国外制导迫弹发展综述*

张 意, 王 乔,陈胜政,康博翼,王天明,张 杰

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

迫击炮自20世纪初投入战场以来,一直是支援和伴随步兵作战的一种有效压制兵器。迫击炮武器系统具有体积小、质量轻、机动性好、使用方便、反应迅速、射速快、火力猛、攻击隐蔽性强、大曲射弹道等技术特点,主要用于伴随和支援步兵作战,打击敌方有生力量、非装甲军用车辆、火力点等目标,执行对地火力支援、定点清除以及丛林反恐等作战任务,尤其是在山地、丘陵等复杂地形条件下作战,具有无可比拟的作战优势。因此,国内外军事强国都十分重视迫击炮及其弹药的发展,迫击炮也成为了世界上种类最多、装备量最大、使用最广泛的一类火炮武器系统。

从口径上分析,全世界迫击炮共有51 mm、60 mm、81 mm、82 mm、100 mm、105 mm、107 mm、120 mm、160 mm、240 mm等口径系列。其中,又以120 mm迫击炮应用最为广泛,并且数量较大,主要的国家都在上百门以上[1],制导迫弹的装备将大大提升这些迫击炮系统的作战能力,世界各军事强国在制导迫弹领域研究非常活跃,装备需求非常急切,市场应用前景广阔。

1 制导迫弹发展历程

1.1 冷战时期

在冷战时期,西方国家的作战需求主要是对付前苏联的装甲洪流。由于装甲目标顶部防护弱,可以充分利用迫弹弹道弯曲的特点从顶部攻击目标,因此在迫击炮系统上,西欧国家致力于发展具备精确制导能力的反装甲迫弹,以改变传统迫弹精度差和战术作用弱的缺点。这一时期的制导迫弹在弹道下半段进行自动寻的,可攻击静止目标或移动目标,具备发射后不管、顶攻的特点,装有破甲战斗部,主要应对坦克及装甲车辆目标。这类制导迫弹典型的代表为瑞典的120 mm“斯特里克斯”红外制导迫弹及英国的81 mm“莫林”毫米波制导迫弹。

图1 “斯特里克斯”120 mm红外制导迫弹

与北约国家不同,前苏联研制的制导迫弹采用杀爆战斗部,具备对付多种目标的能力,采用中段惯性制导加末端激光半主动(SAL)制导方式,顶部攻击目标。典型代表为“棱面”120 mm激光末制导迫弹,以及“勇敢者”240 mm激光半主动末制导迫弹,主要用于摧毁地面目标以及小型运动目标和静止目标,如坦克装甲车辆、火炮发射阵地和工事等,提高营级部队的作战能力。

图2 “棱面”120 mm激光末制导迫弹

冷战时期各国制导迫弹技术参数[2]如表1、表2所示。

表1 冷战时期北约制导迫弹技术参数

表2 冷战时期前苏联制导迫弹技术参数

冷战时期研制的制导迫弹具有以下特点:

1)战斗部:北约国家采用聚能破甲战斗部,攻击目标单一,主要是坦克和装甲目标;而前苏联采用杀爆战斗部,可攻击多种目标。

2)制导体制:北约国家制导体制多样化,主要为红外图像及毫米波制导,具备发射后不管的能力,命中概率约为60%;前苏联主要采用惯性+激光半主动方式制导,命中概率90%。

3)作战使用:制导迫弹像常规迫弹一样以无控方式飞过弹道顶点,在下降段进行制导。

4)口径与射程:主要为120 mm口径,前苏联将制导迫弹拓展运用至240 mm口径;该阶段射程相对较近,一般不超过10 km。

1.2 非对称作战时期

在海湾战争、伊拉克战争及阿富汗战争中越来越体现出日趋多样化的战斗形势,需要研制可以打击多类目标的精确打击弹药,因此北约开始借鉴前苏联的发展模式,制导迫弹战斗部一般采用杀爆战斗部,来打击多类目标。

