防空導彈反艦自適應起爆控制策略研究*

張嘉偉，王闖，劉少波

（北京電子工程總體研究所，北京 100854）

0 引言

防空導彈通常裝備近炸引信和破片式戰斗部，依靠戰斗部爆炸產生的殺傷物質和沖擊波毀傷目標［1］。裝備有破片戰斗部的防空導彈在打擊水面艦船目標時，與反艦導彈不同，不會侵徹到船體內部起爆，難以將大型艦船目標擊沉［2-3］。因此需要對艦船艦面上方部位進行打擊，毀傷甲板上方如艦橋上的各類雷達、駕駛艙等各部位，以及垂直發射裝置等，削弱敵方艦船的作戰、指揮能力［4-5］。但是，大型艦船目標體積龐大，并且艦面建筑結構復雜，導彈起爆時刻的選擇將對毀傷效果產生重要影響，因此需開展防空導彈反艦模式下的起爆控制策略研究。

部分軍事強國已經對防空導彈反艦作戰開展了研究，并取得了一些成果。美軍的“標準”-6 艦空導彈在進行技術升級后，獲得了對海打擊試驗的成功，目前對空中目標和水面艦船目標都具備打擊能力［6-7］。俄軍的“黃蜂”-M 艦空導彈在俄格海戰中擊中了格軍的導彈快艇，使其喪失了作戰能力［8］。由此可見，已有的成功案例可以證明防空導彈對海打擊可行且有效，我們也應對防空導彈反艦技術開展研究。

諸德放、馬登武和張真等人對爆破式和破片式戰斗部的反輻射導彈打擊地面固定雷達目標時的引戰配合方式做了研究，提出了根據不同交會狀態而采用不同起爆方式的引戰配合的方式，以及基于觸發起爆和2 類近炸起爆的起爆控制策略［9-13］。但是，地面雷達目標與水面大型艦船目標差異很大，一方面，地面雷達目標體積較小，可以將其天線饋源中心作為點目標進行研究，而大型艦船目標的體積較大，艦面建筑結構復雜，從不同的方向與其交會時，能夠毀傷的部位有所不同，不能將艦船當作點目標進行研究；另一方面，打擊地面目標時，導彈即使錯過目標，撞擊地面仍可能對雷達設備造成毀傷，但打擊海面目標時，如果導彈錯過艦船則很難再對艦船造成毀傷。

因此，本文提出防空導彈反艦自適應起爆控制策略研究。文章選取典型艦船目標，并分析其易損部位，建立自適應起爆控制模型，劃分毀傷等級，開展不同交會狀態下導彈起爆毀傷效果仿真分析，獲得了起爆條件設定準則，驗證了防空導彈反艦自適應起爆策略的有效性。

1 目標及易損部位選取

選取世界先進大型水面艦艇——“阿利·伯克”級驅逐艦作為典型艦船目標進行研究分析。該級驅逐艦是美國海軍現役最先進的主力導彈驅逐艦，也是世界各國建造或仿制數量最多的驅逐艦，適合作為典型大型水面艦艇目標進行研究［14］。其艦體模型及艦面主要易損部位如圖1 所示。

圖1 “阿利·伯克”級驅逐艦模型及易損部位Fig.1 “Arleigh Burke”class destroyer and its damageable parts

考慮到重量和重心問題，艦橋一般不會采用太厚的防護裝甲。前艦橋是艦上體積最大的建筑，分布有各類作戰指揮設施，包括駕駛艙、相控陣雷達及設備艙、照射雷達、桅桿及平面搜索雷達、密集陣近程防御武器；后艦橋上分布有2 臺照射雷達及密集陣近程防御武器［15］。對于垂直發射裝置，外部艙蓋如果受損，將會影響其導彈的正常發射。因此，艦面易損部位包括前艦橋、后艦橋及垂直發射裝置，防空導彈的毀傷能力能夠對這些部位造成毀傷。

