偏心起爆定向战斗部引战系统设计的几个问题*

2020-05-08付斯琴姬聪生姬军鹏

现代防御技术 2020年1期

付斯琴，姬聪生，姬军鹏

(1.北京电子工程总体研究所，北京 100854；2.中国人民解放军驻航天科工二院中心军代室，北京 100854)

0 引言

防空导弹作战目标种类的增多和性能的提高对防空导弹战斗部的毁伤威力提出了更高的要求[1-5]，采用定向战斗部已成为增强战斗部威力的重要发展方向[6]。定向战斗部是通过控制战斗部破片的飞散方向，使破片在目标方向上的分布密度和速度有所提高[7-8]。当导弹与目标遭遇时，根据弹上设备探测的目标信息获取目标方位，通过安全执行机构起爆相应的若干个相邻的偏心起爆点，使定向战斗部杀伤能量向目标方向集中，从而实现对目标的高效毁伤。

与基于常规中心起爆战斗部的引战系统相比，基于偏心起爆定向战斗部的引战系统设计中还需要重点考虑以下几方面的问题：①目标方位识别；②战斗部定向起爆方式设计；③安全执行机构体制选择；④多点起爆同步性。

1 目标方位探测

在弹目高速交会条件下，快速准确地获取目标方位是应用定向战斗部的前提条件，探测的目标方位精度直接影响战斗部毁伤效果。在工程应用中，可以利用专用设备和弹上信息获取目标方位。

1.1 专用设备识别

弹目交会时，为了识别目标方位，弹上可以配备具有方位探测功能的设备，如波束定角引信或其他专门用于方位探测的设备。考虑导弹小型化、低成本等因素，利用设备识别目标方位时弹上通常配备波束定角引信。波束定角引信采用侧向探测，在垂直于弹轴的平面内天线波束覆盖360°，每个天线在垂直于弹轴的平面内对应一定的探测方位范围。弹目交会时，当某一个天线探测到目标，则可以认为目标位于该天线探测方位内，该方位即为引信探测到的目标方位[9-11]。

假设引信有3个侧向天线，如图1a)所示；如果天线A探测到目标，则目标方位φ取值如图1b)所示；如果天线A与天线B同时探测到目标，则目标方位φ取值如图1c)所示。弹目交会时，根据本方法一共可以识别出6个目标方位。

本方法通过引信天线的硬件方位识别目标方位，方法简单且精度较高，在引信作用距离内，方位识别精度不受脱靶量大小的影响。通过本方法识别目标方位时，增加引信天线数量，从而缩小每个天线探测方位范围，或采用复合引信，对复合引信测量信息叠加处理，可以提高识别目标方位的精度。

1.2 通用设备识别

当导弹没有配备用于目标方位探测的专用设备时，也可以利用主动导引头的测角信息和导弹姿态信息获取目标方位。使用该方法可以实时计算目标方位，大脱靶情况下方位识别精度较高，但当脱靶量较小时，由于导引头角偏差信号的起伏，目标方位识别精度较差。同时，未安装导引头的导弹系统也可借鉴该方法，依据雷达制导系统的目标视线信息和惯测系统的导弹姿态信息进行目标方位的确认，只是精度会有所下降。

2 战斗部定向起爆方式设计

根据弹上目标方位识别精度，可以对战斗部定向起爆方式进行设计。原则上战斗部定向方位数量应不少于弹上能识别的目标方位数量，且为保证毁伤效果，识别的目标方位应尽可能位于战斗部定向区中心。为了使战斗部的定向区域瞄准目标方向，应同时起爆战斗部位于目标方位相对一侧的多个起爆点，通过爆轰能量的叠加形成目标方位方向的定向区。

假设定向战斗部有m个偏心起爆点，在垂直于弹轴平面内距战斗部中心一定距离沿周向均匀分布，编号分别为1，2，…，m。在垂直于弹轴平面内，战斗部偏心起爆点与战斗部中心的连线将导弹垂直于弹轴的平面划分为m个象限，通过同时起爆相邻的2个或3个起爆点可以实现2m个定向方位。

下面以六分位定向战斗部为例，分析其定向起爆方式。假设战斗部起爆点位置如图2所示，同时起爆相邻的2个或3个起爆点，可以实现12个定向方位，定向方位中心如图3所示。通过举例说明图2和图3的对应关系，若同时起爆①，② 2个起爆点，战斗部实现的定向方位中心如图3中⑧所示；若同时起爆①，②，③ 3个起爆点，战斗部实现的定向方位中心如图3中⑨所示。

