弹道修正引信设计与发展趋势分析

赵玉清，田 斌，谢增亮，李建强，盛 鹏

(豫西工业集团有限公司，河南南阳 473000)

导航与微电子技术的发展使GPS 接收机和数据传输设备小型化程度不断提高，加固技术也使GPS 器件可承受高过载，以GPS 导航技术为基础的弹道修正技术得到长足发展。美国装有XM1156 精确制导组件是一种二维弹道修正引信，配装M795 式155 mm 榴弹和M549A1 式155 mm 火箭增程榴弹［1］。一维修正引信对炮弹弹道的纵向修正;“二维修正”则是对炮弹弹道的纵向及横向都进行修正，以达到所要攻击的目标［2］。一维和二维修正引信均要依靠对GPS 和惯性测量数据的处理，前者通过展开某种形状的空气动力减速板，后者通过控制可操纵的鸭式舵来实现弹道修正效果［3］。弹道修正引信是以先进的信息技术对常规弹药进行改造的产物，是一条低成本、高效益的炮兵弹药精确化发展之路，对提高炮兵武器在未来战争中的适应性和作战效能具有重要意义。只需少量的弹药即能够摧毁目标，且可将附带毁伤降至最低［4］。

1 弹道修正引信与制导炮弹

常规炮弹精化之路主要有两种，一种是为提高精度而专门设计的全新制导炮弹，另一种是由非制导炮弹通过加装弹道修正组件得到的灵巧炮弹。其中，前者有很高的精度，但成本较高，典型代表是: 采用GPS/INS 制导的炮弹，如美国“神剑”精确制导炮弹和远程对陆攻击炮弹，圆概率误差分别达到4 m 和5 m［5］。

目前，美、英、法、德、以、南非等国都正在研制基于弹道修正技术的弹道修正引信，可将现役常规炮弹转化为“灵巧”炮弹，精度提高3 倍以上，但单价约为精确制导弹药的三分之一左右。美国精确制导组件是目前在研发进度和技术水平上均居于领先地位的弹道修正引信。它的装备与应用对于其他寻求普通炮弹精确化的国家有着重要的指引和参考作用。精确制导组件有如下重要优势［6］:

1)研发、采办费用低，研制周期短，经济效益显著。精确制导组件方案在研发成本与研制周期方面都有较为明显的优势。从成本来看，弹道修正引信方案与其他项目相比也有着巨大的优势。精度高，性价比高。普通非制导炮弹安装精确制导组件等弹道修正引信后，可以升级成制导弹药，所需的炮弹量减少，节省了采办经费，减轻了后勤负担。

2)实用性强，对库存炮弹升级方便。精确制导组件可以旋入北约标准化引信室中。安装后利用改进型便携式感应炮兵引信装定器对其进行装定/编程，大约10 s 便可将所有任务必需的数据传给精确制导组件［7］。

2 弹道修正引信发展现状

弹道修正引信典型产品有美国XM1156 精确制导组件(Precision Guidance Kit，PGK)、美国和英、法等国研制的“斯塔尔”、法国研制的“桑普拉斯”、“斯帕西多”(SPACIDO)、德国“弹道修正引信”(TCF)以及瑞典的“布洛姆萨”等［8］。

2.1 法国斯帕西多弹道修正引信

法国“斯帕西多”是一种非GPS 方案，引信外形如图1所示。发射时，火炮向目标点更远的位置射击，利用炮口测速雷达沿着射弹飞行轨迹测量射弹的速度变化。雷达解算出阻力减速板展开的最佳时机，并向射弹发送信号。弹丸在特定时机张开阻力片以减小速度和射击距离，从而使弹丸落在预定区域［9］。如图2 所示。

图2 斯帕西多弹道修正引信原理

这种方法与基于GPS 的距离修正引信相比，精度较低但成本效益较好。斯帕西多地面站由引信装定器、炮口初速测定雷达、弹道计算机和发射机组成。炮口初速测定雷达可以测距炮口5 000 m 的速度，弹道计算机进行弹道修正计算，发射机给引信发射修正指令，如图3 所示。

