小口徑防空高炮彈藥發展趨勢分析 *

羅文敏，齊圣輝，彭安，陶濤

（宜春先鋒軍工機械有限公司，江西 宜春 336000）

0 引言

歷次戰爭，空襲作戰從未間斷，且有愈演愈烈之勢。第二次世界大戰期間，空襲裝備主要為攜帶大量炸彈的螺旋槳戰斗機，飛行速度慢、飛行高度低；20 世紀60 年代～70 年代，噴氣式戰斗機攜帶激光制導炸彈、反輻射導彈各種類型的導彈進行臨空轟炸或者臨空打擊成為新型的空襲方式；80 年代～90 年代，美軍提出了空地一體化作戰理論，由機械化空襲體系向信息化空襲體系轉型，海灣戰爭開始大量使用精確制導彈藥，且在防區外投放數量明顯增多；90 年代至21 世紀初，精確制導彈藥、隱身戰斗機、巡航導彈等空襲手段占據了主要位置。21 世紀初至今，信息化、精確化、無人化已逐步成為現代戰爭的主要形式，新一代載人作戰飛機因價格昂貴、數量少，將主要用于爭奪制空權的戰斗，或在防空火力外指揮和控制無人空襲兵器作戰，空襲裝備主要為各種戰略或戰術無人機、無人蜂群巡航導彈、制導彈藥，這些裝備主要有空襲方向多變、雷達反射面積小、突防速度快、防護能力強且廣泛采用低空突防等多種特點［1］。小口徑防空高炮具有射速快、初速高、反應速度快、抗干擾能力強等優良特點，有效彌補了防空導彈殺傷近界目標能力不足的缺點，是低空和超低空防御的最有效武器，與防空導彈結合形成了階梯式的高效全面防空體系，成為野戰防空中不可或缺的重要手段，在歷次戰爭中立下了屢屢戰功。

在小口徑火炮系統已經規劃發展成型并大量服役的前提下，對火炮系統本質上的改進不大可能，只能通過增加功能（如彈炮結合改）及開展新型彈藥的研究以提高防空高炮系統綜合作戰效能，實現小口徑高炮武器系統壽命的延伸。

1 小口徑防空高炮彈藥發展趨勢分析

1.1 提高穿甲彈的高效復合毀傷能力

現代戰爭，巡航導彈、制導航彈等厚壁目標投放數量日益增多，對地面防空陣地或重要設施威脅越來越大，這類目標具有防護強、速度高、裝藥鈍感等特點，若使用傳統的殺傷榴彈或半穿甲彈，初速過低、飛行時間長且穿甲后效毀傷威力不足，很難及時有效對其完成有效毀傷，使用普通的純鎢合金脫殼穿甲彈能將彈丸速度提高，縮短反應時間，提高命中概率，但是穿甲后不具備后效，無法對導彈造成解體性毀傷，在末段時，導彈控制機構基本完成，依靠慣性飛行可以完成打擊，陣地受到的威脅還是存在。為解決這一難題，實現對制導航彈、巡航導彈等空襲目標的“擊中必摧毀”效果，各國爭相發展具備高效復合毀傷能力的穿甲彈。

高效復合毀傷穿甲彈作用原理為穿甲彈芯侵徹目標時，在其內逐漸解體成為破片群，產生一種“瀑布”效應，“瀑布”效應擴展為毀傷破片云，成一個延展的圓錐狀，圓錐的最終直徑遠遠大于其初始穿入點的直徑，形成的高能破片能實現超壓毀傷目標內部設備儀器、引爆制導彈藥戰斗部裝藥、引燃柴油箱等高效二次毀傷效果，實現對目標的“命中必摧毀”效果。國外近些年研制了多種高效復合毀傷穿甲彈，涵蓋了20，23，27，30，35 mm 等多種口徑。我國也在高效復合毀傷穿甲彈上做出了研究，成為高效攔截低空、超低空來襲巡航導彈、反艦導彈的主用彈藥。

