瞄准式战斗部杀伤装置结构设计研究

石志彬，高敏，杨锁昌，魏保华

(军械工程学院 四系，河北 石家庄050003)

0 引言

战术弹道导弹(TBM)飞行速度快、预警时间短、弹头防护层较厚，具有很强的抗毁伤能力。传统防空导弹战斗部由于破片利用率很低，单枚破片质量小，无法有效毁伤TBM.采用定向战斗部是提高防空导弹反TBM 能力的重要途径，它将杀伤元素向目标方向集中，能大幅提高杀伤半径和毁伤效果，根据结构特点和方向调整机构的不同，定向战斗部可分为偏心起爆式、成形定向式和机械转向式等多种形式［1］。

瞄准式战斗部是定向战斗部的一种，其破片位于圆柱形装药的前端面，并且战斗部安装在万向转台上，弹目交会时可实时转动以瞄准目标。在弹目遭遇阶段，该战斗部利用探测装置提供的目标信息，相对于导弹弹体在偏航和俯仰两个方向实时转动而瞄准目标，爆炸后其预制破片云沿瞄准方向以一定飞散角度高速前向飞散，实现远距离、大威力、高精度毁伤各种TBM.国内对瞄准式战斗部的研究还处于探索阶段，庄志洪等［2］曾对其引战能力进行过初步的分析。

瞄准式战斗部的杀伤装置主要包括破片组件、装药组件以及起爆系统等。破片初速、破片场密度等对目标毁伤效果具有决定性的影响，而这些参数由战斗部结构以及不同的起爆方式决定。本文旨在研究关键的结构参数，设计满足预期指标的杀伤装置。

1 杀伤装置参数设计

图1为瞄准式战斗部的结构，杀伤装置能随导引头在偏航和俯仰两个方位实现一定角度的转动(最大幅度可达80°).为使杀伤装置外形满足转动的空间要求，其长度不能太大，在充分考虑机构可实现性和战斗部威力的基础上，本文设圆柱形杀伤装置的长径比为2/3.

图1 瞄准式战斗部结构Fig.1 The structure of gimbaled warhead

瞄准式战斗部攻击TBM 时，导弹与目标之间的相对速度可达3 000 m/s 以上。瞄准式战斗部采用逆轨拦截方式进行攻击，在高弹目相对速度条件下，只要与目标撞击的破片有一定的质量(25 g 以上)，便可造成较大的毁伤［3］。因此，只需要破片出现在目标的“必经之路”上，不必要求破片本身具有太高的静态初速，预制破片静态初速参数可设计为≥1 500 m/s.

瞄准式战斗部起爆点在圆柱形装药底端面，爆炸时破片抛撒到一圆锥形空间，破片云呈圆形或椭圆形。破片束锥角是一个关键参数，采用小的锥角，由于破片场密度高，可更有效地毁伤目标，但要求导弹有更加精确的瞄准和起爆控制能力;大锥角虽然降低了对导弹系统的要求，但在较远距离上由于破片场密度低，容易使目标从破片缝隙中“溜走”，无法毁伤。所以，远距离起爆时需要较小锥角，近距离起爆时大锥角毁伤效果较好，战斗部设计时应有两种模式可供选择。

以“飞毛腿”弹道导弹为假想目标，其弹径2rTBM=0.88 m，以最严格的情况考虑，目标在破片云端面的投影为目标截面积。令单枚破片质量为45 g，并认定1 枚破片命中目标即能有效将其毁伤。则有效毁伤目标所需的破片场密度为

静态条件下战斗部起爆后，一定距离上破片的场密度为

式中:d 为起爆后破片的飞行距离;θ 为破片束的半锥角;n 为破片数;rs为静态起爆后圆形破片场的半径。

根据战斗部的实际尺寸，假设本战斗部可产生200 枚预制破片，破片场密度随距离的变化曲线如图2所示。

图2 破片场密度变化曲线Fig.2 The change about fragment-field density

由图中可以看出，当破片束锥角为5°时，破片场密度肯定满足毁伤要求，但此时对导弹探测与瞄准系统的要求极高;当锥角为10°时，破片场密度在71 m 的距离上仍可以满足杀伤需求;锥角为20°、30°、45°时，有效杀伤距离分别约为35 m、23 m、15 m.综合考虑，可将破片束锥角参数设计为10°、30°供选择。

