。從上到下，奇數序號圓環的破片中間標示“×”符號，偶數序號圓環破片中間標示“+”符號。若破片殼體的奇數與偶數序號的圓環凹槽未錯位相間，是一條線排列，將形成明顯的線排布形式的破片分布，如圖3(a)；而圓環凹槽錯位相間，將形成圖3(b)的點陣排布形式的破片分布。

將圖3(a)和圖3(b)相比，明顯可以看出點陣戰斗部破片殼體偶數序號圓環的破片從線排布的“線”位置偏轉到兩列“線”的中間。與原“線”排布相比，破片的平面分布特性更為均勻，呈現出類似網絡節點狀的交叉點陣分布形態，而且破片形成的網絡節點相互之間間距呈現出較為均勻的周期規律性分布。

圖3 線排布和點陣排布形式的破片分布對比

2.3 威力設計

為了實現前部破片以大飛散角飛散，將起爆戰斗部用的擴爆藥柱設置在破片殼體大圓弧腰鼓形結構的中部偏后。大圓弧腰鼓形結構加上中部起爆形式能夠形成更大的破片飛散角，中部偏后起爆也有利于破片向前飛散，提高對前部區域的覆蓋范圍。爆轟波經過在大圓弧腰鼓形結構中后部裝藥中的穩定傳遞，到達聚焦曲線回轉結構內的裝藥時已經形成穩定向后傳播的波陣面，有利于聚焦區破片達到較高的聚焦率。

在主裝藥爆轟作用下，爆轟波掃掠破片殼體的大圓弧腰鼓形和聚焦曲線回轉組合結構可以形成較大飛散角加窄束聚焦帶組合的破片分布，前部破片以較大飛散角形式大面積分布，主要用以攻擊飛機等大體積目標，后部破片則形成密集分布的聚焦帶，對導彈等小直徑目標形成密集切割，對目標產生密集破片復合疊加效應的結構毀傷，達到擊毀導彈的目的。

考慮到單枚破片的打擊能力，參考已有防空反導戰斗部威力數據[6,10]，初步確定設計方案中破片初速為1 900～2 100 m/s，破片質量為2～4 g，這樣鋼材質的破片在6 m處可以穿透6 mm鋼板，可實現對飛機和導彈的有效打擊。考慮到提升戰斗部結構的緊湊性和破片殼體質量的比重，將采用高格尼系數的高能炸藥作為主裝藥，同時確保裝填比達到0.75～0.9。

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

為了驗證設計方案的可行性，設計了8 kg的集成飛散和聚焦特性的點陣戰斗部試驗樣機，并開展了地面靜爆試驗驗證其6 m半徑處的威力性能。集成飛散和聚焦特性的點陣戰斗部破片殼體大圓弧腰鼓形結構和后部聚焦曲線回轉結構包含的圓環數分別為16和13，長度分別為145 mm和117 mm，基本符合5∶4比例，圓環圓周均布的凹槽為48個。裝藥為某第二代高能炸藥，其格尼常數為2.95 km/s。擴爆藥柱位置的相關尺寸L∶l=5∶4。戰斗部的主要參數見表2。靶場由戰斗部、木質彈架和威力靶組成，威力靶為在距爆心6 m處布置的6 mm厚度Q235鋼靶板。靜爆試驗時戰斗部豎直放置，采用8#電雷管起爆戰斗部。靶場布局示意如圖4所示。

表2 戰斗部的主要參數

圖4 靶場布局示意圖

3.2 試驗結果

戰斗部靜爆試驗后的靶板照片見圖5，黃色為破片穿孔的涂漆。戰斗部破片在6 m半徑處的6 mm厚度Q235鋼靶板上達到100%的穿甲率。從靶板上看，戰斗部的破片同時形成了飛散和聚焦的破片分布，不管在飛散區還是聚焦區，破片的分布均呈現周期規律性的網絡節點狀的點陣分布，飛散與聚焦區過渡也未有明顯稀疏空檔。

圖5 戰斗部靜爆試驗后的靶板照片

3.3 結果分析

取靶板上中間幾列破片分布帶進行數據分析。圖6為圖5中紅線框中包含的破片的分布圖。黑色節點為破片位置，上部飛散區破片之間標示了破片間距，下部聚焦區破片進行了網格化劃分。

圖6 圖5中紅線框中破片的分布圖(單位:mm)

經過統計，飛散區破片縱向之間的間距96.4%分布在(269±70)mm之間，橫向之間的間距86.2%分布在(401±70)mm之間。統計數據證明破片之間的間距均勻性控制是很好的，呈現出點陣分布特性且無明顯稀疏區。對圖6中飛散區(約15°)的破片密度進行統計，破片密度達到11.0枚/m2。

對聚焦區破片進行了網格化劃分，可以看出以148 mm寬度劃分橫向網格，破片在4列當中呈現規律分布。分布數量統計見表3。破片按列分布呈現數量上的周期性，按行分析，破片在聚焦帶內的分布基本呈現均勻分布。聚焦區(約4.2°)內破片密度達到52.4枚/m2。對圖6中聚焦區中較為密集的330 mm(約3°)寬度內的破片進行統計，破片密度達到64.8枚/m2。由于聚焦區的劃分主要是依據靶板上的破片密集區人為確定的，因破片殼體上大圓弧腰鼓形與聚焦曲線回轉結構交接處的光滑過度，飛散區與聚焦區不易分辨，使得聚焦區內有大圓弧腰鼓形過渡區形成的破片，因此約4.2°的飛散角及其內統計的破片密度較理論值均偏大。

表3 聚焦區破片的網格化分布數量統計 單位：枚

靜爆試驗結果驗證了戰斗部設計方案的可行性，集成飛散和聚焦特性的點陣戰斗部可同時形成明顯的飛散和聚焦的破片分布。在破片飛散區，破片呈現了周期規律性的網格節點狀分布，破片密度達到11.0枚/m2，可對飛機類目標形成有效打擊。在破片聚焦區，破片分布均勻，不僅具有了較高的破片密集度，也使聚焦帶內破片分布均勻，滿足了導彈總體希望實現均勻分布的破片聚焦帶的目的。約3°的聚焦帶內破片密度達到64.8枚/m2，可對導彈類目標形成有效打擊。

4 結論

為同時應對飛機和導彈類目標，提出了集成飛散和聚焦特性的破片戰斗部技術方案，為實現破片分布的均勻和規律性控制，設計了點陣分布破片的戰斗部半預制破片殼體，對技術方案開展了試驗驗證。研究結論為：

1)試驗驗證了戰斗部方案實現飛散和聚焦破片集成分布的可行性，8 kg的戰斗部在6 m威力半徑處，飛散區和聚焦區的破片密度分別達到了11枚/m2和64.8枚/m2，能夠實現中近程防空導彈兼顧反飛機和反導的作戰任務。

2)試驗證明點陣分布破片的戰斗部半預制破片殼體能使戰斗部爆炸形成的破片呈現周期規律性的網絡節點狀的點陣分布，特別是實現了聚焦帶內破片的均勻分布。