2 引戰系統方案

防空導彈引戰系統由復合引信和大飛散角破片戰斗部組成，復合引信包括側向測距支路和觸發支路，如圖2 所示。

圖2 引戰系統組成示意圖Fig.2 Component of fuze-warhead system

在導彈與艦船交會過程中，側向測距支路分為上左、上右和下底3 個通道，覆蓋彈體一周360°方向，實時測量導彈側向距離信息。此外，當導彈從船首或船尾與艦船進行交會時，由于艦船與海面之間存在高度差，下底通道天線波束掃過艦船甲板時，距離輸出值會出現跳變，此時標志導彈探測到艦船目標，距離跳變是起爆控制的重要可用信息。觸發支路用于檢測導彈與目標是否發生碰撞，并在檢測到碰撞時，立即給出起爆信號引爆戰斗部。

大飛散角破片戰斗部通過起爆時產生的沖擊波、高速殺傷破片以及起爆后的彈體撞擊對目標進行毀傷。

3 自適應起爆控制策略

防空導彈反艦作戰中，起爆控制可利用的彈上信息主要包括：導彈的速度、姿態角、交會方位角（導彈速度在水平方向的投影與艦首方向的夾角，順時針為正）、側向測距支路實時測量的距離及跳變信息。綜合考慮以上可用信息，設定如下3 種起爆控制方式：

（1）觸發起爆

當引信觸發支路檢測到導彈與船體發生碰撞時，起爆戰斗部。

（2）距離起爆

側向測距支路三通道實時探測側向距離，當任何一個通道的距離輸出值達到起爆距離時，起爆戰斗部。

（3）延時后限起爆

以導彈側向測距支路下通道探測到距離跳變時為計時基準，根據導彈與艦船的交會方位角和彈體的速度、姿態角計算起爆延時后限，計時達到延時后限時，起爆戰斗部。

根據以上3 種起爆方式，設計如圖3 所示的防空導彈反艦自適應起爆控制策略。在自適應起爆控制策略的研究中，遵循如下原則：

圖3 自適應起爆控制策略流程圖Fig.3 Flow chart of adaptive detonation strategy

（1）瞄準點設定原則

“阿利·伯克”級驅逐艦艦長153.7 m，艦寬20.4 m，艦體形狀為“細長形”［14］。所以當導彈從艦首或艦尾方向交會時，由于前艦橋體積大，高度高，導彈瞄準前艦橋的概率較大，此時將彈道的瞄準點設定在艦船前艦橋中心位置；而導彈從艦船側方向交會時，由于艦體長度較大，不同的瞄準點對起爆控制和毀傷部位影響較大，因此將彈道的瞄準點分別設定在艦船前、后艦橋中心位置。

（2）交會方位角設定原則

在水平方向上，導彈以不同的交會方位角與艦船交會，對起爆控制和毀傷效果會產生較大影響。當導彈從艦首或艦尾方向交會時，導彈與艦船發生碰撞的概率較大，并且可以通過延時后限控制起爆；導彈從艦船側方向交會時，可能會從艦面飛過無法與艦船碰撞。此外，交會方位角不同，能夠毀傷的艦面易損部位也會有所不同。在交會過程中，彈上設備能夠識別精度優于45°的交會方位角，因此將交會方位角以45°為間隔，劃分為不同象限，分別研究毀傷效果，并根據艦船的對稱性，只選取艦船的一側進行研究。

（3）彈道傾角設定原則

在鉛垂方向上，導彈以不同的彈道傾角與艦船交會時，戰斗部破片的動態飛散方向不同。當導彈以小角度平飛時，導彈的高度變化相對較小，導彈從艦船側方飛向艦船；當導彈以大角度俯沖時，導彈的高度變化比較大，導彈從艦船上方飛向艦船。這2 種姿態下的戰斗部破片動態飛散區對艦船各部位的命中及毀傷效果也會有所不同，因此按照這2種姿態對彈道傾角進行劃分。