2 预制破片静态初速设计

预制破片的静态初速主要与装药与破片质量比mc/mf以及战斗部的结构、形状有关，本文研究的战斗部为圆柱形，破片在圆柱前端面，起爆点在底端面，结构如图3所示，其中mf、mc、ms、ml分别为预制破片、战斗部装药、壳体以及底部盖板的质量。

图3 战斗部装药及破片结构Fig.3 Warhead charge and the fragments

对图3所示具有壳体和底部盖板的圆柱形战斗部而言，前向飞散预制破片的静态初速v0可用以下Gurney 公式［4］计算:

与TNT 相比，黑索今炸药(ρRDX≈1.816 g/cm3)的威力大、安定性好，而且来源广泛［5］，可优先选用;破片则可选用高密度钨合金材料(ρW≈14.5 g/cm3).当满足破片静态初速为1 500 m/s 时，利用(3)式计算得到战斗部装药与预制破片的质量比为mc/mf=0.862.

令战斗部装药和破片总质量为20 kg，则破片质量为9.253 kg，设每枚破片质量为45 g，则破片个数n=205.

3 破片束锥角控制

对于本瞄准式战斗部，主要有两种方式调整破片束锥角［6］。

一是采用底面中心起爆、多点起爆或平面起爆等不同的起爆方式，通过控制爆轰波形进行调整。如图4所示，中心起爆时，爆轰波在装药中呈球面传播，边沿破片偏离角度大，破片束锥角大。采用平面起爆时，爆轰波以近似平面的方式传播，破片束锥角很小。多点起爆情况介于上述两种情况之间。通过选择不同的起爆方式，可使破片束锥角在极大值和极小值之间调整。

图4 不同起爆方式对破片飞散角的影响Fig.4 Different initiation styles can influence the cone angle of fragment beam

二是采用平板式、内凹式或外凸式等不同的破片层形状，通过改变破片的受力角度调整飞散方向。图5所示为平板式和内凹式破片层对破片飞散方向的影响示意图，其中v'f为内凹型破片层边缘破片的飞散方向，可见破片束锥角减小。也就是说，内凹式结构会使破片束锥角减小，甚至会产生聚焦效果，外凸式结构会使破片更加发散，平板式结构的破片飞散角介于上述二者之间。

图5 不同破片层形状对飞散角的影响Fig.5 Different fragments structures can influence the cone angle of fragment beam

对于长径比L/D =2/3 的圆柱形战斗部而言，如采用平板式破片层结构，粗略估算可知，当底面中心起爆时，破片束锥角将大于30°，所以采用内凹式破片层结构更合理。因此设计的目标为:底面中心起爆方式下获得30°的锥角;底面多点同时起爆时获得10°锥角。

下面求在中心起爆方式下，获得30°锥角所需预制破片层的结构参数，主要是内凹式破片层的曲率半径。

假定采用平板式破片层结构，如图4(a)所示。起爆点设置在战斗部底端中心，起爆后，爆轰波呈球面传播，破片受到冲击力垂直于爆轰波阵面，可近似认为其速度方向垂直于爆轰波阵面。破片与战斗部轴线呈一定角度向前飞散，边沿破片的飞散角度θ是杀伤装置半径r 和战斗部装药深度H 的函数。不计壳体厚度时，根据图4(a)中的结构关系可以得到

对于该杀伤装置，可不计底部盖板的厚度，有

战斗部杀伤装置装药与破片层都是圆柱形，直径相等，根据其质量比有

联立(4)式～(6)式，可以计算出破片束的半锥角为

可见，如果使用平板式破片层结构，中心起爆时破片束锥角可达50.24° ＞30°，因此，需要采用内凹式破片层结构以将其减小为15°.设内凹式破片层的曲率半径为Rf，则根据战斗部的结构，应满足关系式

计算得到内凹式破片层曲率半径Rf≈5.691r.

多点同步起爆网络技术已经非常成熟［7］，为获得10°的破片束锥角，可在战斗部装药底部设置多点同步起爆网络，并根据起爆指令进行逻辑控制。图6为设计的双模起爆系统，它可以根据指令产生中心起爆和面12 点同步起爆两种输出。通过仿真和试验可以确定起爆点的位置参数，以获得相应的破片束锥角，起爆逻辑的设计及优化将另作研究。

4 破片场密度与动态存速的计算

图6 典型的起爆点阵列Fig.6 Representative initiation array

假设破片均匀分布，破片束锥角为φ，破片个数n=205，根据(2)式可计算出一定距离d 上的破片场密度变化情况如图7所示。由图中曲线可以看出，当锥角为30°时，在距离爆炸点23.2 m 处左右，破片场密度降为1.65 片/m2，适宜近距离攻击时使用;当锥角为10°时，在71.0 m 处左右破片场密度仍满足毁伤需求(1.65 片/m2)，适宜远距离攻击时采用。