图3 斯帕西多地面站

引信有杀爆弹和子母弹两个版本。配用于杀爆弹的修正引信具有修正和不修正可调、近炸、瞬发、延期和定时功能。引信利用FRAPPE 引信的部件，采用新一代射频接收机、信号处理机、电池、安全和解除保险装置和传爆序列。如图4 所示。

引信的关键技术问题是阻力机构作用时间的确定、强度和性能验证;天线安装;电源;将阻力片机构、天线、电源、电路集成到标准引信空间里; 引信与炮位通信［10］。如图5所示。

2.2 美国155 mm 精确制导组件

155 mm 精确制导组件关键技术是抗高过载GPS 制导技术和固定鸭式舵气动力控制技术。该项目分段实施、螺旋发展［11］。

图4 斯帕西多引信结构

图5 斯帕西多引信

精确制导组件可通过连接螺纹旋入北约制式引信室中，仅需用其替换炮弹原装普通引信即可。精确制导组件由炸高探测器、固定鸭式舵、GPS 天线和接收机、信号处理器、M762 安全与解除保险装置以及传爆管等部件构成(由于成本和体积的限制，该组件中没有集成惯性制导装置)。如图6 所示。配套设备:改进型便携式感应炮兵引信装定器和平台集成组件等［12］。

安全与解除保险装置由后座锁块、滑块、滑块锁销、活塞执行机构、离心块、离心簧等组成。如图7 所示［13］。平时，后座锁块和离心块分别将滑块锁定在保险位置。如图8所示。

发射时，后座锁块在后坐力作用下克服扭力簧抗力向下转动释放滑块，解除一道保险，离心块在离心力作用下克服离心簧抗力解除第二道保险，滑块运动到解除保险位置。

离心保险机构设计特点:没有使用传统的圆柱形离心子和柱形簧，而是用了离心块和板簧，其优点是减小了径向空间。

后座保险机构设计的特点是用后座锁块和扭力簧取代传统的后座销和柱形簧，其优点是减小了轴向空间。

图6 ATK 公司精确制导组件及其鸭式舵结构

图7 安全与解除保险装置

图8 安全与解除保险装置保险状态

精确制导组件采用小型贴片GPS 天线和GPS 接收机，反应灵敏，可迅速捕获GPS 信号。经加固封装后，GPS 天线、接收机以及信号处理器中的电子器件能抗火炮发射时的高过载(约20 000 G)。信号处理器根据实时接收的GPS 信号对弹道进行解算，预测弹丸落点，然后将预测值与发射前通过装定器输入的目标位置进行对比，根据二者的偏差产生修正控制指令，并传递给固定鸭式舵［14］。

固定鸭式舵接收到控制指令，电磁感应线圈控制鸭式舵相对于弹体的滚转速度和姿态。当鸭式舵稳定地保持在某个滚转姿态时，舵面产生的升力将为弹丸提供向特定方向转向的修正力，因而能够调整弹丸飞行轨迹，修正其射击距离和方位，提高命中精度［15］。应用精确制导组件技术的XM395 式120 mm 制导迫击炮弹已装备美军。

PGK 配用M795 式不敏感炮弹的设计方案: 去除了PBXN-9 传爆药以及位于PBXN -9 传爆药和IMX -104 传爆药之间的毡垫。共有两级传爆药，即IMX -104 传爆药和PGK 底部的PBXN-5 传爆药。

2.3 多口径弹道修正引信设计

美国发明专利US8513581B2I 提出了一种二维弹道修正引信组件设计，可用于不同口径的弹丸。通常弹道修正引信组件利用其上安装的鸭式舵产生转向力修正弹丸的运动方向和射程。但用于155 mm 口径弹丸的鸭式舵，其产生的转向力对于口径较小的(比如105 mm)弹丸来说，会有些偏大。该发明提出的弹道修正引信组件，其鸭式舵的尺寸和形状能够调整，从而克服上述问题，满足不同口径弹丸的需求［16］。