最初研制的专用制导迫弹为了提高射程在弹体上安装有大翼面,用来提高滑翔能力,也可以保证弹道末端垂直,可以打击掩体后的小型目标。美国和以色列合作研制的“匕首”120 mm制导迫弹前端除了安装杀爆战斗部,也安装了GPS天线、导航计算机和弹出式舵面,射程可达8.5 km。类似的还有以色列的120 mm GPS+激光半主动双模制导迫弹、“火球”120 mm激光卫星制导迫弹、德国GMM120 mm制导迫弹。但是这类专用制导迫弹造价高,一枚约在5万美元以上[2]。美国为提高迫击炮武器系统的精确打击能力而研发的名为“精导迫弹”的120 mm激光制导迫弹,采用激光半主动制导,利用位于迫弹质心周围的小型推力发动机调整弹道,保证迫弹精确打击目标,单发造价2万美元以上[2],远超预算。

图3 以色列“火球”120 mm制导迫弹

美国2008年停止发展采用激光半主动制导和脉冲发动机控制技术的120 mm“精导迫弹”(PGMM),转而研制120 mm“紧急迫弹”(APMI)。APMI采用制式M934A1迫弹弹体,采用杀爆战斗部,安装手掌大小的迫弹制导组件(MGK)实现制导与控制,前端安装固定式鸭舵,采用GPS制导体制,制导精度小于5 m,最大射程7 km,用来满足阿富汗驻军对复杂地形条件下低附带毁伤精确打击目标的作战需求。类似的制式迫弹加精确制导组件(PGK)改装的制导迫弹还有美国120 mm滚转控制制导迫弹(RCGM)、西班牙120 mm制导迫弹(GMG)及美国81 mm滚转控制制导迫弹(RCGM)。

图4 美国120 mm“紧急迫弹”(APMI)

这一时期各国制导迫弹技术参数如表3和表4所示。

表3 非对称作战时期专用制导迫弹技术参数

表4 非对称作战时期修正制导迫弹技术参数

非对称作战时期研制的制导迫弹具有以下特点:

1)战斗部:采用杀爆战斗部,可攻击掩体、轻型装甲等多种目标。

2)制导体制:对制式迫弹加装PGK组件完成制导化改造,采用GPS制导;专用制导迫弹采用GPS或激光半主动制导。

3)作战使用:具备自主式制导能力,攻击固定点目标。

4)成本:制式迫弹加装制导组件进行制导化改造,并兼容120 mm、81 mm等口径,可大批量的生产与装备,使得这一时期制导迫弹成本大大降低。该阶段专用制导迫弹由于无法解决低成本问题而未进行装备,进行了相关技术的研究与大量的技术验证。

1.3 现阶段

尽管制导迫弹的装备重点放在精确制导组件(PGK)上,但专用制导迫弹由于具有制导模式多样化、射程远、精度高的优势,使其仍在继续发展。2011年10月,美国开始研制120 mm制导增程迫弹(PERM),采用GPS卫星弹道测量、电动舵机修正控制、火箭发动机+滑翔的复合增程等手段,理论最大射程达到20 km。美国海军战争中心在弗吉尼亚研制一种“先进性能增程迫击炮”(ACERM),主要目的是提高现役81 mm迫击炮的作战能力,最近将射程提高到了21 km,这比传统迫击炮射程增加了200%,有效的提高了迫击炮的火力打击能力,采用全程GPS引导的炮弹以19.1 km和13.7 km的射程达到了10 m圆概率误差的精度。为了节省空间,ACERM并没有使用助推发动机来增程,而是给炮弹安装了两片固定的大展弦比弹翼,以提高全弹升阻比,通过滑翔来增加射程。

图5 PERM精确增程迫击炮弹

图6 ACERM先进性能增程迫击炮

现阶段正在研制及未来各国将投入使用的制导迫弹将具备以下特点:

1)与现役装备的常规迫弹及制导迫弹相比,射程得到极大的提升。通过安装大翼面提高滑翔能力或加装火箭发动机的方式增大射程,由原先10 km逐步增程到20 km。

2)在制导体制方面,从原先的卫星/惯性制导、激光或图像末制导等单一制导体制,向卫星/惯性+激光半主动、图像末制导等复合制导体制发展,制导精度可达1～2 m。

3)低成本化设计,进一步的降低成本,使其成为部队真正用得起并大量装备的精确制导弹药。

通过对上面3个阶段西方国家及前苏联和俄罗斯制导迫弹发展历程分析,可以看到不同国家发展的技术路线不尽相同(详见图7),这主要是由于作战需求、作战对象的不同,同时由于迫击炮装备量大,制导弹药的经济可承受性方面也将影响着技术路线的走向,这也为我国后续自行研制和发展制导迫弹提供一定的借鉴。

图7 西方国家及前苏联制导迫弹发展历程

2 制导迫弹的典型特征对其制导化的机遇与挑战

2.1 采用制式迫击炮及装药发射

为了与常规迫弹兼容发射,制导迫弹一般采用制式迫击炮及制式装药发射,对制导迫弹弹长、弹重、药室容积等均有较强的约束。因此,制导迫弹发射具有与常规迫弹相同的过载较高特点,相比导弹、大口径榴弹制导炮弹,其口径小,因此对制导迫弹上的制导器件提出小型化、抗高过载的性能要求。制导炮弹、导弹及制导迫弹的发射环境如表5[3]。

表5 各类制导弹药发射环境对比

采用迫击炮发射,制导迫弹无控飞行段有较好的弹道一致性。美军120 mm制式迫弹(无控)CEP为136 m,使用地面弹道计算机进行精确弹道计算后落点CEP精度可达到76 m,最高可到42 m[3]。采用卫星制导后CEP约为10 m,采用末制导技术后CEP可降低为1～2 m。

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2.2 采用曲射弹道、全程静稳定设计

迫击炮射击时一般采用大角度发射,角度范围为45°～80°,迫弹上升段一般无控飞行,在弹道顶点过后或者在弹道末端才进行制导,属于大抛物线曲射弹道。 由于制导迫弹发射后要像普通迫弹一样进行无控飞行,静稳定的气动设计可以提高迫弹的稳定性,防止意外掉落,通过弹道最高点进入下降段后,制导组件或矢量发动机可对弹道进行修正。弹道修正弹正是利用飞行弹道的一致性,采用脉冲控制实现高精度控制,使其不仅具备攻击点-面目标的能力,甚至具备攻击点目标的能力,大大拓展了作战能力[4]。

2.3 采用发动机+滑翔技术进行增程

目前制导迫弹在降低成本的同时也追求着更远的射程,增大射程可以使制导迫弹具有更远的火力控制能力。制导迫弹提高射程的主要方法有气动减阻、安装火箭发动机、滑翔增程及设计高能量大比冲发射装药等[5]。

滑翔增程技术是较为有效的一种弹箭增程技术[6],通过对弹道进行优化使弹药以最大升阻比滑翔,可有效增大射程;通过在迫弹弹体前设计弹出式固定舵偏或斜置舵偏,对气动外形参数进行优化,也可提高升阻比来提高制导迫弹的滑翔能力及稳定性[7];为制导迫弹安装火箭发动机可进一步提高射程,美国120 mm制导增程迫弹(PERM)采用火箭发动机+滑翔的复合增程的方法将理论射程提高到20 km。

3 制导化应用重点解决的问题

3.1 小型化抗高过载测量技术

随着电子器件小型化的发展,GPS技术成功应用到精确制导组件(PGK),并应用到M934式120 mm迫弹上,升级为迫弹制导组件(MGK),推动了制式迫弹制导化的进程,使得传统制式迫弹制导精度由100 m以上精确到10 m以下,只需2～3发制导迫弹即可对目标实现精确打击[8]。虽然GPS可全天候使用,但是也存在以下缺点:

1)无法攻击移动目标;

2)与激光末制导技术可达到1 m左右的精度相比,制导精度较差;