图7 破片场密度随距离的变化曲线Fig.7 The change of fragment-field density along with the distance

破片在空气中高速飞行，空气阻力的作用不可忽略。战斗部破片的存速v 可利用以下公式计算［8］

式中:CD为破片阻力系数，取决于破片的形状及速度;ρ 为空气密度;mp为单枚破片质量(kg);d 为破片飞行距离(m)为破片的平均迎风面积(m2)，它与破片质量和形状有关，一般可表示为=K·m2p/3，其中K 为破片的形状系数(m2/kg2/3).

根据(9)式就可以得到某一初速下一定距离上的破片存速。以方形破片(质量45 g，假设其动态速度2 500 m/s)为例，战斗部作战高度为10 km(空气密度约为0.412 kg/m3)，通过相关数据表查询CD与K 的值，可得到其动态速度变化曲线如图8所示。

图8 破片存速随距离的变化曲线Fig.8 The change about residual velocity of fragment along with the distance

由曲线可以看出，当破片动态初速为2 500 m/s时，在距离爆炸点50 m 远处，方形破片的存速仍有约2 174 m/s，TBM 目标再入段的速度在3 000 m/s以上，二者合成后速度仍很高，可有效毁伤目标。

5 结论

在合理设计战斗部主要参数的基础上，实现了战斗部主要功能，通过计算仿真得到的结论如下:

1)装药与预制破片的质量比mc/mf=0.862时，可使破片达到预定的静态初速。

2)内凹式破片层曲率半径Rf≈5.691r 时，采用中心和底面多点两种起爆模式可获得预定破片束角度。

3)在静态爆炸条件下，破片束角度为10°时，在距离爆心71.0 m 处，破片场密度满足毁伤要求，适合较远距离攻击;破片束角度为30°时，破片场密度满足毁伤要求的最远距离为23.2 m，适合近距离攻击时采用。

References)

［1］ 卢芳云，李翔宇，林玉亮.战斗部结构与原理［M］.北京:科学出版社，2009:112 -120.LU Fang-yun，LI Xiang-yu，LIN Yu-liang.Structure and principle of warhead［M］.Beijing:Science Press，2009:112 -120.(in Chinese)

［2］ 庄志洪，王宏波，张清泰.一种反弹道导弹用瞄准战斗部的引战能力分析［J］.探测与控制学报，2002，24(3):1 -4.ZHUANG Zhi-hong，WANG Hong-bo，ZHANG Qing-tai.Ability analysis of gimbaled warhead in anti-tactical ballistic missile［J］.Journal of Detection ＆Control，2002，24(3):1 -4.(in Chinese)

［3］ 鲁卫红.TBM 弹头的毁伤概率计算［J］.弹箭与制导学报，2001，21(2):34 -38.LU Wei-hong.Calculating the probability with which the TBM warhead be killed［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missile and Guidance，2001，21(2):34 -38.(in Chinese)

［4］ Richard M L.Physics of direct hit and near miss warhead technology［M］.Alexander Bell Drive，Reston，Virginia:American Institute of Aeronautics and Astronautics，Inc.，2001:246 -252.

［5］ 杜仕国，杨建武，高俊国.火炸药学［M］.石家庄:军械工程学院，2001:125 -132.DU Shi-guo，YANG Jian-wu，GAO Jun-guo.Propellant and explosive［M］.Shijiazhuang:Ordnance Engineering College，2001:125 -132.(in Chinese)

［6］ Richard M L.Conventional warhead system physics and engineering design［M］.Virginia:American Institute of Aeronautics and Astronautics，Inc.，2001:193 -225.

［7］ 温玉全，焦清介.同步起爆网络精密压装装药技术研究［J］.兵工学报，2006，27(3):410 -413.WEN Yu-quan，JIAO Qing-jie.A study on the precision press loading technique of a synchronous multi-point explosive circult［J］.Acta Armamentarii，2006，27(3):410 - 413.(in Chinese)

［8］ 赵晓利，王军波.弹药学［M］.北京:解放军出版社，1998:94 -108.ZHAO Xiao-li，WANG Jun-bo.Ammunition［M］.Beijing:PLA Press，1998:94 -108.(in Chinese)