新太空小口径高初速动能发射技术及打击模式

2015-02-02徐健，杨臻

兵器装备工程学报 2015年12期

关键词：小口径兵器太空

徐　健，杨　臻

(中北大学机电工程学院，太原　030051)

新太空小口径高初速动能发射技术及打击模式

徐健，杨臻

(中北大学机电工程学院，太原030051)

摘要：新太空武器最突出的特点就是能发射出高速运动的弹头，利用弹头的巨大动能，通过直接碰撞的方式摧毁或击伤目标。若在我方平台上搭载该发射平台，可以以较小的代价获取较大的军事效能，具有较大的军事价值。若开发一种口径适中，初速比陆基武器大得多的发射系统，对敌卫星、空间站等空间信息系统进行打击，用来争夺信息控制权。

关键词：兵器；小口径；高初速；太空；发射

本文引用格式：徐健，杨臻.新太空小口径高初速动能发射技术及打击模式[J].四川兵工学报，2015(12):26-30.

Citation format:XU Jian, YANG Zhen.Newly-Outer Space Small-Bore High Muzzle Velocity Launch Generality and Shock Mode[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(12):26-30.

Newly-Outer Space Small-Bore High Muzzle Velocity

Launch Generality and Shock Mode

XU Jian, YANG Zhen

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:The outstanding advantage of outer space weapon is that it can launch bullet with high velocity which is used the far high kinetic energy of bullet to fight off or directly collies the object. If we establish this launch platform on our own platform, we can get the maximum martial efficiency with the minimum cost. If we develop a launch system with moderate caliber and that has the velocity than land army weapons to hit the space information such as enemy secondary planet, space station and so on to contest communication authority.

Key words:weapon; small-bore; high muzzle velocity; outer space; launch

当前世界军事强国非常重视空间，制天权具有极大的重要性。制天权在未来战争中至少可以扮演以下3种角色：① 对地面作战提供空间支持；② 控制空间；③ 部署天基武器，实施全球攻击。

控制空间方面的设想主要为：完善太空监视，保护自己的卫星，确保自由进入太空，阻止对方使用太空，阻止对方使用其太空能力等。阻止对方使用太空措施之一就是坚持不懈地发展反卫星武器，明确提出把发展摧毁卫星能力作为威慑战略的组成部分。

基于空间平台的武器，该武器最突出的特点就是能发射出高速运动的弹头，利用弹头的巨大动能，通过直接碰撞的方式摧毁或击伤目标。与众不同的是动能武器不是靠爆炸、辐射等其他物理和化学能量去杀伤目标，而是靠自身巨大的动能，在与目标短暂而剧烈的碰撞中杀伤目标。开发一种口径适中，初速比陆基武器大得多的发射系统，对敌卫星、空间站等空间信息系统进行打击，用来争夺信息控制权。

1国内外太空武器特点

国内外研究现状分析，目前世界主要的天基武器主要有如下几类[1-6]：

1.1　天基微波武器

天基微波武器是利用强微波波束的辐射，干扰或烧毁敌方电子设备以及杀伤作战人员的一种天基武器，又称射频(RF)武器。

天基微波武器由能量系统、高功率微波发生器、大型发射天线和其他配套装置组成。微波发生器所产生的强微波，以很窄的脉冲通过天线集聚在一个窄波束内，很高的微波能量定向投射到空间目标上，以破坏敌方的电子系统传感器和接收机部分，烧毁电子元器件，扰乱数字电路，甚至直接摧毁敌方设备。目前，世界发达国家，如美国、俄罗斯、法国、英国、德国和日本等，都很重视发展高功率微波武器。

1.2　天基粒子束武器

天基粒子束武器是利用高能强流粒子加速器，将电子、质子和各种重离子等带电粒子加速到接近光速，使这些粒子具有极高的动能，然后用强磁场将它们聚集成高密度的高能束流，经中性化处理后，直接射向目标，与目标物质相互作用，达到杀伤、摧毁敌方目标。

