非均匀初速度的战斗部静态飞散区设计

2019-10-25魏联邦刘玉祥曹伟杨军刘睿

现代防御技术 2019年5期

魏联邦，刘玉祥,曹伟，杨军，刘睿

(江南机电设计研究所，贵州贵阳 550006)

0 引言

根据“战斗部破片动态飞散区宽度不小于近炸引信启动散布宽度”的引战配合设计准则[1-3]，要求破片动态飞散区宽度比近炸引信启动散布更宽，但实际工程设计当中，尤其是拦截高速目标时，对于具有均匀初速度(战斗部前端、中心和后端飞散区破片的初速度值比较接近)的战斗部破片飞散区而言，由于弹目相对速度很高，弹目交会时的破片动态飞散区宽度被压缩的很窄。进一步地，如果破片动态飞散区宽度小于引信启动散布区宽度，将对引战配合效果产生不利的影响。

1 设计方法实现

具体而言，以30°破片静态飞散角为例，其在弹目相对速度1～4 km/s条件下的动态飞散区宽度见表1所示(失调角为0°)。从表1可以看出，在相对速度为4 km/s时，破片动态飞散区的宽度只有静态飞散区宽度的22.3%，如果考虑失调角的影响，则弹目交会的部分方位上，破片动态飞散区宽度会更窄。

表1 不同相对速度对飞散区的压缩比Table 1 Flying zone′s compressibility on different relative speed

如果战斗部破片动态飞散区宽度不能有效覆盖近炸引信启动散布宽度，导致破片动态飞散区不能覆盖部分引信启动位置，存在部分引信启动位置条件下，战斗部无法命中目标要害，从而对引战配合效果产生不利的影响[4]，如图1所示。

图1 动态飞散区覆盖启动区情况Fig.1 Fragment′s dynamic flying zone matchingwith fuze bursting zone

为解决上述问题，本文借鉴国外防空反导战斗部总体设计思想，尤其是俄罗斯48H6E防空导弹的战斗部[5-7]和美国PAC-2防空导弹的战斗部[8-10]，提出一种非均匀初速度的破片静态飞散区设计方法：在战斗部前端与导弹航向一致时，通过改变相同质量破片尺寸、装填位置或者改变不同质量破片的装填位置的方式，使破片从战斗部前端飞散区到后端飞散区具有逐渐递增的初速度分布特征。

如图2为非均匀初速度的破片静态飞散区初速度分布示意图，战斗部前端与导弹航向一致，沿战斗部前端飞散区至后端飞散区，飞散区1、飞散区2、飞散区3、飞散区4和飞散区5具有逐渐递增的破片初速度。

图2 非均匀初速度分布示意图Fig.2 Fragment′s non-average original speed in warhead′s static flying zone

非均匀初速度的破片静态飞散区设计主要通过以下设计步骤完成：

(1) 目标尺寸特性量化。对导弹所要拦截的典型目标尺寸进行量化，考虑弹目交会姿态，确定目标尺寸在战斗部破片动态飞散区方向上的投影长度L。

(2) 破片基准初速度v0设计。破片基准初速度v0也即中部破片静态飞散区3内破片初速度，基准初速度是引战配合延时设计的输入参数，该参数利用主装药的爆轰速度和装填系数计算。

以战斗部上的单圈破片剖体为设计对象，v0通过以下公式计算得到[11]：

(1)

m0=abhρp,

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:re为战斗部装药半径；a,b,h分别为破片在战斗部轴向、径向和射向的长度;ρe,ρp,ρk分别为装药、破片、装药壳体的材料密度；hk为装药壳体厚度；Ka为主装药装填系数，也即中部破片静态飞散区的主装药装填系数；Me,Mp,Mk分别为装药质量、破片质量和装药壳体质量；D为主装药爆速。

(3) 破片初速度递增量Δv设计。在确定基准初速度v0基础上，根据目标尺寸、导弹脱靶量、破片初速度和弹目相对速度，确定破片初速度递增量Δv。

前端破片静态飞散区1和后端破片静态飞散区5与中部破片静态飞散区3的初速度差值范围α0Δv定义为如下：

α0Δv=v0max-v0=v0-v0min,

(7)

式中:v0max为后端破片静态飞散区5内的破片初速度;v0min为前端破片静态飞散区1内的破片初速度;α0为前端破片静态飞散区1和后端破片静态飞散区5内破片初速度递增量Δv的修正系数。

以目标中心为中部破片静态飞散区3的命中基准时，则前端破片静态飞散区1和后端破片静态飞散区5内破片初速度与中部破片静态飞散区3内破片初速度之差导致的命中目标位置偏差具有如下约束条件：

(8)

