防空反导破片杀伤战斗部现状与发展

王宝成，袁宝慧

(1.海军驻西安导弹设备军事代表室，西安 710065;2.西安近代化学研究所，西安 710065)

早期的破片战斗部受导弹制导精度、引信技术以及战斗部自身技术的制约，多为大飞散角战斗部，战斗部装药爆轰后，破片飞散角较大，在威力半径处破片穿孔分布宽度较宽，破片密度较小，在目标上形成若干个间隙较大的独立穿孔，对目标的结构毁伤效应有限［1-3］;且战斗部破片以相同速度沿圆周360°均匀飞散，而目标仅处于很小的一个锥角范围内，因此装药能量和破片利用率较低。

随着制导和引战水平的日益发展，出现了聚焦破片战斗部技术，通过起爆波形和聚焦曲线设计，使破片在威力半径处聚集在非常窄的聚焦带内，在目标上形成一个破片密度非常高的密集穿孔带，对目标可产生“带切割式”结构毁伤［4-6］。为了进一步提高破片战斗部对目标的切割式结构毁伤效应，本文提出了一种动态线列式破片战斗部技术，通过对所有破片飞散方向的有效控制，使破片在威力半径处呈线列式分布，实现对目标的“线切割式”高效结构毁伤;同时提出定向破片战斗部技术，通过采用定向逻辑网络控制起爆，使更多的破片以更高的速度打击目标，提高战斗部毁伤威力;近年来，随着材料技术的快速发展，一类能够在穿靶后发生类似“爆炸”快速反应的活性材料不断涌现，推动了战斗部破片向含能化方向发展。

本文通过对防空反导破片杀伤战斗部发展历史的回顾、技术的现状和未来发展趋势的总结和分析，得出其高能量利用率、高密度和破片含能化的发展趋势，可为今后防空反导破片杀伤战斗部技术研究和型号研制提供参考。

1 装药能量利用率不断提高，定向技术蓬勃发展

最早开展的定向破片技术研究可追溯到德国V2火箭采用的“车头灯”式破片定向抛射战斗部［7］。自20世纪60年代起，随着制导和引战技术的发展，定向战斗部技术研究和型号研制开始蓬勃发展。目前，国外军事强国已研制并装备了多个定向战斗部型号产品，典型代表为:美国爱国者PAC-3最新改进型导弹战斗部、美国先进中距离空空导弹AIM-120战斗部、俄罗斯S-300V和S-400V防空导弹战斗部、以色列“怪蛇”防空导弹战斗部等。

根据国内外研究状况和专利报道［8-15］，定向战斗部主要有以下几种:波形控制定向战斗部、爆炸变形定向战斗部、可控旋转定向战斗部和破片内置定向战斗部。波形控制定向战斗部利用爆炸逻辑网络实现偏心起爆，使更多破片以更高速度飞向目标区域;可变形定向战斗部通过辅助装药(亦称变形装药)爆炸使壳体和主装药发生变形，使目标方向上的破片密度和初速显著提高;可控旋转定向战斗部仅在战斗部一定扇形区域内排布破片，由机械装置控制将破片区域转向目标，提高破片和炸药能量利用率;破片内置定向战斗部将破片放在中心而将装药放外围，其优点是破片利用率高，但带来的缺点是破片初速将大大降低。

