解析美军新型激光制导子弹

要雪峰, 栗苹

（北京理工大学机电工程与控制国家重点实验室,北京 100081）

解析美军新型激光制导子弹

要雪峰, 栗苹

（北京理工大学机电工程与控制国家重点实验室,北京 100081）

顺应现代战争的军事需求,精确制导武器的广泛使用已成为信息化战争的重要特征。制导技术在导弹、炮弹等领域的应用已不足为奇,而在枪弹领域开展制导技术的应用研究几乎是空白。非接触、零伤亡的作战追求,使远距离开火、一枪毙敌成为现代战争对枪弹作战使命的新要求,微电子技术、微控制技术和新材料技术的发展,使制导枪弹的发展应用成为了可能。美军已先行开展了相关技术的研究,并取得了一定成果。文章主要对美军新型激光制导子弹进行介绍,并分析其结构原理和技术特点。

激光制导；子弹；结构；原理

0 引言

2012年2月2日,中央电视台午间新闻栏目报道了《“子弹”长眼睛,射击更精确》的新闻,美军新型激光制导子弹就此走入了人们的视野并引起热议。据资料报道,美军于1994年便率先开展了将制导技术应用于枪弹的研究,当时美空军实施了一项名为“灵巧子弹”（Smart Bullet）的研究计划,该计划由美空军佛罗里达怀特实验室资助,亚拉巴马州（Alabama）奥伯恩大学航天材料工程系具体负责研究实施,计划所研制的制导子弹被称为“身管发射自适应子弹”（Barrel-Launched A-daptive Ammunition）,其弹头上有寻找激光信号的传感器和能控制弹头飞行方向的压电陶瓷棒,实现了弹丸偏角的自适应控制,能灵敏调整速度超过1 020 m/s的弹丸飞行方向。

2008年,美国国防部高级研究计划局（DARPA）又分别与洛克希德·马丁公司和美国蒂莱蒂尼科学与成像公司签订了价值1 230万美元和950万美元的高额合同来开展EXACTO（The Extreme Accuracy Tasked Ordnance高精度任务武器计划）的工作,目的是开发使用制导子弹的狙击步枪,包括机动的子弹和全程跟踪的实时制导系统。技术开发工作包括气动控制设计与一体化、能源、光学制导系统和传感器。EXACTO旨在减少横风、空气密度等环境因素对狙击武器的影响,提高对运动或静止目标的命中率,提高射手的隐蔽性。

2012年1月30日,洛克希德·马丁公司全资子公司桑迪亚公司负责运营管理的美国桑迪亚国家实验室报道,该实验室研制出了一款可自动调整飞行方向的激光制导子弹,这种子弹在远距离上的射击精度更高,有效打击距离超过1.6 km,使步兵在战场上非接触、远距离开火、一枪毙敌成为了可能[1]。本文将对美军新型激光制导子弹的结构、原理和技术特点进行较为详细的介绍和分析。

1 美军激光制导子弹结构

据报道,在阿富汗和伊拉克战场上,由于受天气、风速、光线及目标移动等因素影响,美军士兵经常消耗大量子弹也无法命中目标。由美国桑迪亚国家实验室公开的激光制导子弹正在为步兵开启精确打击的新时代,其最终目标是要研发一种可以自动搜索和锁定目标,并精确命中的子弹。

该制导子弹全弹由弹头、弹托和弹壳三部分组成,全弹结构如图1所示。

图1 全弹结构图

弹头长101.6 mm,口径12.7 mm,初速730 m/s,射程约1.61 km。制导子弹的核心是具有制导功能的弹头,弹头由激光导引头、控制执行机构、电池、配重块、尾翼和舵机六大部分组成,如图2所示,采用尾翼稳定方式,依靠舵机调整飞行姿态[2]。

图2 子弹设想解剖图

2 美军激光制导子弹原理

美国桑迪亚国家实验室公开的制导子弹采用类似激光半主动的制导原理,当子弹从枪管里飞出后,弹托就会脱落。制导子弹飞行过程中,弹尖内含光学传感器,可探测到目标上反射的激光束,用于判断子弹飞行方向与目标之间的偏差,光学传感器将信息传递给导航和控制元件,该元件指挥微型驱动器控制微型舵机的姿态,从而引导子弹准确飞向目标。

2.1 制导子弹发射方式

与传统意义上的子弹不同,激光制导子弹突破了传统子弹从螺纹枪管发射后高速旋转、直线飞行的惯性轨迹,采用滑膛发射方式,开辟了子弹发射后不旋转、无动力曲线飞行的先例,颠覆了传统的射击原理。测试中科研人员在其弹头尾部安装了发光二极管（LED）,可以清楚地看到子弹弹道围绕激光束产生的自动修正轨迹,如图3所示[2]。

因此远距离射击时就不需要再考虑目标移动、风速风向、地球重力、地球自转、空气温度密度折射等问题,只需将激光束保持照射到目标即可。

图3 激光制导子弹的飞行轨迹

2.2 飞行稳定方式

制导子弹采用了塑料弹托设计,弹托用于闭气,并保护子弹纤细的尾翼和舵机,当子弹从枪管飞出后,弹托就会脱落。其后子弹主要依靠其稳定的空气动力学设计保持飞行稳定,配重块使子弹重心位于弹体前部,尾翼（4片）用于稳定弹头飞行,舵机（4片）主要用于保证制导子弹飞行稳定,同时不间断对飞行姿态进行调整。