天基粒子束武器系统主要由粒子束生成装置、能量系统、预警系统、目标跟踪和瞄准系统、指挥和控制系统5大部分组成。但是粒子束武器存在设备体积过大问题。

1.3　天基电磁轨道炮

太空电磁轨道炮原是“星球大战计划”设想的一种武器，它是用炮管内两条平行轨道以高达(100～200)×104A的强大电流将炮弹加速到2.5 km/s的速度。该种电磁发射技术带来的问题是，第一是电源设备体积质量问题、第二是发射速率不高，在两次发射之间需要充电。

1.4　太阳能光学武器

太阳能光学武器是一种天基镜子群，这些镜子把太阳光聚焦到空间目标，对目标形成毁伤。由于光的散射，该武器的杀伤是有限的，但是该系统可以用来破坏或控制天气，形成对自己有利的作战条件。该武器对卫星平台的影响最小，但是若不在太阳光照射范围之内，则不能对目标进行毁伤。特别是如果攻击距离较远，由于光的散射，杀伤效果又十分有限。

1.5　天基激光武器

天基激光武器是利用激光的高热效应，把强激光产生的数十万、数百万焦耳的激光能量，射向数千米、数百千米的空间目标，与目标材料相互作用，产生不同的杀伤破坏效应，如烧蚀效应、激波效应和辐射效应等。尽管激光武器有诸多的优点，但是激光武器需要巨大的能量。

1.6　空间雷

把具有轨道机动和接近能力的微小卫星装上炸药，长期潜伏在工作轨道。需要时可以快速机动，接近目标，根据装药数量和摧毁目标要求，在距目标一定距离内引爆炸药，这样就变成一颗难于防御的空间雷。这里需要研究的内容：达到最大接近目标的距离与最小炸药量和获得最佳破坏效果三者间关系。另外，需要一个轻质量微功耗的轨道机动和接近制导控制系统。

空间雷需要制导系统，同时由于引爆的炸药，对目标的破坏后会形成大量的破片，在空中形成破片垃圾，也成为一颗颗卫星，会对其他各种卫星和空间飞行器产生危害与威胁。

1.7　动能撞击器

把动能撞击器(KKV)装在小卫星平台上，也可作为有效载荷的一部分。平时可部署在工作(潜伏)轨道长期隐蔽；需要时小卫星释放动能撞击器，通过变轨机动和各阶段制导控制，构成一条攻击轨道。若各阶段制导系统能够正确发挥作用，则可以精确击中目标。

动能撞击器的特点是一次性使用的，而小卫星上不可能装备很多的动能撞击器，而且需要复杂的制导系统，才能对目标进行准确攻击。

上述各种天基武器，要么存在天基武器设备过大、依赖大能量电源的需求，或者发射时射速不高，需要等待充电时间等；或者容易受太阳光等天气因素的影响的缺点。动能撞击器KKV制导系统复杂，而空间雷的爆炸产生的碎片会对空间其他飞行物，包括自己都构成威胁。

2技术支持

提出一种口径为6 mm；弹丸质量为10 g；初速为1 800 m/s的反太空目标的动能发射技术，利用成熟的火药发射技术，利用弹头的巨大动能，通过直接碰撞的方式摧毁或击伤目标。

2.1　各种关键技术

2.1.1高膛压发射技术

为了缩短身管长度、设计出长度可以接受的身管、需要大幅度提高膛压，因此比常规枪炮300MPa的膛压要高，预计在500～700 MPa范围内。

高膛压带来对武器材料力学性能要求的提高。有点像坦克炮的膛压。高膛压带来对武器材料力学性能要求的提高，断裂韧性和裂纹扩展速率等指标就成为身管材料重要性能参数。同时对身管的工艺水平也提出也更高的要求。

无论是通过增大装药量还是通过提高火药力的方式来提高膛压，提高膛压后不仅会带来严重的压力振荡，产生压力波，威胁发射安全性，同时会增加武器系统质量。高膛压同时带来了火药燃烧释放热量增大，此时身管寿命尤其是烧蚀将成为关键问题。