如图9 所示，在鸭式舵底部有一个销钉26，为鸭式舵提供一个旋转轴，其前方是锁定机构28。在锁定机构下方的引信壳体上，还有21、23 和25 三个槽。当锁定机构将鸭式舵锁定在其中某个槽中时，则鸭式舵相应地处于20、22 及24三种不同姿态。锁定机构可以用推锁系统实现［17］。

图9 可以调节偏转角度的鸭式舵设计

2.4 BAE 系统公司阻力片专利

平板式气动阻力片设计存在的一个重大问题是，当阻力片/弹翼展开后，会产生马格努斯力，干扰弹丸的飞行和弹丸的减速动作。将阻力片的前表面设计成与弹丸轴线成一定夹角，则可以抵消或减弱阻力片展开期间及展开后的马格努斯效应，从而消除或缓解马格努斯力矩对弹丸飞行的干扰。阻力片前表面或前表面的一部分，其法线方向与弹丸轴线成一定夹角［18］，如图10 所示。

图10 专利中的一维弹道修正引信

阻力片的激活与张开动作可以通过机械、电子、化学方式或火工品触发。在图11 中，展开机构10 控制阻力片的展开动作。阻力片3 上有一个孔11，其内插入锁紧销。整套展开机构中，仅需要一根锁紧销即可使所有阻力片保持收缩状态。机械臂12 控制设有插入锁紧销11 的阻力片处于收缩状态，并确保所有的阻力片同时展开。

气动阻力片的展开时机可以根据目标的位置的弹丸的位置确定。阻力片可以在弹丸旋转产生的向心力或弹簧的推力，或其他弹性元件的推力作用下张开［19］。

图11 机械式阻力片展开机构

3 弹道修正引信设计分析与发展趋势

美国XM1156 精确制导组件成为第一个在大口径榴弹上装备的二维弹道修正引信。精确制导组件研发项目的成功，有如下经验值得我们学习与借鉴:

1)依托精确制导组件项目，逐步推进普通榴弹炮、迫击炮炮弹的制导化改造［20］。通过PGK I、PGK II 和PGK III 3个阶段的螺旋式发展，精确制导组件能够实现的打击精度逐步提高，配用弹种和装备的平台不断拓展。除精确制导组件项目本身以外，美国正在围绕该技术实施多项装备计划，如美国陆军XM395 精确制导迫击炮弹项目以及海军陆战队120 mm 精确增程迫击炮弹(PERM)研发项目等，均以精确制导组件技术为基础。可以看出，美陆军希望以精确制导组件项目为依托，全面推进普通榴弹炮、加农炮和迫击炮炮弹的制导化改造。

2)以通用化、模块化多选择引信为基础，结合成熟GPS制导技术，在某一平台上取得成功后，可迅速推广应用到其他平台，实现低成本战略［21］。精确制导组件采用模块化设计思路，以通用化程度很高的M782 炮兵多选择引信为基础研制，而且应用目前较为成熟GPS 制导技术，与激光半主动等其他制导技术相比，既能获得较为理想的精度，又有显著的价格优势。这一研制路线确保了精确制导组件的良好通用性和平台适应能力［22］。

美国雷声公司在发明专利US8513581B2I 中提出了一种可根据配用弹丸的口径调整鸭式舵尺寸、形状和偏角的二维弹道修正引信设计，从而避免因鸭式舵尺寸过大，或者偏转角过大而提供过大的操控力，使得弹丸失速翻转的可能性［23］。

欧洲BAE 公司博福斯分部为弹道修正引信阻力片设计申请了专利，通过将阻力片的前表面(即面向弹丸飞行方向的一面)设计成与弹丸轴线成一定夹角，则可以抵消或减弱阻力片展开期间及展开后的马格努斯效应，从而消除或缓解马格努斯力矩对弹丸飞行的干扰，因而可以弹道修正装置的修正效果［24］。

弹道修正引信的发展方向是发展采用卫星导航技术、鸭式舵和阻力片技术为支撑的二维弹道修正引信。

4 结束语

一维弹道修正引信可以借鉴“斯帕西多”(SPACIDO，即“采用多普勒测速仪提高精度的系统”)，结构较为简单，火控雷达和火控计算机协同工作，技术成熟，故设计难度不是很大［25］。