波形控制定向战斗部由于易于实现，是目前研究最为活跃的定向战斗部，是近期防空反导战斗部发展的主方向。A.Resnyansky等［16］用数值模拟方法研究了偏心多线起爆条件下破片战斗部的破片速度和密度分布，并尝试用起爆方式的改变来提高战斗部杀伤效率，通过数值模拟研究，得出平面波起爆可使破片战斗部杀伤效率最高，文中作者还用实验对数值模拟研究得出的结论进行了验证;D.R.Kennedy［17］认为，采用偏心起爆方式可使破片战斗部速度增益1.32倍，破片密度增益1.4倍，破片打击动能增益1.74倍;武伟明等［18］用理论分析和实验方法研究了偏心单点起爆定向战斗部的破片密度增益情况，表明增益方向破片密度最大可达相反方向破片密度的2.9倍;王树山等［19］用实验方法研究了偏心多点起爆战斗部破片飞散规律，得到起爆点方向的破片初速和密度最低，定向方向破片初速和密度均达到最大值，大约为平均初速和密度的110%左右;王晓英等［20］利用有限元程序对偏心多点起爆战斗部破片飞散规律进行了三维数值模拟研究，发现定向方向的破片能量增益约为124.3%;此外，王凯民等［21］给出了爆炸网络设计技术、宋柳丽［22］分析了不同的偏心起爆方式对破片速度增益的影响。

爆炸变形战斗部采用二次爆炸方式，首先起爆辅助装药，使壳体和主装药发生可控结构变形，然后起爆主装药，起爆变形后的具有合适形状的战斗部，驱动破片高速密集地飞向指定目标。谭多望等［23］用实验方法研究了爆炸变形战斗部的破片密度和初速分布，并对辅助装药爆炸驱动壳体和主装药的变形过程也进行了研究，研究结果表明变形方向上不仅破片密度显著提高，而且破片初速也有一定程度的提高;范中波等［24］用数值模拟方法研究了爆炸变形战斗部破片密度和初速分布，发现在目标瞄准方向周向±20°范围内的破片密度及平均初速达到对应各向同性战斗部的2.3倍和1.41倍，±10°范围内更可高达6倍和1.45倍;陈放等［25］的研究表明周向15°范围内破片数量增益可达5.4倍;此外，杨亚东［26］及龚柏林等［27］用LS-DYNA对爆炸变形定向战斗部进行了数值仿真研究。

叶本治等［28］利用实验方法研究了空腔会聚增压定向抛撒全预制破片战斗部，破片集中布局在战斗部的某一方位，装药爆轰后汇聚并驱动全预制破片沿90°定向范围高速集束飞向目标;王诚洪等［29］利用理论和工程计算方法研究了钢预制破片壳体在带凹槽柱形装药驱动下的定向飞散特性，得到了使破片飞行路径为平行型的预制破片壳体临界半径以及破片初速。

2 高破片密度和窄分布宽度，聚焦技术不断创新

2.1 大飞散角破片战斗部

由于早期防空导弹制导精度和引战配合水平的限制，为了提高破片命中和打击目标概率，防空导弹大量采用大飞散角破片战斗部，主要发展圆筒形和腰鼓形战斗部。

圆筒形破片战斗部飞散角一般为12°左右［30］。苏联K-5空空导弹采用了外形为平截锥体的半预制破片杀伤战斗部，半预制方式为壳体内外刻槽，破片飞散角为(12±1)°;苏联SA-1地空导弹采用了圆筒形半预制破片杀伤战斗部，破片预制方式为在金属壳体外刻菱形沟槽，破片飞散角为(10～11)°;美国响尾蛇1A型空空导弹战斗部同样采用了半预制破片杀伤战斗部，其壳体内壁紧贴具有1302个凹槽的塑料衬套，利用装药聚能效应使金属壳体形成对应数量的杀伤破片毁伤目标，战斗部飞散角为(10～16)°。

为进一步提高防空导弹战斗部破片的打击命中概率，弥补制导精度和引战配合的不足，各国还研制了多型腰鼓形大飞散角破片战斗部。法国马特拉R530导弹T-110破片战斗部为腰鼓形大飞散角战斗部，其结构为轴向由52个扁平环体焊接而成，周向采用内衬塑料衬套利用装药聚能效应形成破片，其破片飞散角约为25°;苏联20π地空导弹杀伤战斗部破片采用内外几何刻槽半预制成形，壳体为腰鼓形，90%破片飞散角为 20°，100%破片飞散角为(36 ～38)°［31］。

