主动防护系统与EFP战斗部对抗过程

2012-07-09郭希维姚志敏

兵器装备工程学报 2012年10期

郭希维，赵昉，姚志敏

(军械工程学院 a.导弹工程系;b.军械技术研究所，石家庄 050000)

对于坦克和装甲车辆来说，采用增加装甲厚度的方法，会对战车的机动性以及战略空运能力等产生极大限制作用，且效果不佳;而在战车上安装爆炸反应装甲虽然可有效提高其防护能力，但对于轻型装甲车辆还存在不少困难。在这样的背景下，新型主动防护系统的研制成为了目前各装甲大国的热门研究领域。主动防护系统的出现，也给反坦克导弹提出了新的挑战。如何突破主动防护系统的防御，确立战场上的主动地位成为反坦克导弹领域新的研究热点。

1 主动防护系统关键技术分析

根据防护机理的不同，主动防护系统又分为软杀伤系统和硬杀伤系统。软杀伤系统主要采用干扰或欺骗的方法，使反坦克导弹迷失方向，不能准确命中目标;硬杀伤系统则是在反坦克导弹命中目标之前，就将其摧毁或减小其对坦克的威胁。本文讨论的主动防护系统主要指硬杀伤系统。

1.1 主动防护系统总体原理

通常情况下，主动防护系统由3 部分构成:能探测威胁的1 个或多个传感器;能识别威胁并启动对抗措施的计算与数据处理装置;能摧毁或以其他方式使威胁失效的对抗措施［1］。其构成及工作过程如图1 所示。

图1 硬杀伤主动防护系统的构成及工作过程

当探测系统探测到有弹药攻击车辆目标时，跟踪获取来袭弹药的攻击方向、速度等信息，并将此信息传送到控制中心，控制中心发送信号使相应的发射装置进入准备状态。当来袭弹药进入拦截范围时，控制中心根据来袭弹的信息计算合适的发射时刻，并发送射击控制信号，使发射系统发射拦截弹。当拦截弹和来袭弹药交汇时，拦截弹(可采用时间引信或拉火引信)爆炸形成大量高速破片毁伤来袭弹药。根据交汇情况的不同，拦截弹可对来袭弹药造成不同程度的毁伤。当距离较近，有大量高速破片命中来袭弹药时，可导致其战斗部内炸药燃烧或爆炸、威力降低或者改变角度［2］。

1.2 探测与识别技术

主动防护技术是在探测技术发展的基础上发展起来的，故探测技术的高低直接影响着主动防护系统的防护效能。就现有主动防护系统来说，主要有雷达探测和多频谱光学探测2 种技术手段。

对于采用雷达探测手段的主动防护系统来说，其探测系统的主要技术要求可概括为:能探测近距离目标，发射信号具有大的速度容限以及具有较精确的目标速度估计和测距能力。同时，从安全角度考虑，战场上任何装备都应该具备良好的工作隐蔽性和低可探测性。伪随机码调相连续波雷达正好满足这些要求。连续波雷达由于采用多普勒、随机编码等技术，工作不需要加高压，因此其电磁辐射的功率密度非常低，不易被敌方探测;而且连续波雷达由于其信号上的连续性，其峰值功率一般不会太大，所以具有良好的工作隐蔽性和低可探测性能，大大增加了其生存能力。

考虑到雷达探测有可能使自身暴露而遭到敌方攻击，光学探测也逐渐成为一个重要的发展方向。多频谱光学探测器主要用来探测对装甲车辆有威胁的光源。根据光的大气传播特性，对装甲车辆有威胁的光谱为:可见光(0.3 ～0.8 μm)、近红外、3 ～5 μm 中红外及8 ～14 μm 远红外。多频谱光学探测技术就是在主要威胁存在的几个大气窗口分别设计光学敏感元件以便在不同频域对威胁进行复合探测。表1 列出了几种主动防护系统所采用的探测手段。

表1 几种主动防护系统的探测手段

1.3 攻击与毁伤技术

在与反坦克导弹对抗过程中，主动防护系统根据来袭导弹的位置及速度，适时控制反击弹发射、起爆，利用反击弹破片及超压场击毁或击爆来袭导弹，从而使其失去攻击能力，以此来达到保护自己的目的［3］。