彈芯外形方案設計及材料配方設計是實現穿甲彈高效復合毀傷能力的關鍵，目前復合毀傷型彈芯材料主要采用鎢合金加入含能元素、PELE 結構或鎢合金內腔嵌入含能材料等手段實現。王璐瑤等［2］研究了高強度、高密度鎢鋯鉿活性合金破片在沖擊加載下的化學能增強動能毀傷能力。張周然［3］研究了高熵合金高速撞擊下的含能特性，對發展高效毀傷含能結構和新型穿甲材料提供了參考。耿鐵強［4］以Ni-Al 含能結構材料為對象，研究了材料的微觀組織結構、反應行為和力學行為，揭示了燒結溫度、Cu 和W 等摻雜元素添加對Ni-Al 含能結構材料與性能的影響規律及作用機制。尚春明等［5］采用氧彈量熱法測定了Zr 基非晶合金箔帶在不同氧氣壓力下的燃燒熱，使用X 射線分析了燃燒產物的物相組成，并與TNT，PTFE/Al 含能材料的能量特性進行了對比。周敬轅等［6］采用數值模擬方法研究了分段式橫向增強效應彈丸（penetrator with enhanced lateral efficiency，PELE）對4 層金屬靶的侵徹效應，獲得了彈體侵徹速度和靶板厚度對彈體終點效應的影響。陳強等［7］利用LS-DYNA 數值仿真軟件構建了彈體與靶板的三維實體模型，通過改變彈體材料、結構，分析了對橫向增強效應彈丸（PELE）的侵徹能力和橫向效應的影響。圖1～3 為某口徑防空高效復合毀傷穿甲彈后效毀傷試驗效果。

圖1 高效復合毀傷穿甲彈對多層鋁板后效毀傷效果Fig.1 Aftereffect damage effect of high-efficiency composite damage armor piercing projectile on multilayer aluminum plate

圖2 高效復合毀傷穿甲彈對導彈戰斗部毀傷效果Fig.2 Damage effect of high-efficiency compound damage armor piercing projectile on missile warhead

圖3 高效復合毀傷穿甲彈對制0#柴油箱毀傷效果Fig.3 Damage effect of high-efficiency composite damage armor piercing bullet on 0 # diesel tank

1.2 發展近炸引信，提高彈藥的“臨機式”攔截毀傷能力

現代戰爭空襲方式呈現出突防速度高、突防方向多變的特點，空襲裝備涵蓋了巡航導彈、制導航彈、武裝直升機等大尺寸目標，也出現了小型、微型無人機蜂群等目標，近炸引信預制破片彈采取“臨機式”打擊方式，構建破片密集攔截“網式”區域，實現“區域拒止”式攔截，是應對來襲目標的有效手段。

引信是決定戰斗部能否準確實現作戰效果的“頭腦中樞”部分，傳統的引信大多采用了觸發引信或定距引信，通過對目標碰撞或裝訂固定參數實現對目標的攔截。防空作戰時，作戰環境復雜，機會經常稍縱即逝，要實現小口徑防空高炮戰斗部的“臨機式”打擊，需將引信的被動式作用方式轉換為主動式，控制炸點精確起爆，實現對空襲目標的精準有效攔截毀傷。

開發引信近炸性能，控制彈丸的精確炸點起爆，結合小口徑高炮的高速射特性及彈丸的飛行彈道特性，一次點射可在目標前方形成數萬枚高密度大空域攔截破片彈幕，多門火炮齊射可實現對陣地的區域拒止保護，能實現對各類空襲目標的高效攔截毀傷效果。

防空近炸引信主要發展方向為毫米波近炸引信、激光近炸引信、紅外近炸引信。其中，毫米波近炸引信普遍利用線性調頻連續波體制進行精準測距［8］，具有受氣象條件影響小、區分目標能力強、結構尺寸小、成本低、探測精度高的優良特點，與小口徑高炮彈藥的低成本、小型化要求吻合，是未來小口徑防空高炮彈藥近炸引信的主要發展方向。

