一种在高炮武器系统平台上加装制导弹药方案的研究

刘志鹏，杨 斌，于天朋，王 铄

(1.北京航空航天大学宇航学院，北京 100191;2.总装驻长治地区军代室，山西 长治 046012;3.兵器工业集团有限公司，山西 长治 046012)

高炮武器系统反应速度快、不受气象条件限制，可以对突然出现的近程空袭目标作战，同时可以对敌空袭目标实施高火力密集度攻击，一直以来是防空战斗中不可缺少的武器。高炮命中精度在很大程度决定于预测机动目标未来位置的精确性，在拦截机动目标时，一般采用的是向目标的提前点射击，然而，随着空袭武器制导化和机动性的提高，使得高炮在防空体系中拦截目标的命中概率越来越低。另外，由于现代空袭武器的结构设计特点，即目标在命中大量小口径弹丸的条件下也可能保持其战斗毁伤作用。

为了从理论上解决高炮防空效能低的难题，基于高炮在近程防空反导方面的需求和国外发展的趋势，本文结合国内目前现有的技术提出在中口径高炮武器系统中加装毫米波驾束制导弹药，构建一个理论上可实现“指哪打哪”的高炮驾束制导弹药防空反导武器系统。

制导弹药采用毫米波驾束制导体制，可以抗电磁、激光、红外、闪光、火光、雾气(在不影响目标识别的条件下)等干扰，同一驾束制导波束可以制导多发制导弹药，从而可以有效地提高防空反导的效能［1-3］。采用驾束制导弹药射击的安全距离最近大于1000m，是传统高炮弹药的两倍多，对超音速目标的爆炸破片损伤发射平台的概率大大降低，大大提高战场生存能力。

1 在高炮平台上加装制导弹药技术的国外研究现状

提高对目标毁伤效能是弹药技术重要的发展方向，由于现有高炮一般都采用无控弹射击，存在拦截距离近、抗击批数少、作战效能低、拦截超音速目标困难等问题，美、俄、意大利、瑞典以及德、法等国都在中口径高炮基础上研制制导弹药，以提高其防空反导能力。

1)美国

美国从20 世纪70 年代中期开始，就致力于将制导、修正类的弹药加装在高炮平台上，提出了“末端修正的旋转稳定弹”(TCSP)，主要是用于防空炮弹的末端弹道修正。

它的修正模块完全安装在炮弹的引信腔里，该炮弹的弹道修正过程如图1 所示。末端红外探测器探测到目标后，确定弹道修正量，并将指令传递给鸭舵进行偏转，操纵导弹飞向目标。这种方案优点虽然比较明显，但技术难度也很大，要求部件微型化。但是将整套包含着探测部件、数据处理部件、控制部件、气动操纵部件以及引信组合起来并置于原引信相当的空间里比较困难的。从美国20 世纪70 年代中期提出该方案以来，原本预计三五年内解决微型化问题，然而直到2000 年，该问题仍末得到解决。目前尚未有消息证明该技术难题获得突破。

2)俄罗斯

有些学者认为地面装甲车辆的低空和超低空防空区域，防空导弹有明显的劣势和不足:防空导弹对环境要求高，低空性能差、装备数量少，在山区及崎岖的地形条件下近距离(几百米)突然出现敌空袭武器的情况，防空导弹短时间内难以到达，且防空导弹安装到装甲机动平台上不利于平台的隐身，容易成为敌人的目标，所以防空导弹野战机动作战能力受限。

所以俄罗斯将57 mm 防空高炮装在装甲底盘上，并在该系统上加装制导炮弹用于对付空中目标。图2 为该制导炮弹的系统组成图。

图1 TCSP 弹道修正过程

图2 俄罗斯57 mm 高炮制导炮弹系统

该弹药采用激光束驾束，打击的距离从200 m 到6 km甚至8 km 的载人目标或是3 ～5 km 内的无人驾驶目标。

3)意大利

为了增强76 mm 自行高炮的防空反导能力，意大利奥托-梅拉拉公司将正在为海军舰炮研制的DART 毫米波驾束制导炮弹移植至“奥托马蒂克”自行火炮上，使其能够发射制导炮弹，以对付武装直升机、低空飞机及地面轻装甲目标。