由于大飞散角战斗部破片分布宽度宽，面分布密度较低，破片穿孔在目标上比较分散，相邻破片间隙较大，对目标的毁伤效应主要体现为多个独立破片穿孔毁伤;而且由于端面稀疏波对圆筒形和腰鼓形装药的影响较大，大飞散角战斗部破片轴向速度差较为显著，这在静爆试验验证时不会体现在靶板上，但在弹目动态交汇条件下，破片穿孔分布由于速度梯度而发生变化，趋势是分布宽度变宽，速度较低的破片甚至脱靶。

因此，大飞散角破片战斗部对速度相对较低的飞机类目标可实现有效毁伤，但由于现代战场导弹类空中目标的不断涌现和飞机类目标速度和防护强度的不断提升，对杀伤战斗部的要求已逐渐由防空向反导兼顾防空方向转变，大飞散角破片战斗部已不能适应这种军事需求，因此世界各军事强国在制导和引战技术水平发展的基础上，纷纷开始发展定向战斗部，聚焦破片战斗部就是在轴向定向破片的一种定向战斗部。

2.2 聚焦破片战斗部

聚焦破片战斗部主要特点是预制破片组合体外形为聚焦特征曲线，其作用是使破片穿孔在威力半径处聚集在非常窄的聚焦带内。聚焦带内破片密度大幅度提高，宏观上破片穿孔可在目标上形成一个密集的穿孔、撕裂和应力集中“切割带”，能够对导弹类目标实施“带切割式”结构毁伤，使导弹类目标产生弯曲甚至断裂解体的致命毁伤。

此外，由于聚焦破片战斗部装药采用了凹面聚焦特征曲线设计，因此在很大程度上消除了端面稀疏波的影响，使轴向破片速度趋于一致，其弹目动态交汇条件下基本能够保持静爆条件下的破片穿孔分布。典型的聚焦破片战斗部为法国的地空导弹R-440战斗部，其预制破片组合体轴向由39个扁平圆环堆积、车制曲线并焊接而成，周向采用内衬硅橡胶衬套使炸药产生聚焦效应形成破片。在威力半径处战斗部绝大部分破片聚集在0.3m的聚焦带内，聚焦带内破片分布密度高达80枚/m2。

2.3 动态线列式破片战斗部

虽然聚焦破片战斗部极大提升了对导弹类目标的切割式结构毁伤效应，但其产生的切割仍然具备一定宽度，即聚焦带宽，依然是一个“带切割”。为了进一步提高破片战斗部在实战中对导弹类目标的切割式结构毁伤，提出了线列式破片战斗部技术。其主要特点为在威力半径处绝大部分破片穿孔呈线列式分布，带来的优点为可对导弹类目标实施“线切割式”结构毁伤，提高使目标断裂解体的致命毁伤能力。

3 破片向含能化方向发展，活性破片战斗部孕育而生

在近程防空反导区域，由于来袭导弹已接近己方受打击目标，对防空反导战斗部有直接“击爆”目标弹药的迫切需求，以确保己方安全。随着低易损性炸药在武器弹药中的使用，惰性破片由于受其毁伤模式局限，引爆来袭目标弹药的能力整体偏弱。

伴随着活性材料技术的发展，使活性破片在毁伤技术中的广泛应用成为可能，给毁伤技术的发展提供了一个新的思路，是毁伤技术快速发展的技术推动因素。活性破片是一种在撞击和穿靶作用下能够释放材料所含化学能的杀伤破片，是一种新材料、新毁伤机理的含能破片。活性破片由反应性亚稳态材料组成，当其碰撞和侵彻目标时，活性材料发生化学反应释放出所含化学能，产生快速燃烧甚至爆炸作用，从而对目标产生显著的燃烧甚至爆炸毁伤效应。活性破片的毁伤能量除动能外，还有数倍于其动能的活性材料化学能，对目标的毁伤是动能侵彻毁伤和内爆毁伤耦合作用下的高效复合毁伤。