實現毫米波近炸引信在小口徑高炮彈藥上應用的關鍵技術在于電子器件抗高過載技術、電子器件小型化技術、信息接收及快速處理技術、毫米波測距技術和抗干擾技術等。毫米波近炸引信干擾來源主要包含內部干擾、無源干擾、有源干擾［9］。圖4 為某近炸引信預制破片彈近炸試驗效果。

圖4 毫米波近炸引信靶前精確控制起爆瞬間Fig.4 Precise control of initiation moment in front of the target of millimeter wave proximity fuze

1.3 發展高效能預制破片戰斗部

戰斗部是決定彈丸毀傷威力的關鍵部件，提高預制破片戰斗部的高效毀傷能力有多種形式，主要通過優化戰斗部結構、采用含能毀傷元、采用高能炸藥等手段實現戰斗部威力最大化。

目前防空反導的破片戰斗部結構主要有聚焦、定向、線列式戰斗部，對該幾類戰斗部的研究較多［10-16］。含能材料是實現含能毀傷元的關鍵，國內目前研究的含能毀傷元材料主要有金屬/聚合物包覆型、金屬-金屬均相型、惰性表覆金屬型三大類。小口徑高炮彈藥的尺寸小，進行戰斗部設計時破片質量相比于防空導彈等彈藥較小，要實現小型化破片的含能后效是一個技術難題，需從提高破片速度、進一步加強破片材料含能毀傷研究等方面著手。高能炸藥是實現毀傷元能量的核心部分，防空反導戰斗部經常采用聚焦式打擊，小口徑高炮彈藥空間小，在采用聚焦或定向式戰斗部時往往需要減少裝藥量以保證破片數量和毀傷時的破片密度，破片毀傷元的速度由彈丸的飛行速度和炸藥的爆轟速度組成，為了在有限的少炸藥量前提下實現毀傷元的飛散速度，需盡量采用高能炸藥。目前國內外高能炸藥發展的前沿是以CL-20，DNTF 等第3 代含能材料為基礎的混合炸藥。

1.4 發展具備大穿深能力的彈種

裝備技術的發展催生了具備很強防護能力的戰術彈道導彈、航空炸彈、鉆地彈等作戰目標。應對這些厚壁目標對防空彈藥的比動能提出了更高的要求，小口徑高炮彈藥如何在口徑、發射藥能量有限的條件下提高著靶比動能或者其他方式增加穿深是未來研究的方向之一。

提高穿深能力可采用大長徑比的尾翼穩定脫殼穿甲彈、爆炸成型彈丸、多爆炸成型彈丸、線性爆炸成型彈丸等方案。

小口徑高炮彈藥空間小、尺寸小、過載大、轉速高，要在該平臺上采用爆炸成型戰斗部，實現對目標的大穿深，需要解決的關鍵技術主要有彈丸減旋技術、引信近炸技術、引戰配合技術。國外對小口徑破甲彈的研究起步較早，約為20 世紀80 年代，美國的M789 破甲殺傷彈配用于阿帕奇直升機30 mm航炮，于2001 年裝備使用。

1.5 發展小口徑制導炮彈

發展制導彈藥是從根本上解決高炮彈藥命中精度的核心與關鍵，能大幅度提高防空攔截效率。隨著小型化技術、材料技術、微電子技術的發展，實現小口徑制導彈藥已經成為可能。

小口徑彈藥制導結構主要由參數測量系統、信息處理系統和執行機構3 部分組成。參數測量系統主要包含衛星天線、MEMS（micro-electro-mechanical system）測量裝置等，信息處理系統主要包括集成了理論彈道模型、微機快速處理技術和解算模型的芯片等，執行機構主要包括舵片、電源等。

