动态拦截下反坦克火箭弹的典型毁伤模式分析*

罗 健，任 良，侯云辉

(西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引言

关于典型反坦克火箭弹战斗部在静态下遭受破片打击后的毁伤模式，文献[1]进行了较系统的分析和试验验证。事实上，实际拦截中破片动态飞散区的变化、拦截系统的交会误差等都会影响到最终的拦截效果。另外，来袭弹药的引信类型和触发部位大小对其毁伤模式也有很大的影响，而静态试验中引信不作用就无法得到相关的验证。因此，引信对来袭弹药毁伤模式的影响、拦截后的残余破甲能力等必须通过动态拦截试验进行验证和分析。

文中针对动态拦截过程中来袭弹药的毁伤情况，结合验证靶上的残余侵彻深度，分析了来袭火箭弹的典型毁伤模式并对拦截效果进行了评估。研究结果可为拦截参数的优选、拦截弹药的优化设计以及拦截效能的评价提供参考。

1 研究方案

文中选择图1所示固定发射角度的拦截弹药，其战斗部形成倾斜向下的定向破片流场。来袭弹药为某典型反坦克火箭弹，战斗部主要由引信头部、风帽、内锥罩、药型罩、主药柱、副药柱和引信底部组成，如图2所示。此弹药采用压电式引信，其导电系统回路见图3。当来袭弹药正常撞击目标时，引信中的压电晶体受压产生电流，并通过导电回路使电雷管作用，从而起爆传爆药并进一步引爆主药柱，使药型罩形成金属射流对目标进行侵彻。

图1 典型的破片拦截方式

试验现场布置示意图见图4。在一定距离处发射火箭弹，系统根据来袭弹药弹道自动选择拦截参数，适时发射拦截弹药进行拦截。高速录像记录拦截区域的交会情况以及火箭弹被破片击中后的反应，验证靶板记录残余侵深。

图2 某典型反坦克火箭弹战斗部基本结构

图3 压电引信导电回路图

1-雷达 2-拦截弹药发射器 3-验证靶板 4-背景布 5-来袭弹药发射器 6-高速录像图4 试验现场布置示意图

2 毁伤模式分析

根据来袭弹药的毁伤方式，其毁伤等级可分为：K级——来袭弹药战斗部被引爆或空中解体；C级——来袭弹药偏航无法正常命中目标。文中研究的是在5 m拦截距离处对来袭弹药的毁伤模式，在此末端拦截情况下，即使来袭弹药发生偏航，防护目标也来不及闪避。因此，文中只涉及对来袭弹药的K级毁伤。

在图1所示拦截方式下，基于K级毁伤，典型反坦克火箭弹的要害件应包括引信、风帽+内锥罩、药柱+药型罩，具体分析其在动态拦截下的典型毁伤模式，主要有以下几种情况：

1)火箭弹解体。

2)引信瞎火。产生的原因主要是引信起爆电路出现断路或短路现象。在密集破片打击下，引信电路有可能被打坏，如引信底部被破坏，使导电回路断开；由于火箭弹风帽和内锥罩面积大、间隙小，易被破片打穿闭合，使起爆电路短路。上述情况均可导致引信瞎火而无法正常作用，火箭弹只能撞击目标，战斗部残余装药的爆燃会对目标产生一定的破坏[2]，火箭弹的威力会大大降低。

3)火箭弹被击爆。分两种情况分析，一是破片恰好击中压电引信头部，在弹道末端已解除保险的情况下会导通电路使引信作用而起爆战斗部。由于压电引信头部受弹面积小，所以发生此现象的概率较小。但对于采用碰炸开关类引信的反坦克导弹或火箭弹来说，碰炸引信受弹面积相对较大，在破片作用下能可靠导通[3]，使引信作用而起爆战斗部。此时，若战斗部装药和药型罩未受损伤，则正常形成射流，对靶板的侵彻能力取决于大炸高下战斗部的破甲性能；若战斗部装药或药型罩也同时受到损伤，则形成的射流会因横向速度而变形[4]，其破甲性能大幅度下降。第二种情况是战斗部装药直接被击爆，无法正常形成射流，并且在较大炸高下，残余破甲能力也会下降[5]。

4)未成功拦截，来袭弹直接命中靶板，对其形成正常毁伤。

从拦截效果看，1)是较理想的结果，来袭弹药在距离坦克一定距离外已被彻底拦截，基本不会对坦克车辆本身造成损害；情况2)不会形成射流，但来袭弹可能撞击坦克爆炸，对车辆和车内人员的损伤程度与来袭弹药装药量和撞击感度有关；情况3)下战斗部的破甲威力大幅度降低，能够起到一定的防护效果，残余破甲能力与来袭弹药的大炸高性能、战斗部装药和药形罩受损的程度有关，具有随机性；情况4)应避免，可通过优化拦截交会参数、优化破片散布参数等措施提高拦截概率。

