鱼雷引战配合问题探讨

王树山, 卢 熹, 马 峰, 徐豫新



鱼雷引战配合问题探讨

王树山, 卢 熹, 马 峰, 徐豫新

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京, 100081)

鱼雷引战系统作为鱼雷终点作用和任务执行分系统, 直接关系到鱼雷武器系统的效能和实战有效性, 对于相关问题的探讨能够促进鱼雷引战配合研究的发展。该文概述了引战配合的概念内涵及其拓展, 进而从引战配合所面向的需求特点出发, 讨论了未来海战对鱼雷的任务需求以及水下高效毁伤战斗部技术的发展, 借以阐明了鱼雷引战配合的重要性。最后分析了鱼雷引战配合的体系框架, 并探讨了鱼雷引战配合研究的主要问题和对策:典型目标特性及其易损性、战斗部水下爆炸威力场结构、引战配合效率分析方法与手段、虚拟设计与仿真技术的应用。

鱼雷战斗部; 引战配合

0 引言

鱼雷因其隐身和突防能力强、命中精度高和水下毁伤威力大等突出优势, 在其问世的100多年中, 历经各次海战, 在打击水面舰艇、潜艇等方面发挥了非常重要的作用, 是一种不可替代并具有重要威慑力量的进攻性水下主战武器装备。现代鱼雷作为典型的制导兵器, 其战斗部是其有效载荷, 是鱼雷毁伤目标、完成最终作战任务的执行机构。引信不仅是战斗部作用的引发机构, 常常也承担近感探测任务, 并合理选择炸点和控制起爆方式, 使战斗部的固有威力得到充分发挥以更高效地毁伤目标。引信和战斗部所构成的引战系统作为鱼雷终点作用和任务执行分系统, 地位和作用非常重要, 直接关系到鱼雷武器系统的效能和实战有效性。

对于制导兵器来说, 其最终的毁伤效能不仅取决于战斗部固有能力, 还与引战配合密切相关, 甚至具有决定性。长期以来, 鱼雷以水面舰艇和潜艇为主要作战目标, 由于目标的外廓尺寸相对较大、速度和机动性相对较低, 水下爆炸环境使战斗部毁伤元选择范围受限、类型比较单一(通常为简单的爆破战斗部)以及战斗部装药量较大、水下爆炸威力相对充分等原因, 鱼雷引战配合问题并不突出, 没有受到广泛关注。随着科学技术的不断发展和应用, 未来的战场态势和作战模式已经发生了深刻变化, 作战环境的复杂性、作战目标的多样性、新型高效毁伤战斗部技术的发展以及非接触(近炸)引信技术的应用等, 使鱼雷引战配合问题不能再被忽视。

1 引战配合的概念

1.1 引战配合的起源

引战配合问题最早起源于二战时期近炸引信的出现。对于防空作战和高炮弹药来说, 最初所采用触发引信的弹丸只有直接命中目标(小概率事件)才能产生毁伤作用, 绝大部分弹药不能发挥作用, 武器系统毁伤效率极低。于是, 高炮弹药引信经历了从碰炸、定时空炸到近炸的发展历程, 使武器系统毁伤效率得到了逐步提高。另外, 近炸引信也被应用于对地作用的榴弹, 弹丸空炸作用方式可大幅度提高破片利用率, 从而显著增加了毁伤作用幅员。自二战后期以来, 导弹类精确制导武器开始出现并得到了迅速、全面的发展。即使这样, 对于空中高速机动的“点”目标来说, 防空导弹仍然难以通过直接命中来摧毁目标, 于是破片杀伤战斗部被广泛采用, 以弥补导弹命中精度的不足。由于防空导弹总体结构布局和战斗部爆炸驱动破片飞散原理等原因, 战斗部破片飞散场局限于导弹侧面一定范围内, 如图1所示。这样, 在弹目交会那一瞬时, 由近炸引信所控制的爆炸时机或炸点位置决定了战斗部毁伤元与目标的作用结果, 实际上也决定了导弹最终作战任务的完成, 因此引战配合问题就显现得异乎寻常的重要。基于这样的原因, 引战配合问题受到相关研究者的广泛关注, 引战配合的系统研究大致从此开始。