从目前各国研制的主动防护系统来看，主要的对抗弹药有3 种:破片式弹药、爆炸式弹药以及制导弹药。

破片式对抗弹药沿固定、预先设定好的弹道发射次口径对抗弹，并在距车辆固定、预先设定好的距离上爆炸，而不需要根据威胁的性质和交战的顺序刻意设定弹道或选择爆炸点。未来采用的更复杂技术的主动防护系统则有可能在时间和空间上控制次口径对抗弹的爆炸时机，以达到最佳的对抗效果。爆炸式拦截弹通过爆炸效应摧毁攻击目标，或利用爆炸产生的冲击波使反坦克导弹偏离攻击方向。前述2 种对抗弹药均属于非制导弹药，而美国最新研制的“快速杀伤”主动防护系统则采用了半主动寻的导弹在距离车辆200 m处摧毁威胁，成为新型的“反导系统”。

2 EFP 战斗部的形成机理及特性分析

就现有的主动防护系统来说，其迎击起爆距离都比较近，一般在20m 以内。如果反坦克导弹的战斗部在20 m 以外或更远的距离起爆，弹丸高速飞行，就可在主动防护系统弹药到达迎击点之前对坦克实施攻击，从而突破主动防护系统。对于现有的反坦克导弹来说，一般采用的是空心装药聚能破甲战斗部，需要碰击到目标才能起爆，无法实现远射。这样就需要采用爆炸成型弹丸战斗部(explosively formed penetrator，EFP)。

2.1 EFP 战斗部的形成机理

EFP 也称为自锻破片、爆炸成型侵彻体、P 装药(projectile charge)等，是由大锥角药型罩或球缺罩翻转变形产生的。聚能装药药形罩一般分为高速射流和1 个很大的低速运动杵体，最后相互分开。射流约占药形罩质量的15%，其余为杵体。随着药形罩半锥角的增大，向内压垮的猛烈程度变小，相应地，射流与杵体间的速度差亦变小。当药形罩半锥角α 接近75°时，射流与杵体接近同样的速度，且难以区分，所以就形成为EFP。EFP 将以2 000 m/s 左右的速度冲击靶板，传递约10 亿瓦的能量，使被攻击对象失去工作效能［3］。

2.2 EFP 战斗部特性分析

EFP 继承了成型装药的特点，但是其形成过程又与之完全不同。他通过爆炸使药型罩翻转变形，结果形成类似弹丸但速度比弹丸更大的大质量“破片”，也有人称其为弹丸。由于着靶的速度高，EFP 在侵彻过程中表现出优于弹丸的特性。与射流相比，他具有3 个主要特性:①对炸高不敏感，在1 000 倍的装药口径炸高上仍能很好地发挥侵彻效力，克服射流侵彻过分依赖炸高的缺陷。以120 mm 口径的EFP 战斗部来说，可对100 m 左右的目标实施攻击。②金属射流是质量较小且细而长的金属流，其质量仅为药型罩质量的20%左右;而EFP 是大质量、大直径的侵彻体，因此，EFP 侵彻靶板所形成的大穿孔和显著的后效是其优于射流侵彻的另一特色。③EFP 作为类似“固体”弹丸的侵彻体，其抗旋性明显优于类似“流体”的射流。

3 对抗过程分析

3.1 反应时间分析

根据目前雷达的探测水平，对于目标速度的分辨率可达到1%。而一般导弹目标速度为100 ～500 m/s，拦截弹速度为1 200 ～1 500 m/s，其目标探测距离应在18.5 ～58.6 m，加上迎击弹药本身的限制，起爆迎击的距离应该在10 m左右。表2 列出了几种典型主动防护系统的起爆迎击距离。

表2 典型主动防护系统的迎击距离

从表2 可以看出，拦截距离最远的是德国的“阿威斯”和以色列的“铁拳”，在20 m 左右。如果EFP 战斗部在20 m 以外的距离起爆，那么防护系统能否对来袭武器产生毁伤，还依赖于主动防护系统本身的反应时间。反应时间是指主动防护系统从发现目标到发射第1 发拦截弹的时间间隔。反应时间是一项非常重要的战术技术参数，他描述了装甲车辆的主动防护系统对发现来袭情况迅速做出反应的能力。表3列出了几种典型主动防护系统的反应时间。