2.3 飞行制导方式

在制导子弹的内部有一个独特的微型激光制导控制系统,主要由两大部分构成。

一是制导系统,在子弹前端有一个由光学聚焦成像器件和光敏元器件组成的激光导引头,用于搜索、追踪射向目标的激光制导点,从而感知制导子弹飞行方向与目标之间的偏差,并产生导引电信号。控制执行机构接收来自激光导引头的电信号,后者通过一个8位的中央处理器计算出需要的飞行路径,生成制导信号或控制指令,驱动微型驱动器[3]。

二是微型驱动系统,主要是一个微型驱动电机和类似于“鱼鳍”的微型舵机（4片）,如图4所示。驱动电机可为驱动系统提供动力,微型舵机主要用于保证制导子弹飞行稳定,同时受控于微型驱动电机,可根据制导系统产生的控制指令不断旋转,调整方向,产生偏转驱动力,控制子弹的飞行路径,迂回、曲折的击中目标。

图4 舵机设想示意图

3 美军激光制导子弹特点

3.1 整体结构设计精巧

弹托、尾翼和舵机的巧妙结合,一方面有利于发射时闭气保证身管膛压,一方面有效保护了尾翼和舵机免受高压气流冲击而发生形变。在飞行过程中尾翼的存在则一方面可以保证无旋转的枪弹飞行稳定,同时当舵机偏转时,可产生更大的侧向控制力,有利于控制弹道偏转。

3.2 制导技术成熟可行

该制导子弹采用激光半主动制导原理,技术成熟,反应灵敏,制导过程所需导航信息较少,只需得到弹头与目标的偏差信息即可,不用进行复杂的数据运算,显著降低了制导系统的复杂性,适合于体积小巧的枪弹制导。

3.3 飞行控制效果良好

任何弹丸在空气中飞行时,都会以一定的频率产生抖动和偏航现象。与导弹相比,子弹微小的外形反而简化了其飞行控制系统。对体型大的导弹而言,其飞行轨迹修正频率较低,修正次数少,因此每次修正都需要非常精确。而该制导子弹的固有频率约为30 Hz,也就是每秒可以校正30次,因此不需要每次都进行精确校正,从而与微型舵机微调方向的作用相得益彰。据其实验表明,由于受到外界条件影响,普通子弹每飞行800 m至少偏离目标8.96 m,而制导子弹则只偏离0.2 m[4]。

3.4 子弹杀伤力受限

该制导子弹初速仅为730 m/s,与相应口径的军用枪弹速度存在差距,由于其自身没有动力系统,在飞行过程中还需要改变前进方向,势必会消耗部分动能,即使可以飞行1.6 km准确到达目标,其落点能量及作用效果也将有限。

3.5 实战中应用受限

由于该制导子弹采用激光制导,在实战中,子弹需要与激光指示器一同使用,如果直接采用激光束指示目标,那么就容易使作战人员暴露,造成适用性受限。目标如何有效标示将成为其大规模应用于实战的关键问题之一。

4 结束语

本文概述了美军制导子弹的研制动态,并对美国桑迪亚国家实验室公开的激光制导子弹进行了较为详尽的解析,在对其整体结构介绍的基础上,分析了其工作原理和工作过程,并进一步提出了现阶段该制导子弹的优缺点。该制导枪弹的出现,揭开了枪弹技术一个新的发展方向。

[1] 孙晓棕,国海广,张宏光.美国新型制导子弹[J].轻武器快讯,2012,（2）：134.

[2] 张宏光,曹晓东,王丽静,齐文娟.突破性研究：枪弹也制导[J].轻兵器,2013,（4）：26-27.

[3] 李旭光,何旋,王国栋.激光制导：让子弹自己飞[N].解放军报,2012,23（12）.

[4] 刘虎.激光制导子弹问世[N].海峡都市报,2012, 27（2）：A22.

Analysis of the New Laser Guided Bullet for US Army

YAO Xue-feng, LI Ping
（National Key Laboratory of Mechatronics Engineering and Control, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

Comply with the military requirement of modern war,the widespread use of the precision guided weapon has become an important characteristic of the information war. It is not surprising for guidance technology application in the field of missiles,shells,etc. But it is almost blank for guidance technology application in the field of bullets.The combat pursuit of non-contact,zero casualty make the long-distance fired become the new requirement of the bullets battle mission.With the development of the microelectronics technology, micro control technology and the new materials technology,use the guidance technology for bullet.The US army has first began the research and achieved certain results.This paper mainly introduces the new laser guided bullet for US army,analysis the structure principle and the characteristics of this bullet.

laser guidance；structure；principle

E932.1

A

1671-0576（2014）02-0011-03

2013-10-30

要雪峰（1982-）,男,硕士研究生,主要从事信息感知与对抗技术研究。