1.2 引战配合概念及其拓展

传统的引战配合概念出自防空导弹的概念体系, 即防空导弹在一定的弹目交会条件下, 引信适时起爆战斗部, 使战斗部毁伤元准确命中目标并尽可能大地毁伤目标的程度, 也被描述成引信启动区与战斗部毁伤元动态飞散区的协调程度。导弹与目标的相遇及引战配合概念的图解说明如图2所示。导弹的制导系统决定战斗部相对目标在2D平面上脱靶量大小, 即解决2D精度控制问题, 而引战配合则解决空间第3维坐标即沿相对运动方向起爆点坐标的控制问题, 也就是说引战配合相当于对目标的第2次瞄准。引战配合的量化描述是引战配合效率, 是衡量引信和战斗部参数设计协调性的一个综合技术性能指标。

目前, 引战配合的概念已不再局限于防空导弹、破片杀伤战斗部以及近炸引信的范畴, 已经推广到其他类型弹药、战斗部及其相应的引战系统中。对于耳熟能详的“钻地弹”、侵彻爆破战斗部, 需要侵彻到深层工事、舰船等目标内部并在理想位置上爆炸, 以获得最佳的毁伤效果。对于战斗部炸点位置的选择与控制, 属于引战配合的范畴。对于聚能破甲战斗部, 其终点作用原理决定其存在最佳炸高, 炸高的控制既与弹药整体结构有关, 也与引信的启动特性有关, 对炸高的控制及其理想毁伤效果的获得是聚能破甲弹中的引战配合问题。定向战斗部作为战斗部技术领域的前沿技术, 近年来得到了较快发展, 在防空导弹、鱼雷、水雷等武器系统中具有广泛的应用前景。定向战斗部的主要意义在于提高目标方向上毁伤能量密度, 降低在非目标方位的能量浪费, 达到提高战斗部毁伤效能的目的, 如图3所示。在定向战斗部中, 引信不仅要进行1D弹道方向上起爆时机的控制, 还要担负弹目交会瞬间目标方位的精确识别以及针对性起爆方式控制。因此, 引战配合问题更加复杂。

由于引战配合问题具有广泛性, 不同类型的战斗部具有不同的引战配合形式, 引战配合概念已经得到了拓展。在此给出广义引战配合的概念: 引信控制战斗部起爆时机的适时程度以及使战斗部毁伤效能发挥的程度。

2 鱼雷引战配合研究的重要性

引战配合研究的目的在于确保战斗部有效毁伤目标, 提高武器系统的作战效能。对于制导兵器来说, 只要具有下列特点之一, 就必须解决引战配合问题, 才能保证武器系统的作战效能。

1) 作战对象为高速机动小目标, 难以直接命中, 需要采用近炸引信和间接毁伤体制;

2) 受系统总体结构和布局限制, 战斗部毁伤能量有限空间分布;

3) 追求更大的终点毁伤效果, 采用毁伤能量集中、定向等原理的战斗部。

传统海战模式下, 鱼雷的作战对象以及鱼雷战斗部的特点并不符合上述条件, 因此鱼雷引战配合研究的重要性并不突出。但考虑到未来海战作战需求的牵引以及水下高效毁伤战斗部技术发展的推动, 鱼雷引战配合问题需要引起重视并有必要深入开展研究。

2.1 作战任务对鱼雷引战配合研究的牵引作用

对于传统海战模式, 海战武器装备主要集中于舰艇平台, 体现为突出的“平台中心战”特点。鱼雷武器的作战任务相对简单和明确, 即主要用于攻击敌水面舰艇和潜艇, 因此鱼雷通常分为打击大型水面舰艇的重型鱼雷和打击潜艇的轻型鱼雷2种类型。鱼雷作战对象相对单一, 具有外廓尺寸大、速度和机动性相对较低等特点。