式中:ρmax为最大脱靶量;vrmax为拦截目标的最大相对速度。

根据式(8)的约束条件，可以确定出合适的初速度递增量Δv值。

(4) 破片静态飞散区初速度设计。在前端破片静态飞散区1至后端破片飞散区5内破片初速度具有逐渐递增的分布特征时，通过设计不同破片静态飞散区内主装药的装填系数，保证前端破片静态飞散区内破片初速度为v0min=v0-α0Δv,中部破片静态飞散区内破片初速度为v0,后端破片静态飞散区内破片初速度为v0max=v0+α0Δv。

根据式(6)，破片基准初速度v0与装填系数Ka成正比关系，则可以反推战斗部前端破片静态飞散区和后端破片静态飞散区的装填系数分别为

(9)

(10)

对主装药装填系数的调整通过以下2种方式实现：

1) 对同质量的破片，通过调整破片尺寸和装填位置的方式改变主装药的装填系数，达到调整破片初速度的目的。同质量破片的高度h越小时，根据式(3)，单圈剖体装填的破片质量越小，导致主装药装填系数越大，破片的初速度也越大，因此，将高度h较小的破片装填在战斗部后端装药壳体表面，将高度h居中的破片装填在战斗部中部装药壳体表面，而将高度h较大的破片装填在战斗部前端装药壳体表面。

2) 对于不同质量的破片，在保证破片速度衰减系数最小情况下，一般采用球形或者立方块破片，通过调整不同质量破片的装填位置调整主装药装填系数，从而达到调整破片初速度的目的。根据式(3)，装填破片质量越大，则单圈破片剖体的主装药装填系数越小，对应的破片初速度也越小，因此，应该将质量较小的破片装填在战斗部后端装药壳体表面，将质量居中的破片装填在战斗部中部装药壳体表面，而将质量较大的破片装填在战斗部前端装药壳体表面。

(5) 初速度分布优化。在初速度递增量Δv≥100 m/s时，为了保证破片动态飞散区内破片分布数量均匀性，在战斗部前端破片静态飞散区和战斗部中部破片静态飞散区之间增加一个破片静态飞散区(飞散区2)，其破片初速度为v01=v0-β0Δv。在后端破片静态飞散区和中部破片静态飞散区之间增加一个破片静态飞散区(飞散区4)，其破片初速度为v02=v0+β0Δv。β0为飞散区2和飞散区4内破片初速度递增量Δv的修正系数。

遵照步骤(2)～(4)，对飞散区2和4内破片初速度进行设计，并遵照步骤(4)中1)和2)所述的方式对装药壳体表面破片的尺寸和装填方式进行设计。

2 设计效果验证

破片动态飞散区设计验证：考虑弹目相对速度和失调角影响，对导弹-目标动态交会条件下的破片动态飞散区宽度变化情况进行验证。

2.1 动态飞散区宽度比较

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中:θ′为破片动态飞散区宽度。

当战斗部前端(飞散区1)、后端(飞散区5)破片初速度分别为2 km/s和2.4 km/s，前端破片静态飞散区前沿至后端破片静态飞散区后沿的总宽度为30°，前端破片静态飞散区前沿、后端破片静态飞散区后沿与弹轴前向的夹角分别为75°和105°，弹目相对速度范围为2～4 km/s，失调角范围为0°～30°。

根据以上参数，2种设计方法的动态飞散区宽度比较见表2。从表2可以看出，利用本设计方法设计的破片动态飞散区具有更宽的角度，而且在失调角增大时，这种趋势更加明显。

同样地，根据以上参数，当相对速度为4 km/s，失调角范围0°～30°时，绘制非均匀初速度的破片静态飞散区在不同失调角下的动态飞散区宽度见图3所示。与传统战斗部具有均匀初速度的设计方法比较(见图4)，非均匀初速度的破片动态飞散区具有更宽的角度。

2.2 引战配合效果比较

以某型防空导弹非均匀初速度战斗部为例，利用解析法[12]进行该导弹拦截TBM弹头的引战配合效果仿真，弹目遭遇相对速度为3.323 5 km/s，失调角为4.8°，图5为目标要害分布位置示意图[13-15]，图6为非均匀初速度战斗部破片动态飞散区覆盖TBM弹头目标要害位置的引战配合效果，图7为均匀初速度战斗部破片动态飞散区覆盖TBM弹头目标要害位置的引战配合效果。

从图6和图7的比较结果来看，对同一条遭遇弹道，采用非均匀初速度的战斗部破片动态飞散区宽度比均匀初速度战斗部的动态飞散区宽4.5°(早到区)和5.3°(晚到区)，而且从引战配合效果图可以看出，采用非均匀初速度战斗部的破片动态飞散区能够覆盖更宽的目标要害，有利于提高导弹对高速目标的杀伤效果。