3)GPS信号易受干扰。

惯性导航系统(INS)可完全实现自主测量,不与外界环境产生信息交互,因此抗干扰能力强,可测量迫弹三轴加速度信息和角速度信息,通过积分可得到速度、位置及姿态角信息。但INS必须精确知道载体的位置、姿态等初始信息,导航精度与器件精度有关,误差会随时间不断积累。近年来飞速发展的MEMS技术, 不仅成本低、体积小,而且具有抗高过载的特点, 是解决抗高过载问题的一个途径[6]。美国增程制导弹药演示项目(ERGM)研制出MIMU/GPS制导部件体积为35～50 cm3,可抗6 000g过载,霍尼韦尔公司研制的HG1930型MIMU可承受15 500g发射过载[9]。目前制导弹药MEMS的陀螺仪与加速度计精度达到1°/h和0.1 mg,抗过载能力达到20 000g[10],满足制导迫弹后续发展的需求。

地磁匹配导航技术也是一种无源导航技术,隐蔽性强,高精度、低成本、小型化、高可靠性的地磁传感器的出现推动了地磁匹配导航的应用。地磁传感器通过测量磁场信息得到载体的点位置信息,具有全天候、抗干扰、隐蔽性好的特点,可修正INS的累积误差。

为弥补单类型导航技术的不足,目前迫弹主要采用组合导航技术,出现了GPS+地磁、INS+地磁以及GPS+INS等测量方案[11-12]。组合导航仍是制导迫弹测量技术的发展方向,可进一步提升迫弹制导精度及抗干扰能力。

3.2 复合增程技术

发展复合增程技术需要不断优化提升复合增程效率,重点突破抗大总冲、高过载固体火箭发动机设计,深入研究冲压发动机、大升阻比气动设计等新型增程方法[13];进一步完善高能量、低钝感、低温度系数装药设计,高能、长航时、喷管抗冲刷抗烧蚀及其热防护设计;开展低阻力气动布局优化设计,大升阻比气动布局设计,次口径设计及其弹托分离设计,同步开展基于最优升阻比的滑翔控制算法与策略研究等,实现制导迫弹射程大幅度增加。

3.3 精确制导与控制技术

制导迫弹高精度的制导控制主要有两条技术途径,一是采用精确制导控制组件(PGK)对制式迫弹进行改造的弹道修正技术,二是采用卫星中制导+捷联末制导技术的复合制导控制技术。

为适应不同作战任务的需求,可开展图像制导体制、毫米波制导体制、红外制导体制、卫星+图像制导体制、卫星+激光制导体制等不同制导体制或多模复合制导体制研究。此外,还要进行不同制导体制或多模制导体制融合算法的研究,实现发射后不管、制导体制多样化的系列化制导炮弹。

3.4 低成本抗高过载一体化制导控制组件技术

目前,制导迫弹需要在惯性测量组件、目标探测组件、制导控制解算组件等多个制导部件的配合下才能实现高精度打击目标的任务。通过集成设计使得原本分立的单个制导部件有机的结合,形成一体化的制导控制组件,是后续提高产品可靠性、降低成本的一个有效手段,将在未来的制导迫弹上得到广泛的应用。由此而形成的低成本抗高过载一体化制导控制组件,具备时序控制、弹体信息测量、目标信息探测及控制弹体响应等全部功能。

由于电子元器件的小型化、集成化发展,为迫弹的制导化提供了技术支持,制导部件小型化将使更小口径的制导化迫弹成为可能,同时一体化设计能提高整个制导迫弹的可靠性,会带动多模小型制导组件的发展,进一步提高制导迫弹的精度,并降低成本。

4 结束语

以作战需求为导向,对国外制导迫弹发展历程的3个阶段进行了梳理与总结,提出了制导迫弹将向远程化、多模制导化、高精度及低成本方向发展的趋势。分析了制导迫弹的典型特征对其制导化的机遇与挑战,并提出了未来制导迫弹发展中需要关注的测量技术、复合增程技术、精确制导技术与控制技术、低成本抗高过载一体化制导控制组件技术。