活性材料通常有铝热剂、金属间化合物、金属/聚合物、亚稳态分子间复合材料和金属氢化物等。活性破片的毁伤机制主要有以下几个方面及相互累积效应:活性破片穿孔时产生的化学反应，在目标内部产生高温毁伤效应;爆炸产生的冲击波或爆炸波在目标内部产生增强冲量毁伤;超压;反应生成物对电子元件的短路破坏;活性材料与关键组件的反应。通过活性破片的应用，可革命性提升防空反导战斗部的毁伤威力，突破惰性破片难以“引燃航空燃油、引爆屏蔽低易损炸药”这一瓶颈。

美国高度重视活性材料的研究，美国国家科学研究委员会(National Research Council)将“活性材料”技术列入其《高级含能材料》(Advanced Energetic Materials)计划中。美国面武器研究中心(NSWC)在海军研究所(ONR)的主导和支持下设立了先进活性材料研究项目(Advanced Reactive Materials Program)，在活性破片制备工艺、活性破片撞击诱发条件和机理、活性材料的能量释放规律、活性破片综合毁伤机理等方面均进行了深入的研究。在活性破片毁伤机理和毁伤评估方面，NSWC建立了直接撞击、间接撞击、两步撞击等实验方法，以研究活性破片在不同的撞击条件和撞击速度下的反应情况，并建立了标准的排气容器量热法(vented chamber calorimetry，VCC)，以研究活性破片的反应条件、反应机理、能量释放规律、毁伤机理以及毁伤威力评估。

美国积极开展活性破片战斗部技术研究，参与该项目的单位主要有美国海军部(DON)、海军研究署(ONR)、海军面武器中心 NSWC-Dahlgren、NSWC-IH Eglin Air force Base、ATK Thiokol Propulsion等。2000年，美国在其国防技术发展计划中，正式将活性破片战斗部技术列为国防重点创新技术进行研究;在国防技术目标(Defense Technology Objectives for DTAP)中专门设立了代号为WE-54的活性破片战斗部先进技术演示项目(Reactive Material warhead ATD)。据文献资料调研和分析，美国活性破片的潜在应用前景为导弹防御系统中的防空导弹杀伤战斗部，进行“标准”-3型和“爱国者”-3型导弹战斗部的活性破片应用，以提高导弹的毁伤威力。

2002年12月9日，ONR在“活性材料增强战斗部”项目支持下研发了活性破片战斗部。其活性破片材料是以塑性材料为基体混入一些粉末状金属材料制成的复合材料，活性破片撞击目标时，金属材料和塑性基体发生化学反应，释放能量。根据资料报道，该战斗部的威力是惰性破片战斗部威力的5倍。

俄罗斯也十分重视活性材料技术的发展，俄罗斯科学院(Russian Academy of Science)和俄罗斯基础研究基金会(Russian Foundation for Basic Research)专门下发了多个活性材料研究项目。谢苗诺夫化学物理研究所(Semenov Institute of Chemical Physics)和高能量密度物质研究所(Institute of High Energy Densities)在活性材料相关研究项目的支持下，开展了金属和含氟聚合物，金属、含氟聚合物和高能炸药型等多种活性材料配方设计、制备工艺、毁伤机理和毁伤效应研究。