表3 典型主动防护系统的反应时间

纵观目前已有的主动防护系统，其中德国研制的AMAP主动防护系统具有最短的系统反应时间，但其仅仅停留在样品阶段。就目前比较成熟的主动防护系统而言，俄罗斯生产的“竞技场”反应时间最短，为70 ms，其余普遍在200 ～400 ms。而对于EFP 的2 000 m/s 左右的飞行速度来说，如果反坦克导弹战斗部在20 m 以外或更远的距离起爆，弹丸高速飞行，则从战斗部起爆到EFP 击中坦克装甲的时间大约为10 ms(按20 m 起爆计算)，远小于绝大多数主动防护系统的反应时间，即主动防护系统无法对EFP 进行跟踪、火控诸元解算和装订、拦截，从而EFP 可成功突破主动防护系统。

3.2 战斗部起爆距离计算

通过上面的分析，可得到这样的结论:采用EFP 战斗部的反坦克导弹突破主动防护系统是可能的。而这又引出一个新的问题，在什么样的距离上起爆更合适，既能突破主动防护系统，又能对装甲目标产生更大的毁伤。下面将对远射战斗部的起爆距离区间进行计算。

首先，要想突破主动防护系统，反坦克导弹EFP 战斗部的最远起爆距离要小于主动防护系统的最短摧毁距离MDD。而最短摧毁距离取决于3 个因素:系统反应时间T、来袭威胁的飞行速度V、拦截点与平台外部结构之间的距离P。因此，某种威胁的最短摧毁距离可以按照式(1)计算

从式(1)中可以看出，对于某一特定主动防护系统而言，最短摧毁距离仅取决于来袭威胁的速度。因此，可以得出结论:如果某威胁是从比最短摧毁距离还近的距离上发射的，主动防护系统将无法对威胁作出反应，因此也无法摧毁该威胁［6］。以俄罗斯的“竞技场”为例，其反应时间T 为70 ms，拦截距离P 为3. 9 m，假设EFP 战斗部的飞行速度为1 500 m/s，则其最短摧毁距离MDD 为108.9 m。也就是说，要想突破“竞技场”的拦截，那么EFP 战斗部必须在距离车辆108.9 m 以内起爆，从而确定了战斗部的最远起爆距离。

EFP 战斗部的最近起爆距离首先受主动防护系统起爆迎击距离的限制。也就是说，EFP 战斗部的最近起爆距离要远于主动防护系统的迎击起爆距离。下面将进一步分析最近起爆距离与主动防护系统拦截弹速度、反坦克导弹飞行速度、EFP 战斗部速度的关系。本文采用常速度(CV)模型进行分析，如图2 所示。

图2 EFP 战斗部攻击坦克示意

假设反坦克导弹、EFP 以及主动防护系统拦截弹均做匀速直线运动，且飞行轨迹在同一直线上。O 为坦克所在点，C为主动防护系统防御面与导弹飞行轨迹交汇点(即在原有导弹飞行状态下拦截弹与目标导弹的弹目交汇点)，反坦克导弹飞行至A 点时远射战斗部起爆并释放EFP，此后母弹与EFP 同时飞向目标(考虑到主动防护系统无法跟踪EFP 并对其进行火控数据的装订，所以假设拦截系统按原计划发射，在此处忽略战斗部爆炸对母弹飞行状态的影响，认为母弹飞行状态不变)，反坦克导弹飞行至B 点时，主动防护系统拦截弹发射，临界状态下此时EFP 应恰好飞行至O 点击中坦克。

其时间对应关系为

其中:VL为拦截弹速度;VM为反坦克导弹母弹速度;VEFP为EFP 飞行速度。例如，当SOC=4 m，VL=1 500 m/s，VM=300 m/s，VEFP=2 000 m/s 时，计算可得SAO≈5.65 m，因此，此时反坦克导弹远射战斗部的最近起爆距离为5.65 m。同样，当SOC=6 m，VL=1 200 m/s，VM=300 m/s，VEFP=2 000 m/s 时，计算可得SAO≈8.82 m，此时反坦克导弹远射战斗部的最近起爆距离为8.82 m。

通过用以上方法进行分析，进一步得到了EFP 战斗部在拦截距离以外的最近起爆距离。