（4）延時后限設定原則

由于前艦橋上分布有相控陣雷達以及駕駛艙等關鍵設施，因此延時后限設定為發生距離跳變時刻至導彈飛過前艦橋中心的時間，防止導彈飛過前艦橋仍未起爆。

（5）起爆距離設定原則

起爆距離設定原則包含2 點：第1 點是起爆距離的設定應盡可能地小。因為起爆距離越小，導彈起爆點距離艦船更近，破片命中數量更多，并且可以增加導彈觸發起爆的可能。第2 點是起爆距離的設定應盡可能適應不同的瞄準點和脫靶量。在脫靶量較小時，導彈與艦船發生碰撞概率較大，所以即使起爆距離增加，導彈在空中起爆后仍可依靠彈體撞擊對艦船造成毀傷；在脫靶量較大時，存在導彈不能與艦船發生碰撞的彈道，因此起爆距離的設定需要盡可能保證這類彈道的毀傷效果。

4 毀傷等級劃分

當導彈觸發起爆時，能夠依靠沖擊波、破片和導彈動能對艦船造成理想的毀傷效果，所以對近炸起爆時破片對艦船的毀傷效果劃分毀傷等級。基于現有毀傷研究成果，將破片對艦船易損部位的毀傷效果劃分為如下3 個等級：

1 級：當破片分布密度大于20 枚/m2時，能夠對打擊區域造成重度毀傷。

2 級：當破片分布密度為10～20 枚/m2時，能夠對打擊區域造成中度毀傷。

3 級：當破片分布密度為5～10 枚/m2時，能夠對打擊區域造成輕度毀傷。

當導彈發生觸發起爆，或導彈近炸起爆后的彈體部分繼續飛行與艦船相撞時，認為導彈能對碰撞部位造成比1 級毀傷更劇烈的毀傷效果。

5 仿真條件設定

（1）交會方位角設定

將導彈和艦船目標的交會方位角從艦首開始，以45°為間隔分為8 個象限，選取一側的5 個象限，每個象限內按15°為間隔選取3 個交會方位角的彈道，第Ⅰ，Ⅴ象限選取2 個方位的彈道，如圖4 所示。

圖4 交會方位角各象限劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of rendezvous orientation

（2）瞄準點設定

當導彈從第Ⅰ，Ⅴ象限與艦船交會時，瞄準點設定在艦船前艦橋中心位置；從第Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ象限與艦船交會時，瞄準點分別設定在艦船前、后艦橋中心位置。

（3）脫靶信息設定

脫靶量分別設定為5，7 和10 m。脫靶方位從30°至330°，以60°為間隔。

（4）彈道傾角設定

彈道傾角按照小角度平飛和大角度俯沖2 種姿態分為2 類，分別設定為-20°和-50°。

（5）速度信息設定

導彈速度大小設定為1 000 m/s，速度方向與彈軸重合。由于艦船航速與導彈飛行速度不在一個量級，故認為艦船目標在海面靜止。

6 仿真結果及分析

對所選取的典型彈道按照上述起爆控制策略及仿真設定進行計算，統計不同起爆距離下各典型彈道的起爆方式、破片總命中數量、有效破片命中數量、有效毀傷面積和有效破片密度。在統計結果時，以破片打擊區域的毀傷效果達到2 級毀傷作為有效毀傷的評判標準。

6.1 典型彈道起爆距離及毀傷效果分析

將典型彈道按照不同的瞄準點、脫靶量、交會象限和彈道傾角進行分組，通過仿真計算，對計算結果進行統計分析后，得到以下結論：

（1）起爆距離對毀傷效果的影響

以瞄準前艦橋中心，脫靶量7 m，第Ⅱ交會象限為例，在不同起爆距離下的毀傷效果如表1 所示。

由表1 可知，起爆距離越小，觸發起爆的概率越大，破片命中數量也越多。隨著起爆距離的增加，距離起爆的彈道數量在逐漸增加，平均總破片命中數、平均有效破片命中數量和平均有效破片密度均在逐漸減少。起爆距離的增加導致導彈的起爆點在彈道上與艦船的距離逐漸增加，使得破片命中數逐漸減少，破片分布也更加分散，所以有效破片密度在逐漸減少。

表1 瞄準前艦橋中心、脫靶量7 m、第Ⅱ象限彈道不同起爆距離的毀傷效果Table 1 Damage effect under different detonation distance