国内，多家研究机构对活性破片技术也进行了研究。杨华楠、廖雪松等［32］阐述了含能破片的毁伤原理、结构组成、国内外的发展情况，分析了制约含能破片工程化应用的关键技术，指出了含能破片的研究方向;刘智华［33］探讨了配方组成与含能破片性能的之间的关系，通过优化设计，确定了最终配方的组成，并采用自然固化的方式按照所设计的最终配方成功制备了燃烧式含能破片;何源、何勇等［34］用理论分析和LS-DYNA研究了不同靶板材料、不同头部厚度的含能破片冲击侵彻过程和释能时间，得到了释能时间与侵彻过程的关系;黄亨建、黄辉等［35］设计制备了一种Φ10mm×10mm的铝/聚四氟乙烯含能破片，并且通过毁伤性试验表明该破片除具有对目标的动能打击外，还具有爆炸、冲击超压、高温作用、纵火等复合毁伤打击，验证了其毁伤性明显优于同尺寸的钢破片;王海福、刘宗伟［36］提出了一种动态测量活性破片能量输出特性的方法，采用弹道发射的方式，实验测量了3种不同配方活性破片的能量输出特性，结果表明:当活性破片以约1500 m/s的速度与目标碰撞时，所释放的化学能约为动能的5倍，大幅提高了毁伤目标的能力;叶小军［37］设计了一种引燃式含能破片，并对含能破片撞击、引燃带壳炸药的机理进行了理论分析与实验验证，研究了不同主装药材料、主装药直径，起爆方式，缓冲衬材料、缓冲衬厚度，端盖材料对破片的速度及压力影响;叶小军、李向东［38］研究了新型含能破片低速撞击并引燃屏蔽炸药的机理，结果表明:含能破片对屏蔽炸药引燃的撞击速度为631～925m/s，远低于冲击起爆的阈值速度1450 m/s;谢春雨［39］通过理论分析和数值模拟方法对含能破片爆炸加载过程的安定性进行了研究，得到了含能破片的临界起爆能量判据，建立了含能破片冲击反应的临界起爆条件;李杰［40］以“战斧”巡航导弹作为研究对象，开展了活性材料破片的设计工作，并通过数值仿真和冲击起爆试验，初步得到了临界引爆目标靶的速度值以及含能材料的临界起爆公式;李旭锋［41］在对巡航导弹战斗部舱段结构和材料特性进行详细分析和研究的基础上，确立了爆炸式含能破片的设计方案，通过数值计算和试验得到了含能破片引爆战斗部的一般规律。

4 结论

1)定向破片战斗部技术通过对爆轰波形的合理控制，可显著提高装药能量利用率，进而提高目标方位的破片密度、速度和打击动能，最终提升战斗部的毁伤威力;

2)通过设计巧妙的新结构，可大幅提高战斗部破片密度和压缩其分布宽度，理想分布为线列式分布，对目标实施“线切割式”结构毁伤效应;

3)采用反应性材料的活性破片战斗部技术，可实现对密闭舱体类目标的“内爆”高效毁伤，并具备“引燃航空燃油和引爆屏蔽炸药”的能力，是防空反导战斗部发展的又一主要趋势。

［1］北京工业学院八系《爆炸及其作用》编写组编.爆炸及其作用［M］.北京：国防工业出版社，1979.

［2］隋树元，王树山.终点效应学［M］.北京：国防工业出版社，2000.

［3］Richard R L.Conventional Warhead Systems Physics and Engineering Design［M］.AIAA，1998.

［4］李晋庆，胡焕性.不同起爆方式对聚焦型战斗部聚焦性能影响的试验研究［J］.弹箭与制导学报，2004，24(1)：43-45.

［5］隋树元，周兰庭，李进忠，等.破片式战斗部优化设计技术研究［J］.兵工学报，1995(4)：33-37.

［6］Liu Tong，Qian Lixin.Study on Fragment Focusing Mode of Air-Defense Missile Warhead［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，1998(23)：240-243.

［7］赵国志.常规战斗部系统工程设计［M］.南京：南京理工大学，2000.

［8］James C.Talley.Operation of fragment core warhead［P］.United States Patent：949，674，1965-10-22.

［9］Leland L.Parker.Directed warhead［P］.United States Patent：14，897，1973-02-06.

［10］David D.Abernathy.Variable geometry warhead［P］.United States Patent：960，085，1976-05-12.

［11］Earl E.Wilhelm.Selectable initiation-Point fragment warhead［P］.United States Patent：4，658，727，1987-06-15.

［12］Sam Waggener.Relative performance of anti-air missile warheads［C］//In：19th international Symposium on Ballistics.Interlaken，Switzerland：2001，623-630.

［13］许艳玲，孙起.定向杀伤弹药［J］.现代军事，2002(7)：41-43.