如图3 所示，“奥托马蒂克”自行火炮采用62 倍口径长身管、立楔式炮栓和自动供弹系统，并装有抽气装置，初速900 m/s，有效射程6 000 m，理论射速120 发/min，携弹量90发。采用“帕尔玛利亚”自行火炮底盘，全系统反应时间少于5 s，具有全天候和三防作战能力。

4)瑞典

瑞典博福斯公司为改善40 mm 防空高炮的作战能力，为其研制了“崔尼提”(GJC4P)防空制导炮弹，

该弹全称为“喷气控制弹道修正近炸引信预制破片弹”。弹的前部装有钨球预制破片，中间部分设有数个用于弹道修正的小喷孔，气源由小型燃气发生器产生;底部装有折叠式尾翼，用来降低弹丸的转速，弹底装有指令信号接收机。制导炮弹外形及工作原理如图4 所示。

图3 意大利“奥托马蒂克”自行火炮

图4 瑞典“崔尼提”外形及工作原理

弹丸发射后，火控系统的探测跟踪等系统继续跟踪目标，不断测量目标飞行参数的变化值。火控计算机根据上述参数的变化，计算目标参数变化后的预测点，通过无线电发射机向弹丸发出修正指令信号，接收装置收到指令信号后，控制相应的燃气发生器喷气，产生推力对原先弹道进行修正。该弹的修正速度为15m/s，经过5 ～6 次修正，可使弹丸横向位移30 ～50 m。

2 在高炮平台上加装制导弹药的可实现性

2.1 实现制导弹药高炮武器系统的总体思路

中口径火炮因其弹丸威力、射程、射速等关键指标在近程防空等作战任务中优势明显，而其弹丸体积较充足，有利于将其制导化，所以本文提出在中口径高炮平台上加装制导弹药。总体设计思路是，在基本不改变原有传统弹药武器系统的原则下，通过添加毫米波照射系统和制导炮弹系统，构建新的高炮驾束制导弹药武器系统，使整个武器系统即可以发射常规弹药又具有发射制导弹药的功能。制导弹药采用预制破片战斗部，多功能近炸引信，能够高效对付低空飞行的固定翼及旋翼飞行器、制导炸弹、反辐射导弹以及飞行速度2.5 Ma 的巡航导弹。

改造后的系统有如下特点:①充分利用原高炮武器系统的信息资源，对原高炮武器改动小，与常规弹药武器系统兼容;②将常规弹药技术和信息化弹药技术相结合，实现弹药的有控机动飞行，飞行速度高，机动能力强，能快速到达目标处;③毫米波抗干扰能力强，具备全天侯作战能力;④同一波束可以同时制导多发相同的制导弹药，对敌目标拦截效率高。

2.2 制导弹药高炮武器系统方案

2.2.1 系统工作原理及系统组成

高炮驾束制导弹药武器系统采用三点法导引，由5 部分组成，分别是原有预警系统、原有火炮系统、原有火控系统和驾束制导装置、制导炮弹。系统组成如图5 所示。

图5 制导弹药高炮武器系统组成

高炮驾束制导弹药武器系统工作时先由预警系统发现目标，将目标信息传递给火控系统，火控系统根据该信息计算出火炮初始发射角度等信息［4-5］;当目标进入到射程范围内后，火控计算机给出发射提示，射手击发发射按钮，毫米波照射器开始工作，在空间形成编码信息场，随即制导弹药飞出炮口，弹尾部的尾翼锁定装置脱落，尾翼张开;当制导弹药进入波束后，弹上信号接收机接收制导信号，自动识别导弹距波束中心的偏差，形成舵控指令，驱动舵机控制导弹在波束中心飞行;制导弹药命中目标后，引爆战斗部，毁伤目标。