其他瞄準點與脫靶量情況下可以得到相同的結論，因此在選擇起爆距離時，應該在保證導彈達到起爆條件的基礎上，選取最小的起爆距離，以獲得理想的毀傷效果。

以瞄準前艦橋中心，交會方位角120°，彈道傾角-50°，脫靶方位150°，脫靶量為7 m 的彈道為例，在各自起爆距離分別為1 m 和3 m 時的毀傷效果如圖5，6 所示。圖中紅色區域為1 級毀傷區域，黃色區域為2 級毀傷區域，綠色區域為3 級毀傷區域，粉色圓圈為彈體碰撞點，黑色圓圈為破片命中位置，下同。

圖5 起爆距離1 m 時毀傷效果示意圖Fig.5 Damage effect when detonation distance is 1 meter

起爆距離1 m 時，導彈從艦船側方與艦船交會，起爆點位置位于前艦橋右前方，起爆方式為觸發起爆，彈體碰撞點位于相控陣雷達艙。破片共命中3 194枚，有效破片共2 965 枚，能夠對相控陣雷達艙、駕駛艙、前艦橋前部和前艦橋下部造成1 級毀傷。

起爆距離3 m 時，起爆方式為距離起爆，彈體碰撞點位于相控陣雷達艙。破片共命中1 621 枚，有效破片共1 387 枚，能夠對相控陣雷達艙、駕駛艙、前艦橋前部造成1 級毀傷。

圖6 起爆距離3 m 時毀傷效果示意圖Fig.6 Damage effect when detonation distance is 4 meters

（2）不同瞄準點、脫靶量起爆距離差異

按照上述起爆距離設定原則，對不同瞄準點和脫靶量的各組彈道設定起爆距離，起爆距離設定值如表2 所示。

由表2 可知：

表2 不同瞄準點、脫靶量的起爆距離Table 2 Detonation distance of each group of trajectory under different aiming point and miss distance

1）起爆距離隨脫靶量的增加而增加

在脫靶量5 m 時，導彈很大概率與艦船發生碰撞，設定較小的起爆距離也能保證導彈達到起爆條件。隨著脫靶量增加，需要增加起爆距離，防止導彈在與艦船交會時因距離較遠，達不到起爆條件而飛過目標。

以瞄準前艦橋中心，交會方位角90°，彈道傾角-20°，脫靶方位30°，脫靶量分別為5 m 和10 m 的彈道為例，在各自起爆距離分別為1 m 和3 m 時的毀傷效果如圖7，8 所示。

圖7 脫靶量5 m 時觸發起爆毀傷效果示意圖Fig.7 Damage effect of trigger initiation

脫靶量5 m 時，導彈從艦艇側方與艦艇交會，起爆點位置位于前艦橋上方，起爆方式為觸發起爆，彈體碰撞點位于照射雷達艙。破片共命中2 984枚，有效破片共2 667 枚，能夠對駕駛艙、照射雷達艙造成1 級毀傷。

圖8 脫靶量10 m 時距離起爆毀傷效果示意圖Fig.8 Damage effect of distance initiation

脫靶量10 m 時，導彈從艦艇側方與艦艇交會，起爆點位置位于前艦橋上方，起爆方式為距離起爆，無彈體碰撞點。破片共命中1 929 枚，有效破片共1 180 枚，能夠對桅桿、駕駛艙、照射雷達艙和前艦橋前部造成2 級及以上毀傷。

這2 種情況的起爆點位于前艦橋上部。脫靶量5 m 時，導彈撞擊在照射雷達艙發生觸發起爆，由于起爆位置周圍的阻擋，破片很集中，主要毀傷區域為照射雷達和駕駛艙；脫靶量10 m 時，導彈無彈體碰撞點，導彈起爆位置距離駕駛艙上方更高，破片散布更加廣泛，主要毀傷區域為桅桿、駕駛艙、照射雷達艙和前艦橋前部。