现代和未来的海上战场通常由水面舰艇、潜艇、航空兵、岸防兵和海军陆战队等多兵种协同作战, 体现为高度信息化和网络化的天、空、地、水面和水下一体化对抗模式, 最终将过渡到“网络化中心战”模式。“网络化中心战”通过传感器、决策者、发射装置甚至弹药系统的联网, 实现感知共享、体系严密协同、提高指挥速度、加快行动节奏等。水下作战不再以单一平台为基础, 而是将传统平台上的一些功能转移到“网络”节点(传感器和执行器等)上, 通过节点的散布和信息的流动扩大武器的作战范围, 最大限度地提高平台的作战效能。网络中心战节点的类型多种多样, 如海底单个水听器或水听器基阵、水下自主航行器、声纳浮标等。

“网络中心战”模式下的水中对抗, 具有许多不同于传统模式的特点, 其中最突出的在于网络化小型节点平台之间的攻防对抗。鱼雷作为水下主战武器装备, 其作战目标和对象、任务和使命也将因此发生深刻的变化, 除了舰艇平台以外, 还需要高效打击水中的信息节点、武器节点等小目标, 最终摧毁和瘫痪敌方的水下网络体系, 这就对未来的鱼雷提出了更高的要求。由此可见, 高效打击高速、高机动性小目标的智能化程度更高、速度和机动性更强、小型化以及载荷受限和具有高效毁伤引战系统的鱼雷将会出现, 并有可能成为鱼雷技术的重要发展方向之一。

2.2 水下高效毁伤战斗部技术发展与应用对鱼雷引战配合研究的推动作用

1) 引战配合研究有利于水中爆炸能量的充分发掘和合理利用

鱼雷普遍采用爆破型战斗部, 以水中爆炸能量作为毁伤能源。装药在水中爆炸所输出的能量主要分成冲击波能和气泡能两部分, 并由此形成爆炸冲击波、二次压力波、脉动水流以及水射流等对目标产生耦合毁伤作用。目前, 依赖于炸药性质并和爆炸环境条件相关的水中爆炸能量输出结构及规律并未真正揭示, 尤其各种目标的针对性毁伤响应, 特别是耦合毁伤作用下的毁伤机理和毁伤规律的认识极不深入, 甚至尚未真正涉及, 这就使水中兵器战斗部装药选型、针对性的配方设计以及终点效应优化设计等没有形成必要的理论依据。随着相关基础和应用基础研究的不断进展和成果的应用, 再通过引战配合研究, 可实现传统爆破型战斗部爆炸能量的充分发掘和合理利用, 在同等载荷条件下使战斗部对目标的毁伤效果和鱼雷作战效能得到有效提高。

2) 新型鱼雷战斗部技术发展推动了鱼雷引战配合研究的深入开展

通常情况下, 鱼雷采用的爆破型战斗部对于防护水平相对较低的舰艇能够取得令人满意的毁伤效果, 但是由于大部分毁伤能量不能作用于目标, 因此能量的利用率并不高。现代鱼雷的突防能力、制导精度及引信技术水平的提高使鱼雷可以准确辨识并到达目标的要害部位附近, 客观上为实现既定方向或区域上毁伤能量的集中利用创造了条件, 也意味着聚能、定向等战斗部在鱼雷上应用具有可行性和实效性。另外, 现代舰艇新型防护结构的采用和防护能力的增强对鱼雷强化局部毁伤威力提出了客观需求, 于是针对鱼雷的串联随进、并联聚能等多模式综合效应战斗部开始受到关注, 并取得了一定的研究进展。

聚能战斗部采用成型装药在目标方向上形成高速射流、聚能杆式侵彻体(jetting projectile charge, JPC)或爆炸成型弹丸(explosively formed projectile, EFP)等动能侵彻体来实现能量集中的目的, 可有效破坏现代舰艇双层以上的防护隔舱, 毁伤效果更为显著。为了获得更大的侵彻体初始动能和综合毁伤效果, 战斗部要求采用高能炸药、有利的爆轰波形控制手段以及匹配良好的药型罩, 同时需要保证与水阻尼所造成能量耗散之间的优化匹配, 因此引战配合十分关键。

定向爆破战斗部利用水中爆炸冲击波和气泡能的优势, 同时根据雷-目交会方式优化设计出装药结构和起爆控制系统, 使目标方向的爆炸能量得到增强, 这种增强效果近场显著, 远场不明显。显而易见, 实现定向爆破战斗部在鱼雷上的应用并获得预期效果, 引战配合问题无法回避。