小口徑高炮制導彈要解決的關鍵技術主要有彈丸減旋技術、電子器件抗高過載技術、修正結構小型化技術及衛星快速定位技術。小口徑彈藥防空范圍一般在斜距離4 km 高度3 km 區域，飛行時間較短，衛星定位及快速定位解算需要一定時間，導致修正時間過短，對修正精度會產生較大影響，且小口徑炮彈一般都依靠慣性飛行，修正機構執行時產生空氣阻力會降低彈丸的速度、減小有效射程及反應時間，飛行到一定距離后，舵翼執行機構因彈丸速度下降過載力下降影響控制效果。因此，在開展修正改進時可考慮結合沖壓增程發動機加速，可實現與彈道修正機構的匹配性，且可以保證甚至擴大小口徑高炮的有效防空區域，實現高效費比對低空乃至中空目標的攔截，整體提升小口徑的作用，進一步提升武器系統作戰效能。同時，小口徑制導彈藥論證時需考慮效費比的前提，與常規彈藥進行效費比對比分析，盡量研究在低成本下的制導化改造。

國外對小口徑制導彈藥的研究不少，美國和德國正開展小口徑炮彈修正彈、激光末制導炮彈的研究，口徑包含25，30，35 mm。國外正在研究裝有直徑25 mm 脈沖修正埋頭彈，瑞典在20 世紀已經開展40 mm 口徑簡易制導的彈道修正彈（4P 彈）研制［17］。國內小口徑制導炮彈領域的研究報道還不多，從資料只了解到單兵35，40 mm 彈藥平臺正進行制導化改造，預計在低過載平臺完成制導組件小型化技術攻關后拓展到高過載的小口徑高炮彈藥平臺進行研究。

1.6 發展不敏感高安全性彈藥

實際作戰時，彈藥能否持續保障也是決定戰爭勝利與否的重要因素之一，兩次世界大戰期間，各國一味追求毀傷威力忽略了彈藥存儲、撞擊、爆炸時的不敏感性研究導致了很多安全事故。一戰時主裝藥腐蝕彈殼生成敏感苦味酸鐵導致經常發生爆炸事故，二戰時苦味酸鐵被敏感度低、工藝簡單的TNT 替代，但因其爆轟能量低被B 炸藥逐步取代，B 炸藥受到破片、金屬射流穿透、火焰高溫時容易發生爆轟［18］，1967 年Oriskany 航母甲板上因一枚空地火箭意外點火發射導致整個飛行甲板失火，使軍械庫的彈藥熱烘后發生爆炸；1969 年Enterprise 號航母、1981 年“Mititz”號航母因艦載彈藥遭遇外界刺激而發生爆炸事故，造成巨大人員身亡和財產損失；1982 年英國“謝菲爾德”號導彈驅逐艦被一枚飛魚導彈擊中，引發艦載彈藥殉爆而導致沉沒；2001 年俄羅斯的“庫爾斯克”號潛艇由于幾枚魚雷火災中爆轟而沉沒，108 名官兵全部遇難［19-21］。

戰場環境的變化對彈藥性能提出了更高要求，不僅要求彈藥遠射程、大威力、高精度要求，還要求彈藥在貯存、運輸、執勤、使用等全壽命周期內具有不敏感的特性，減少安全事故的發生，提高部隊持續戰斗力。美國在20 世紀70 年代就已經提出了不敏感彈藥概念。1984 年率先公布海軍不敏感彈藥政策，所有海軍彈藥都要求能將彈藥對外界刺激后的響應減到最小。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，促進各國制定向不敏感彈藥轉化的政策［22］。

不敏感彈藥研究目前主要集中在炸藥、戰斗部結構及防護包裝結構方面。炸藥是解決彈藥敏感度的關鍵。目前，不敏感炸藥主要有不敏感單質炸藥、不敏感澆注炸藥、不敏感熔鑄炸藥等。不敏感單質炸藥有唑類、嗪類不敏感炸藥［23］和離子鹽類不敏感炸藥［24-26］。不敏感澆注炸藥主要采用新型黏結劑、對炸藥進行包覆或重結晶、或在主體炸藥中加入高能鈍感單質炸藥等方法形成。不敏感熔鑄炸藥主要包含TNT 基改性熔鑄炸藥、DNAN 基熔鑄炸藥、新型熔鑄載體炸藥等。在結構設計方面，目前主要采用了機械刺激緩釋技術、熱刺激緩釋技術，在戰斗部或包裝上進行設計，以解決彈藥遭遇跌落、撞擊、破片擊中、火燒等外界刺激時引起的不安全性。