2）瞄準點在前艦橋的起爆距離比瞄準點在后艦橋時小

前艦橋體積較大并且上方立有桅桿，為一些從前艦橋上方飛過的彈道提供了起爆條件；后艦橋的體積小，高度低，當導彈從后艦橋上方飛過時，只能增加起爆距離保證導彈能夠起爆。

以瞄準后艦橋中心，交會方位角30°，彈道傾角-20°，脫靶量10 m，脫靶方位330°的彈道為例，在起爆距離7 m 時的毀傷效果如圖9 所示。

圖9 瞄準后艦橋毀傷效果示意圖Fig.9 Damage effect when aiming point is rear bridge

導彈從艦船斜后方與艦船交會，起爆方式為距離起爆，起爆點位置位于后艦橋上方，無彈體碰撞點。因為脫靶量較大，起爆距離7 m 時導彈才能達到起爆條件，破片能夠打擊的區域面積比較小，因此破片命中數量不多，主要集中于后艦橋的上表面，共命中714 枚，有效破片共453 枚，能夠對后艦橋造成1 級毀傷。

3）存在距離跳變的彈道，可以設定較小的起爆距離，增加導彈觸發起爆的數量，并配合延時后限起爆保證導彈不會錯過目標，例如表2 中瞄準前艦橋中心、脫靶量10 m、第Ⅰ象限的彈道，能夠有效提高毀傷效果。

以瞄準前艦橋中心，交會方位角165°，彈道傾角-20°，脫靶量10 m，脫靶方位330°的彈道為例，在起爆距離1 m 時的毀傷效果如圖10 所示。

圖10 延時后限起爆毀傷效果示意圖Fig.10 Damage effect of delay time initiation

導彈從艦船斜前方與艦船交會，起爆方式為延時后限起爆，起爆點位置位于駕駛艙上方，彈體碰撞點位于前艦橋后部。破片的主要打擊區域是相控陣雷達艙、駕駛艙的上方和照射雷達、桅桿的側方，破片共命中2 315 枚，有效破片共1 941 枚，能夠對相控陣雷達艙、駕駛艙、照射雷達艙、桅桿和前艦橋后部造成1 級毀傷。

6.2 自適應起爆距離設定

實際作戰過程中，導彈不能準確識別瞄準點和脫靶信息，只能識別交會象限和彈道傾角，所以起爆距離的設定不能按照瞄準點和脫靶量進行分組，而只能依據交會象限和彈道傾角進行分組。基于起爆距離設定原則，通過對各組彈道在不同起爆距離下的毀傷效果進行對比分析，制定了如表3 的自適應起爆距離設定值。

根據表3 中設定的起爆距離，脫靶量10 m 的各組彈道的毀傷效果如表4，5 所示。

由表4，5 可知：在當前設定起爆距離下，脫靶量10 m 的各組彈道的平均破片毀傷效果能夠對艦船造成至少2 級毀傷。對于脫靶量5 m 和7 m 的彈道，由于彈道距離艦船更近，并且導彈與艦船碰撞的概率更大，在當前起爆距離下仿真計算的結果表明，其毀傷效果優于脫靶量10 m 的彈道。因此，在導彈難以識別瞄準點及脫靶量的情況下，可以采用表3中的起爆距離，以獲得理想的毀傷效果。

表3 兼顧不同瞄準點、脫靶量的自適應起爆距離設定值Table 3 Detonation distance of trajectory combining different aiming point and miss distance

表4 瞄準點在前艦橋，脫靶量10 m，各組彈道起爆距離及毀傷效果Table 4 Detonation distance and damage effect when aiming point is front bridge and miss distance is 10 meters

表5 瞄準點在后艦橋，脫靶量10 m，各組彈道起爆距離及毀傷效果Table 5 Detonation distance and damage effect when aiming point is rear bridge and miss distance is 10 meters

7 結論

本文針對防空導彈打擊水面艦船目標時的工作特點，開展了防空導彈反艦起爆控制策略的研究。主要結論如下：

（1）提出了基于觸發起爆、距離起爆和延時后限起爆3 種起爆方式的自適應起爆控制策略。

（2）通過仿真計算，對起爆距離進行了研究，得出了起爆距離越小時毀傷效果越好、脫靶量越大時起爆距離越大、瞄準后艦橋時比瞄準前艦橋時起爆距離更大的結論，并設定了兼顧不同交會狀態的起爆距離。

（3）在設定的起爆距離下，仿真結果表明該策略能夠對艦船造成理想的毀傷效果。通過這一研究，可以為拓展防空導彈的反艦作戰能力，提高武器使用效率提供技術支持。