3 毁伤计算

3.1 破片初速与速度衰减

破片初速通常利用经典Gurney公式估算。根据拦截弹药的结构特征，采用平板装药公式[6]计算静态爆炸条件下破片初速，其表达式为：

(1)

若考虑拦截弹药在空中的运动速度vm，则在动态条件下破片的叠加速度为：

(2)

式中：φ为静态爆炸条件下破片初速与弹轴夹角。

在忽略重力影响的情况下，破片飞行一定距离后的速度由下式计算[6]：

(3)

式中：CD为气动阻力系数，对于规则矩形和菱形破片取CD=1.24；ρa为当地空气密度(kg/m3)；S为破片迎风面积(m2)；mf为破片质量(kg)；x为破片飞行距离(m)。

3.2 装药的引爆概率

破片作用在来袭弹药装药部位产生的强冲击波可能将其引爆，其引爆概率可由下式计算[6]：

(4)

(5)

(6)

式中：ρe为炸药密度(g/cm3)；vb为破片碰靶时的速度(m/s)；ρm1为来袭弹药外壳密度(g/cm3)；b1为来袭弹药外壳厚度(mm)；ρm2为蒙皮金属密度(g/cm3)；b2为蒙皮金属厚度(mm)。

3.3 风帽和内锥罩闭合概率

风帽和内锥罩间的基本结构为两层薄铝板夹空气间隙。在破片贯穿过程中，风帽隆起变形或撕裂破损后，均有可使风帽和内锥罩接触闭合。破片击穿风帽的概率能，可用式(7)计算[6]：

(7)

实际上，风帽被击穿后的变形情况具有较大的随机性，无法应用具体公式计算。按照试验数据统计，风帽和内锥罩的闭合概率约为43.75%。

3.4 引信头部电路的导通概率

具有一定速度的破片撞击到引信头部，当作用到压电晶体的压力大于其可靠起爆压力阈值时，压电晶体将产生电流，导通电路，引爆装药。该反坦克火箭弹所用引信的压电模数d33≥550×10-12C/N，计算其可靠起爆的最小压力为2 072.7 N。破片对压电晶体的压力约为34 000 N，因此，破片撞击引信头部使电路导通的概率即为破片命中压电晶体的概率。基于泊松分布，密集破片流场中至少有一枚破片命中压电晶体的概率为：

P=1-e-λ=1-e-s·v

(8)

式中：λ为命中破片数的数学期望；s为垂直于破片飞散方向的投影面积；v为破片散布密度。

3.5 火箭弹解体概率

当高速破片流产生的高强度冲击载荷大于火箭弹结构元件发生断裂所需的最小载荷时，火箭弹将发生结构解体。破片流作用下的火箭弹可考虑成某处受力的悬臂梁，根据文献[3]，当一次命中12枚破片即发生解体。因此，火箭弹发生解体的概率为：

(9)

3.6 火箭弹失效概率计算

各要害件的毁伤概率计算为：

(10)

式中：Pi为要害件i的毁伤概率；pk为要害件i命中k个破片的概率；G(k)为k个破片对要害件i的毁伤概率；λi为要害件i命中破片数的数学期望；si为要害件i垂直于破片飞散方向的投影面积；vi为破片散布密度；pi1为单板破片对要害件i的毁伤概率。

在拦截状态下，火箭弹全长约900 mm，风帽长约160 mm，引信头部长20 mm，装药在破片飞散方向的投影面积约4 370 mm2；单枚破片质量1.5 g，侵彻速度约1 300 m/s，破片流场散布密度393枚/m2。计算火箭弹的失效概率见表1。

表1 火箭弹失效概率计算结果

4 试验验证及效果评估

4.1 典型拦截试验验证

通过对高速录像和验证靶穿深数据的分析，得到动态拦截下反坦克火箭弹的实际毁伤模式：

1)弹药解体。从图5高速录像截屏可明显看出，在密集破片作用下，火箭弹战斗部从发动机连接处断开，且风帽与战斗部也产生分离。弹药解体后，残体继续向前飞行直至撞击到靶板，形成轻微的撞痕，且部分装药喷撒于靶板上，没有发生爆炸。