不敏感彈藥的應用對引信提出了更高的要求，要求引信能可靠起爆不敏感戰斗部同時還要求引信的裝藥與主裝藥鈍感程度相當。目前，國外已研制出多種不敏感傳爆藥，我國在不敏感傳爆藥方面也有比較大的進展［27-31］。與此同時，國內外對不敏感火工品（雷管等）、不敏感傳爆序列結構進行了多項研究［32-37］。

1.7 開發新概念彈藥

為進一步提高彈藥威力，近些年國內外提出了研制埋頭彈的想法，埋頭彈通過將彈丸嵌入裝藥藥筒中，將藥筒藥室擴大增加發射藥，增加裝藥密度使得彈丸速度獲得大幅度提高。同時，由于全彈長度短，且形狀規則，能大幅度簡化自動機的設計，騰出更多空間裝載彈藥，提高威力的同時減輕裝備的重量，保證了裝備的作戰快速反應、持續作戰能力。由于裝填及供彈方式較為簡化，埋頭炮還可進行無人式炮塔改進，實現無人化作戰。國內和國外均完成了小口徑埋頭炮武器系統及其彈藥的研制，有45 mm 和40 mm 2 種 口 徑。相 關 資 料 顯 示，40 mm 埋頭穿甲彈威力比普通40 mm 戰車炮發射的穿甲彈威力提升15%，是傳統30 mm 普通穿甲彈的3 倍，能摧毀目前所有步戰車。埋頭彈最大的技術難點在于兩級點火技術，該技術要求第1 次點燃傳火管中的速燃藥產生氣體壓力推動彈丸運動出藥筒，之后進行第2 次點火引燃藥筒中的發射藥推動彈丸擠進膛線，獲得旋轉速度和軸向速度，考慮到小口徑高炮的射速要求，速燃藥的時間和主裝藥的點燃時間差控制在非常微小的范圍內，對速燃藥設計、傳火管設計、裝藥設計提出了很高的要求。同時，為保證發射時彈丸中心與炮管軸線對齊，保證發射過程的安全性，要求彈丸在已裝發射藥的藥筒內固定位置準確，由于小口徑高炮彈藥裝藥均為非壓實裝藥，需要在保證發射藥氣體密封性、彈丸獲得火藥氣體能量盡量多的同時考慮彈丸的精準定位，實現起來難度較高。

電磁炮武器系統為近些年發展起來的新概念武器，其工作原理為利用高壓電流產生的洛倫茲力將彈丸發射出去，具有炮彈結構簡單、初速高、成本低、威力大、射程遠等優良特點。美國自20 世紀90年代已經開始研究電磁軌道炮及其彈藥，每年投入1 億多美元巨資，技術取得了很大進展，實驗指標已接近實戰要求，近些年正研制飛行速度2 500～4 000 m/s 的電磁炮，作為2020 年后陸軍主戰戰車武器的候選方案，用于低空近程反導。

電磁炮武器系統若要實現野戰防空作戰效能，需要解決能源系統小型化、導軌壽命、后勤補給保障問題。由于電磁炮采用高電壓環境下導軌式發射彈丸的形式，彈丸上集成了引信、戰斗部、尾翼穩定機構、導電感應結構等多種零部件，需著力解決零部件小型化、引信復雜電磁環境下兼容性、外彈道性能及著靶精度等問題，有一定的技術難度。

2 結束語

空襲目標、作戰環境的演變，國內外同類彈藥技術發展推動著小口徑防空高炮彈藥向提高穿甲彈高效復合毀傷效果、彈藥“臨機式”打擊能力、對厚壁目標侵徹能力、提高戰斗部高效毀傷能力、提高精確打擊能力、提高彈藥不敏感性、新能源火炮彈藥等方向發展，本文對多種類型的小口徑防空高炮彈藥進行了介紹，并對存在的關鍵技術和難點進行了分析，為小口徑高炮彈藥技術研究提供了參考，助力信息化作戰環境下新型小口徑高炮彈藥高效火力防空體系論證。