多模式综合效应战斗部是将聚能、爆破等毁伤模式集成于单一战斗部, 通过各种毁伤模式的同时或时序作用, 达到对目标壳体及内部更强毁伤作用的目的, 此类战斗部对于多级装药的起爆时机控制要求更高, 引战配合问题更为复杂。

理论上说, 基于现行的鱼雷总体技术水平, 通过采用新型高效毁伤战斗部使鱼雷作战效能得到提高尚存在很大潜力。为了推进高效战斗部技术的应用并进一步提高武器系统的综合作战能力, 解决引战配合设计方法和研究手段等必须提到日程上来。除此之外, 随着对水介质物理、化学等性质的深入认识和开发, 利用水介质本身作为毁伤能量载体的新原理毁伤概念已经开始出现, 如声聚焦武器、水中电子射线束武器概念以及将水介质作为化学相参与爆炸反应的类似空气介质中云爆弹药的概念等, 这势必对鱼雷等水中兵器的引战系统、引战配合原理与方法乃至系统总体技术等提出全新的要求。

3 鱼雷引战配合研究的主要问题

引战配合是一个系统工程问题, 需要综合考虑各方面的影响因素, 通过对相关参数的优化设计, 使引战配合的效率达到最佳。影响鱼雷引战配合效率的因素主要包括雷-目交会条件、引信启动规律、战斗部威力场结构、目标特性及其易损性。鱼雷引战配合的体系框架如图4所示。鱼雷及目标的运动弹道特性构成了雷-目交会条件; 鱼雷引信对目标信息(声信号、磁信号等)的识别及响应能力表现为引信的启动规律。雷-目交会条件和引信的启动规律共同决定了战斗部起爆的时空区域; 而战斗部威力场结构特性与目标的易损性相互关联则确定了该种战斗部对目标造成毁伤的作用区间。引信起爆战斗部的时空区域与毁伤区间的匹配程度就表现为引战配合的效率, 并最终决定了对目标的毁伤效能。从目前相关基础研究和技术应用的发展水平来看, 鱼雷引战配合研究的主要问题应包括以下几个方面。

3.1 典型目标特性及其易损性

鱼雷引战配合研究面对的首要问题是目标特性及其易损性。由于多方面原因, 人们对水下爆炸耦合毁伤作用下毁伤机理及目标易损性等方面的认识十分有限, 特别是对鱼雷、UUV等新型目标, 因此急需通过基础研究填补空白。此外, 随着科学技术的不断进步, 复合材料、复合结构等新型材料与结构的应用越来越广泛, 目标的结构特征和部件性能均发生了变化, 防护能力不断增强, 固有认识存在局限, 难以满足鱼雷引战配合研究的需要。通过进行典型目标特性及其易损性研究, 获得典型目标易损性模型数据, 建立典型目标易损性数据库, 才能支撑鱼雷引战配合问题的研究, 并对新型鱼雷战斗部的威力论证与考核、武器系统作战效能评估与运用提供一定依据和参考。

3.2 战斗部水下爆炸威力场结构

水与空气的物性差别使水中爆炸与空气中爆炸的冲击波压力大约相差800倍, 更由于气泡及其脉动形成二次压力波、脉动水流以及水射流等, 使战斗部水中爆炸的威力场结构与空气爆炸中的差别巨大且非常复杂, 另外, 聚能、定向爆破等高效毁伤战斗部的威力场结构及其评估方法有待建立。水中爆炸威力的试验测试可以获得可靠、有效的试验数据, 但周期长、耗资大, 全面获取数据难以实现。因此, 通过基础理论研究, 结合相应的试验与数值仿真研究, 构建鱼雷战斗部水下爆炸威力场结构的仿真分析方法和手段, 是鱼雷引战配合研究必须解决的瓶颈问题之一。

3.3 引战配合效率分析方法与手段

借鉴导弹引战配合效率的描述方法, 可用目标无对抗、系统无故障条件下的单条鱼雷毁伤概率表征引战配合效率。参考导弹引战配合效率及战斗部毁伤效率分析的数学建模和解算方法, 建立基于全概率公式的引战配合效率分析模型, 采用数值积分或统计试验等方法求解, 进一步可开发引战配合效率计算与分析的应用软件。