2.1.2无后坐技术

由于空间卫星载体质量小，同时在轨道上运行，任何施加在卫星上的载荷将对卫星姿态和稳定性产生影响，后坐力对卫星的影响类似于对卫星进行变轨。

2.1.3太空弹药存储技术

按照目前低轨道军用天基平台的主要位于200～1 500 km的地球低轨道。其轨道在大气层中属于第四层 80～500 km(暖层)以及第五层 500～1 000 km(外层)，温度都随高度增加而升高。这是因为这层中的空气分子和离子直接吸收太阳紫外辐射能量，因而运动速度很快，和高温气体一样。但是到夜间，其热量将辐射出去，造成昼夜温差极大，远超过目前弹药发射条件是-40～+50℃，为了保证弹道性能，必须对弹药采用新型的存储技术，保证弹道性能的一致性。

2.1.4轻量化技术

军事侦测天基平台本身的质量不大，减轻发射体的质量即可换来携带弹药的增加，对火力机动性和持续性有利，同时不需要过分增大天基平台质量。在发射系统结构中，身管和弹壳作为承受火药燃气压力的构件，减轻其质量将是降低整个发射系统质量的主要途径。发射系统质量的降低对减小随动系统的驱动力矩的需求也有利。高膛压与轻量化的这一对矛盾的结合，对新型材料提出了更高的要求。

目前轻量化常见的复合材料大多以某种形式与身管基体材料进行结合，比如缠绕等方式，高膛压下对缠绕层的厚度、缠绕方式、缠绕层与基体金属之间应力应变规律，特别是在环境温度变化剧烈状态下复合材料层与基体金属之间的热胀冷缩关系之间的匹配问题对轻量化提出了严格的要求。

2.1.5天基平台下自动机技术

太空中重力条件有别于地球上的条件，微重力条件下构件的重力、接触、摩擦、润滑条件与地球上均不相同，而且温度变化范围极大，如何在温度变化范围内保持自动机正常运动，保证材料在高低温情况下的力学性能尤为重要。自动机传动、润滑条件十分重要。如前所述的因低温条件而造成的“冷焊”现象，在有相对运动的构件之间需要采取材料方面的措施来避免。

2.2　技术方案

在发射药开始燃烧后，高温高压火药燃气在推动弹丸向前运动的同时推动一平衡块(整个弹壳)向后运动，采用平衡发射原理。当弹头向前运动的时候，厚重的弹壳将保持自由后坐的形式向后运动，直到打开尾部喷口，完成抽壳动作，因此是一种无后坐力发射方式。如图1所示。

1.复合材料； 2.身管； 3.弹壳； 4.弹头； 5.发射药

针对膛口速度指标，针对初步估算得到的结构，先进行内弹道设计，选定装药利用系数、最大膛压以及装填密度，得到装药量、初始容积等数据，设定火药其他尺寸参数，分析出火药厚度，根据给定初速，分析出身管长度。进而进行其他结构设计。

为了实现无后坐力，弹壳3和身管2之间不得有摩擦力，也就是说弹壳在发射时可以自由后坐，弹壳像身管一样自行承受火药燃气压力，而与弹壳配合部分的身管此时充当的是导向作用，并不承受壳膛压力，因此，该部分可以根据需要进行减重设计。

为了保证初速，对弹壳尾部距离身管尾部长度x进行分析，保证弹丸达到t膛口前不能从后方泄气。在要求膛口速度Vg≥1 800 m/s的基础上，首先进行了内弹道设计，在弹道设计里面主要考虑了装填密度，由于7孔火药的装填密度极限在800～900 kg/m3。因此选用可以实现的装填密度800和700。

为了选取相对装药量，对比5.8 mm机枪，首选选用装药利用系数，5.8 mm机枪其利用系数为1281 kJ/kg。比步枪1 000～1 100 kJ/kg要大，进入了中等威力火炮1 200～1 400 kJ/kg范围。其值越小会导致相对装药量变大，在装填密度一定的情况下，就直接导致了药室容积V0变大。所计算的弹道曲线如图2所示。