2)引信瞎火。在图6中，来袭火箭弹被破片击中后没有发生爆炸，结构相对完整，飞行姿态也未受到影响，但风帽发生了明显变形。弹体撞击到靶板后爆炸，靶板上有明显的撞击痕迹和少量药沫，无射流作用痕迹。说明火箭弹风帽与内锥罩被破片打穿闭合，起爆电路短路失效；在较高速度(约250 m/s)下撞击靶板后，装药发生爆炸，但此时前部的药型罩已经受撞击严重变形，无法形成射流。

图5 来袭弹药解体

图6 来袭弹药引信瞎火

图7 来袭弹药被击爆且无残余穿深

3)弹药被击爆，靶板上无残余穿深。来袭火箭弹被破片击中后，图7中又出现了一团新的较大火光，表明火箭弹被击爆。验证靶上无射流穿痕，只有发动机等残体撞击的轻微痕迹。

4)弹药被击爆，靶板上有散乱的残余穿深。来袭火箭弹被击爆后，发动机及弹尾机构等残体继续向前飞行，撞击靶板后没有产生二次爆炸；靶板上只有大片散乱的残余射流侵彻痕迹，平均深度约为10 mm，见图8。

在此种情况下，来袭火箭弹有两种毁伤模式：一是战斗部装药被击爆，在横向速度及大炸高情况下，射流出现断裂；二是引信被击中作用，同时装药或药型罩受损，无法形成正常射流。两种情况下，残余射流对靶板的损伤均很小。

图8 来袭弹药被击爆且形成残余射流痕迹

5)引信头部被击中后作用，战斗部其余部位未受损伤且正常形成射流。此时，相当于来袭火箭弹在大炸高(约3 m)情况下对靶板进行侵彻，侵彻深度约为60 mm，见图9。在试验条件下，来袭火箭弹对靶板的正常侵彻深度约为220 mm，表明此毁伤模式使火箭弹的破甲威力下降约73%。因此，该毁伤模式也会对坦克车辆产生明显的防护效果。

图9 来袭弹药引信被击中作用

6)来袭弹药未被有效拦截。如图10，火箭弹未被击爆，且结构完整，飞行姿态也未发生变化，撞击靶板后爆炸，对靶板形成正常侵彻，侵彻深度约为220 mm。

图10 来袭弹药未被有效拦截

4.2 拦截效果评估

图5属于毁伤模式1)，也就是来袭火箭弹被击解体，且未发生爆炸，只有残体对目标实现撞击，假使部分装药会发生爆燃，对目标也基本不构成损伤，属于理想的拦截效果。此模式与来袭弹药的结构强度及破片打击的部位有关。

图6属于毁伤模式2)，当引信瞎火后，来袭弹药起爆电路无法正常作用，撞击目标后会发生爆炸，但不能形成射流。此模式可能会对车辆外部探测装置等形成一定损害，但对人员及坦克车辆自身不构成重大威胁，其拦截效果也较好。

在毁伤模式3)来袭弹药被击爆后，根据毁伤的程度和部位不同，对目标可形成图7、图8及图9三种不同的损伤形式。其中图7在一定距离外被彻底拦截，除了残体轻微撞击外，不会对目标构成损伤，属于最理想的拦截效果；图8、图9两种形式虽然形成了射流，对目标有一定的损伤，但由于部件受损及在大炸高条件下，来袭弹药威力已大大降低，不会对坦克车辆形成重大毁伤。

图10属于毁伤模式4)，表明拦截失败，来袭弹直接作用到目标上，可能会对目标造成致命毁伤。

需要说明的是，除了毁伤模式4)，其他几种毁伤模式在破片流场的作用下，并不会单一出现，而最有可能是几种模式联合出现，这样就会进一步增强拦截效果。而且，上述几种毁伤模式及拦截效果对其他类型的反坦克导弹和火箭弹同样适用。

5 结论

通过对某典型反坦克火箭弹在动态拦截下毁伤模式的分析和试验验证，可以得到以下结论：

1)在交会参数保持一致的情况下，来袭火箭弹的毁伤模式具有随机性，其中结构解体、装药被彻底击爆属于较理想的模式；其他几种模式也会使来袭弹药威力大幅度降低。

2)在系统解算正确的情况下，装药被击爆、风帽和内锥罩被击闭合使引信瞎火属于大概率事件，火箭弹解体的概率较小，引信头部电路被击使引信提前作用的概率极小。

3)来袭弹药引信的作用方式及其触发部件尺寸的大小和分布对毁伤模式有较大的影响。

4)来袭弹药的残余侵彻能力随拦截距离的增加会急剧下降，因此，适当增大拦截距离将有利于提高系统的拦截效果，减少残余损伤。