3.4 虚拟设计与仿真技术的应用

引战配合是一个实验性强的复杂性问题, 匹配参数的设计与优化需要大量打靶数据。随着计算机技术的高速发展, 鱼雷引战配合匹配参数的设计可以通过以虚拟仿真为基础的研究手段来实现, 达到降低试验费用与缩短试验周期的目的。可应用虚拟设计与仿真技术, 在计算机上建立虚拟的仿真模型, 通过相关参量的随机抽样模拟实战打靶, 通过对设计参量的逐次跌代和逼近的计算实现参数的设计和优化。加快虚拟设计与仿真技术在鱼雷引战配合问题研究中的应用, 可对该方面的研究起到积极推动作用。

4 结束语

从历史上看, 由于主要作战目标的特点、鱼雷总体性能水平以及毁伤和战斗部技术发展阶段等原因, 鱼雷引战配合问题并不突出。着眼未来海战信息化、体系化和网络中心战等特点, 从作战需求牵引和战斗部技术推动相结合的角度看, 鱼雷引战配合研究值得给予关注和深入开展研究。通过引战配合研究, 可推动先进高效战斗部技术的应用以及有效解决鱼雷引战系统优化设计的方法和手段, 并对鱼雷系统总体设计、效能分析和提高研制水平等提供重要支撑。

[1] 石秀华. 水中兵器概论(鱼雷部分)[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1995.

[2] 李世中. 引信战斗部一体化设计技术研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2004.

[3] 梁芳. 海战史与未来海战研究[M]. 北京: 海军出版社, 2007.

[4] 劳伦斯·斯皮内塔. 以空制海—美军作战专家提出对华“海上空军制胜论”[J]. 薛雨闻, 译. 国际展望, 2006, 26(21): 33-37.

[5] 张志鸿. 防空导弹引战配合技术的发展[J]. 制导与引信, 2001, 22(3): 28-34. Zhang Zhi-hong. Perspective Fuze-warhead Matching Technology of Air-defence Missile[J]. Guidance & Fuze, 2001, 22(3): 28-34.

[6] 张志鸿, 周申生. 防空导弹引信与战斗部配合效率和战斗部设计[M]. 北京: 宇航出版社, 1994.

[7] 钱立新.防空导弹战斗部威力评定与目标毁伤研究[R].中国工程物理研究院总体工程研究所, GF-A0055529G, 1998

[8] 掌亚军, 陈辛. 反TBM及巡航导弹目标引战配合技术[J]. 战术导弹技术, 2011, 22(5): 65-69.

[9] 曹柏桢. 飞航导弹战斗部与引信[M]. 北京: 宇航出版社, 1995.

[10] 隋树元, 王树山. 终点效应学[M]. 北京: 国防工业出版社, 2000.

[11] 沈哲, 肖素娟, 南长江, 等. 鱼雷战斗部与引信技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[12] 郭涛, 吴亚军. 鱼雷战斗部技术研究现状及发展趋势[J]. 鱼雷技术, 2012, 20(1): 74-77.Guo Tao, Wu Ya-jun. Perspective of the Technologies about Torpedo Warhead[J]. Torpedo Technology, 2012, 20(1): 74-77.

[13] 龚月珍. 鱼雷战斗部聚能定向爆炸的研究[J]. 舰船科学技术, 1993, 15(4): 19-25.

[14] 步相东. 鱼雷新型战斗部爆轰波形控制技术研究[J]. 舰船科学技术, 2003, 25(3): 44-46. Bu Xiang-dong. A Study of the Detonation Wave Controlling for the New Type Warhead of Torpedo[J]. Ship Science and Technology, 2003, 25(3): 44-46.

[15] 步相东. 鱼雷聚能战斗部新型起爆技术研究[J]. 鱼雷技术, 2003, 11(3): 25-27. Bu Xiang-dong. A Study of the New Type Initiation for the Shaped Charge of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(3): 25-27.