二维弹道修正引信可以借鉴美国XM1156 精确制导组件(Precision Guidance Kit，PGK)，立足于军事科技发展实际，侧重于“北斗”导航、惯性导航、空气阻力技术。总之，弹道修正引信成本较低，精度较高，符合弹药发展精确性和经济性要求，是常规弹药发展的方向。

组织专家制定弹道修正引信设计规范，减少无序竞争，少走弯路，借鉴两弹一星科研攻关组织管理经验，尽快缩短在常规弹药制导化方面与国际先进水平的差距，为我军打赢现代战争做出贡献。

［1］北方科技信息研究所.2013年世界引信火工品技术发展分析［M］.北京:兵器工业出版社，2014.

［2］Max PERRIN.Course Correction Fuzes Integration Technologies［C］//55th Annual Fuze Conference. Salt Lake City，UT-May 24-26，2011.

［3］舒延春.一维修正弹射击校正方法［J］.四川兵工学报，2015(2):1-3.

［4］曹红锦，常思江.基于神经网络的弹道修正弹落点预测方法［J］.四川兵工学报，2015(1):17-20.

［5］袁新波，王朋飞.海拔高度对一维修正弹弹道特性的影响［J］.四川兵工学报，2014(11):34-36.

［6］余勃彪，严平.弹道修正弹药现状及关键技术［J］.四川兵工学报，2011，32(4):37-39.

［7］黄义，汪德虎，由大德，等.一维增程修正弹对海上目标射击误差及射程扩展量研究［J］.弹箭与制导学报，2012(1):149-153.

［8］王中原，史金光.一维弹道修正弹气动布局与修正能力研究［J］.南京理工大学学报，2008，32(3):333-336.

［9］Nashville.SPACIDO 1D Course Correction Fuze［C］//51st Annual Fuze Conference.May 22-24，2007 .

［10］王欣，岳明凯.弹道修正技术及其应用研究［J］.飞航导弹，2012(3):149-153.

［11］史金光，王中原，曾小兵，等.一维弹道修正弹气动力计算方法和射程修正量分析［J］.火力与指挥控制，2010，35(7):80-83.

［12］于涛.二维修正弹的弹道特性研究［J］.南京理工大学学报，2010(3):18-19.

［13］UT.Fuzing’s Evolving Role in Smart Weapons［C］//55th Annual Fuze Conference Salt Lake City，May 24-26，2011

［14］陶陶，王海川.一维弹道修正弹阻力环修正控制算法研究［J］.指挥控制与仿真，2009，31(3):88-90.

［15］陈科山，马宝华.迫弹一维弹道修正引信阻力器结构的空气阻力特性研究［J］. 北京理工大学学报，2004，24(6):477-480.

［16］王良明，钱明伟. 高原环境对高炮外弹道特性的影响［J］.弹道学报，2006，18(1):18-21.

［17］钱明伟，王良明，郭锡福.火炮武器射击时的弹道特性研究［J］.弹道学报，2009，21(4):21-25.

［18］朱志军，潘书山.雷诺数随高度的变化对远程弹箭射程的影响［J］.火力与指挥控制，2009，34(5):111-114.

［19］邱荣剑，陶杰武，王明亮.弹道修正弹综述［J］.国防技术基础，2009(8):45-48.

［20］虎晓伟.弹道修正技术反导应用［J］.火力与指挥控制，2004，29(5):41-43.

［21］Tom Hillstrom＆Paul Osborne.United Defense Course Correcting Fuze for the Projectile Guidance Kit Program［C］//NDIA.49thAnnual Fuze Conference April 5-7，2005.

［22］华菊仙.弹道修正引信:拓宽炮兵弹药精确化之路［J］.现代军事，2005(10):75-79.

［23］高敏，张强.弹道修正弹实际弹道探测技术综述［J］.弹道学报，2003(1):91-96.

［24］赵金强，龙飞，孙航.弹道修正弹综述［J］.制导与引信，2005(4):16-19.

［25］陈永新.德-瑞联合研制227 毫米火箭弹弹道修正模块［EB/OL］.［2005-01-18］.http: //army.news.