2.2.2 制导弹药方案

整装的制导弹药的结构参数与制式弹药一致，保证原有高炮系统的运输及装填过程。其结构组成如图6 所示。单体包括舵机舱、战斗舱、仪器舱、接收机、尾翼和药筒部件。飞行弹采用“鸭”式气动布局，使其具有良好的操作性，单通道舵机一部分折到弹体内，一部分折在弹外。仪器舱内包含陀螺、弹载计算机、弹载电源等，是制导弹药的“大脑”，弹载计算机将接收机信号与陀螺信号调制解算后产生制导指令，传送给舵机，改变制导弹药运动状态。4 片尾翼成“×”型分布，通过套筒约束在弹的后方，伸入药筒内部，弹药出炮口后迅速展开保持弹药稳定。接收机位于制导炮弹的底部，通过一个托盘保护其承受火炮近20 000 g 的发射过载，它主要接受毫米波照射器发出的带编码的激光信号，调制为电信号后传输给弹载计算机。制导弹药通过固定在弹丸中心部位的弹带与火炮结合，药筒中发射药在炮膛内作用使弹药在短时间内获得较大初速，可达900 m/s。

该制导弹药不再配备其他动力装置，出炮口后采用“无动力飞行”的速度方案，其速度-时间曲线如图7 所示。

图6 制导弹药的结构组成

图7 速度-时间曲线

在该飞行速度下，制导弹药的最大横向机动过载可达15 g，从而保证了制导弹药良好的机动特性。

3 加装制导弹药高炮武器系统的作战效果分析

根据高炮驾束制导弹药的作战需求，针对典型的制导炸弹目标，对使用高炮驾束制导弹药的作战效果进行仿真分析。

对于制导炸弹类典型目标，一般都是由载机投放，飞行的弹道和弹体结构如图8 所示。载机投放制导炸弹应满足投放速度和投放姿态等约束条件时投放(初始弹道倾角在-30 ～20°，并且满足末端落角大于30°)，投放高度为3 000 ～11 000 m。

图8 目标(制导炸弹)的示意弹道及结构组成

根据以上信息，分析在作战使用条件下制导弹药在拦截目标过程中整个弹道所需的机动能力，在全弹道上，以颜色标明所需用的过载值，分析的结果如图9 所示。

图9 制导弹药在垂直作战平面拦截不同距离目标时的需用过载

通过图9 中分析可知，对典型的目标，采用驾束制导弹药对其拦截，在作战空域中，设计的最大可用过载大于需用过载，满足战技指标要求。

图10 使用制导弹药拦截目标的空间刚体弹道

在高炮平台上加装制导弹药，主要是让发射的弹丸有控机动飞行，拦截机动目标，为了验证制导弹的机动有效性，设定目标距离为6 km，速度为0.9 Ma，末端机动，采用六自由度刚体弹道进行仿真。仿真结果如图10。从图10 中可以看出制导弹药的弹道弯曲，弹丸机动飞行，有效拦截了末端机动的目标。

对于制导弹药除本身可机动飞行拦截目标外，其命中概率还受跟踪、制导系统影响，所以制导弹药命中概率是在一定的系统约束下的一个综合指标。通过分析可知，单发制导弹药的命中概率随距离的变化规律如图11 所示。

图11 单发制导弹药的命中概率

对于毫米波驾束制导，最大的优势是同一波束可以制导多发制导弹药，由分析可知，对于多发制导弹药命中概率变化如图12 所示，从图12 中可以看出当同一波束制导5 发弹药时，在6 km 处的累积命中概率达90%以上，对目标的累积拦截效果显著。

图12 多发制导弹药的命中概率

4 结束语

综上所述，在中口径高炮防空体系中加装驾束制导弹药会大大提高其防空反导的效能，并且克服了传统无控弹药拦截机动目标时，计算射击诸元误差导致弹丸难以命中目标的难题。同时国内在该口径的制导弹药研制方面有一定的技术储备，所以技术风险小，具有可实施性。

［1］王狂飙.俄罗斯与西方国家的炮射导弹［J］.火炮发射与控制学报，2002(4):57-61.

［2］王狂飙.激光制导武器的现状，关键技术与发展［J］.红外与激光工程，2007，36(5):651-655.

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［4］徐士良.数值方法与计算机实现［M］.北京:清华大学出版社有限公司，2006.

［5］常思江.某鸭式布局防空制导炮弹的飞行弹道特性与控制方案研究［D］.南京:南京理工大学，2011.