[16] 卢永刚. 基于虚拟模型的动能杆反导战斗部毁伤效率评估方法[R]. GF-A0090556G, 2004.

[17] 孟庆玉, 张静远, 宋保维. 鱼雷作战效能分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[18] 陈春玉, 张静远, 王明洲, 等. 反鱼雷技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[19] 张阿漫, 郭君, 孙龙泉. 舰船结构毁伤与生命力基础[M]. 北京: 国防工业出版社, 2012.

[20] 张孝俊, 徐连按, 严军. 国外海军航空兵现代反潜作战平台与水中兵器[R].中国造船工程学会水中兵器学术委员会, GF89039, 1994.

[21] 尚绍华, 胡冬冬. 鱼雷在未来海战中仍将扮演重要角色[J]. 飞航导弹, 2010, 30(4): 37-41.

[22] 姜涛, 张可玉, 詹发民. 一种新型鱼雷战斗部的设想[J]. 鱼雷技术, 2006, 14(1): 54-56.Jiang Tao, Zhang Ke-yu, Zhan Fa-min. An Ideas about New Torpedo Warhead[J]. Torpedo Technology, 2006, 14(1): 54- 56.

[23] 步相东, 王团盟. 鱼雷聚能战斗部自锻弹丸水中运动特性仿真研究[J]. 鱼雷技术, 2006, 14(3): 44-47. Bu Xiang-dong, Wang Tuan-meng. Simulation Study on Kinematic Characteristic of Explosively Formed Projectile (EFP) in the Water for Torpedo Shaped Charge Warhead[J]. Torpedo Technology, 2006, 14(3): 44-47.

[24] 鲁忠宝, 南长江, 步相东. 水下目标爆炸毁伤时战斗部相似律仿真与试验[J]. 鱼雷技术, 2012, 20(1): 69-73. Lu Zhong-bao, Nan Chang-jiang, Bu Xiang-dong. Simulation and Experimentation on the Similarity Law of Warhead for Destroying Underwater Target[J]. Torpedo Technology, 2012, 20(1): 69-73.

[25] Shin Y S. Ship Shock Modeling and Simulation for Far-field Underwater Explosion[J]. Computers & Structures, 2004, (82): 2211-2219.

[26] Rajesh Kalavalapally, Ravi Penmetsa, Ramana Grandhi. Configuration Design of a Lightweight Torpedo Subjected to an Underwater Explosion[J]. International Journal of Impact Engineering, 2009: 1-9.

[27] Jae-Hyun Kim, Hyung-Cheol Shin. Application of the ALE Technique for Underwater Explosion Analysis of a Submarine Liquefied Oxygen Tank[J]. Ocean Engineering, 2008, 35: 812-822.

[28] 鲁忠宝, 南长江, 步相东, 等. 不同水深爆炸气泡运动特性仿真[J]. 鱼雷技术, 2009, 17(5): 15-18.Lu Zhong-bao, Nan Chang-jiang, Bu Xiang-dong, et al. Simulation of Moving Features of Underwater Explosion Bubble in Different Water Depths[J]. Torpedo Technology, 2009, 17(5): 15-18.

(责任编辑: 陈 曦)

Discussion on the Problems in Torpedo Fuze-Warhead Matching

WANG Shu-shan, LU Xi, MA Feng, XU Yu-xin

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Torpedo fuze-warhead system is a subsystem of torpedo for terminal effects and task execution, and it directly relates to effectiveness of torpedo weapon system. In this paper, the fuze-warhead matching concept and its extension are outlined, then the torpedo task in future naval warfare and the development of underwater heavily damaging torpedo warhead technology are addressed in order to clarify the importance of torpedo fuze-warhead matching. Furthermore, system framework of torpedo fuze-warhead matching is analyzed, and the main problems in research of torpedo fuze-warhead matching are discussed, such as typical target characteristics and vulnerability, power field structure of underwater explosion of warhead, analytical methods and means of fuze-warhead matching efficiency, and applications of virtual design and simulation technologies.

torpedo warhead; fuze-warhead matching

TJ630; E925.23

A

1673-1948(2013)03-0224-07

2012-11-07;

2013-01-14.

王树山(1965-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为武器系统.