［14］Held M.Steerable hitiles against TBM warheads［C］//In：19th international Symposium on Ballistics.Interlaken，Switzerland：2001，685-670.

［15］R.M.Lioyd ＆ W.Aronld.Kinetic energy rod warhead against TBM submunition targets［C］//In：18th international Symposium on Ballistics.San Antonio，TX：1999，512-519.

［16］Resnyansky A.Directional fragmentation warheads：A theoretical and experimental investigation［C］//In：18th international Symposium on Ballistics.San Antonio，TX：1999，543-550.

［17］D.R.Kennedy.A historical review of aimable air defense warhead technology［C］//In：18th international Symposium on Ballistics.San Antonio，TX：1999，618-625.

［18］武伟明，佟浩然.定向杀伤战斗部结构与破片增益的关系［J］.兵工学报弹箭分册，1992(1)：81-85.

［19］王树山.偏心多点起爆战斗部破片飞散实验研究［J］.北京理工大学学报，2001(2)：177-179.

［20］王晓英.偏心多点起爆战斗部破片飞散三维数值模拟研究［J］.北京理工大学学报，2003(增刊)：201-206.

［21］王凯民，温玉全.军火工品设计技术［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［22］宋柳丽.偏心起爆式定向战斗部破片速度分布及增益研究［D］.南京：南京理工大学，2008.

［23］谭多望，王志兵，张振宇，等.爆炸变形战斗部实验研究［J］.爆炸波与冲击波，2000(3)：109-112.

［24］范中波，周淑荣，杭义洪，等.爆炸变形式定向战斗部的数值仿真研究［J］.兵工学报，2001(3)：334-337.

［25］陈放，张涵，马晓青，等.爆炸变形定向战斗部破片控制研究［J］.北京理工大学学报，2009(6)：479-483.

［26］杨亚东.可变形定向杀伤战斗部数值模拟研究［D］.南京：南京理工大学，2009.

［27］龚柏林，卢芳云，李翔宇.D型预制破片战斗部破片飞散过程的数值模拟［J］.弹箭与制导学报，2010(1)：88-94.

［28］叶本治，戴君全，冯民贤，等.空腔会聚定向抛撒全预制破片实验研究［J］.爆炸波与冲击波，1995(4)：27-35.

［29］王诚洪.杀伤战斗部破片定向飞散特性研究［J］.国防科技大学学报，1999(2)：29-33.

［30］杨云川，厉相宝，万仁毅.预制破片初速和飞散角的数值模拟［J］.弹箭与制导学报，2009，29(4)：96-102.

［31］王淑华，高瑞，蔡炳源.导弹战斗部及其装药的发展研究［J］.火炸药，1991(1)：43-54.

［32］杨华楠，廖雪松，王绍慧，等.含能破片技术与应用［J］.四川兵工学报，2010，31(12)：4-7.

［33］刘智华.燃烧式含能破片的配方［D］.南京：南京理工大学，2010.

［34］何源，何勇，潘绪超.含能破片冲击薄靶的释能时间［J］.火炸药学报，2010，33(2)：25-28.

［35］黄亨建，黄辉，阳世清，等.毁伤增强型破片探索研究［J］.含能材料，2007，15(6)：566-569.

［36］王海福，刘宗伟，俞为民，等.活性破片能量输出特性实验研究［J］.北京理工大学学报，2009，29(8)：663-666.

［37］叶小军.含能破片对带壳炸药的引燃机理及抛射强度研究［D］.南京：南京理工大学，2008.

［38］叶小军，李向东.含能破片撞击引燃屏蔽炸药的实验研究［J］.弹箭与制导学报，2009，29(6)：131-134.

［39］谢春雨.含能破片爆炸驱动安定性研究［D］.南京：南京理工大学，2010.

［40］李杰.可爆破片式反导技术研究［D］.南京：南京理工大学，2006.

［41］李旭锋.含能破片对模拟战斗部的引爆机理研究［D］.南京：南京理工大学，2006.