图1 无线电引信探测方位示意图

图2 战斗部起爆点位置

图3 战斗部定向方位中心示意图

3 安全执行机构体制选择

与定向战斗部配套使用的安全执行机构可以采用机电安全执行机构，也可以采用全电子安全执行机构。下面分别讨论2种体制安全执行机构的区别和与定向战斗部的配合方式。

3.1 2种体制安全执行机构的区别

机电安全执行机构是机电组合装置，一般由保险机构、隔离机构、传爆序列和起爆电路等部分组成，其中保险机构和隔离机构中有机械动作和火工动作，在使用过程中机械动作和火工动作均不可逆。机电安全执行机构起爆元件采用的是桥丝雷管。考虑桥丝雷管的安全性，需要在主起爆雷管和导爆管之间设置机械隔断，未解保状态下，雷管应短路，起爆回路应断开。

全电子安全执行机构采用电子安全与解除保险装置和基于钝感装药的冲击片雷管，内部无机械运动结构和部件，通过换装操作可以实现全功能测试。全电子安全执行机构采取电子安全逻辑控制技术和动态开关实现安全执行机构的安全控制，提高了环境信息识别和处理能力，且易于实现保险恢复功能。冲击片雷管不含敏感药剂，起爆条件非常苛刻，冲击片雷管桥箔与始发药不直接接触，具有很高的安全性，因此无需在雷管和导爆管之间设置机械隔断，提高了传爆序列的作用可靠性[12-14]。机电安全执行机构与全电子安全执行机构的作用机理比较见图4。

机电安全执行机构成本低，技术比较成熟，但可靠性和安全性相对较低，对使用环境也有一定要求。全电子安全执行机构具有高检测性、高安全性和高可靠性，能够适应复杂电磁环境和严酷的力学环境，但成本相对较高。

3.2 与定向战斗部的配合方式

根据安全执行机构体制的不同，战斗部实现定向起爆的方法也不同。

采用机电安全执行机构时，必须与战斗部爆炸逻辑网络配合才能实现定向方位的选择。定向机电安全执行机构的起爆元件根据功能可以分为主雷管和方位雷管2类，方位雷管的输出能量用于实现战斗部爆炸逻辑网络传爆路径的选择,主雷管的输出能量用于通过方位雷管选好的传爆路径偏心起爆战斗部的主装药。为了实现战斗部杀伤能量在目标方位上的定向，需要在引爆安全执行机构主雷管的同时引爆方位雷管。为了保证安全性，需要将雷管进行机械隔离，但由于方位雷管数量较多，很难做到方位隔爆，通常仅将主雷管进行隔爆。

采用全电子安全执行机构时，不需要通过战斗部爆炸逻辑网络实现定向方位的选择，冲击片雷管可以直接与战斗部起爆点对正，且一一对应。当战斗部需要实现某一方位的定向时，则直接起爆全电子安全执行机构与该方位相对应的几个方位雷管即可。

对比2种安全执行机构与战斗部的配合方式，可以看出，采用定向机电安全执行机构时，需要多增加一路雷管用于起爆战斗部主装药，且方位雷管很难进行隔爆，安全性有所降低，同时战斗部还需要增加爆炸逻辑网络，提高了战斗部研制难度。全电子安全执行机构与定向战斗部配合使用时具有一定优势，随着技术的发展和工程应用的增多，成本已大幅下降，将成为工程应用的主要方向。

4 多点起爆同步性

4.1 不同安全执行机构体制下起爆同步性指标分析

机电安全执行机构与战斗部爆炸逻辑网络配合时，起爆同步性指标包含引信输出起爆信号的同步性、安全执行机构方位雷管的同步性和战斗部爆炸逻辑网络的同步性3部分。前2个原因导致的作用时间散布可以通过2种方式消除：一是选择不同类型的主起爆雷管和方位起爆雷管。当主起爆雷管采用钝感雷管，方位起爆雷管采用敏感雷管时，由于钝感雷管比敏感雷管作用时间长，当主起爆雷管作用时，方位雷管已完成传爆路径的选择；二是引信先输出方位起爆信号，延迟一定时间确保方位雷管已完成作用，然后再输出主起爆信号。通过合理设计，采用机电安全执行机构时，起爆同步性指标仅受战斗部爆炸逻辑网络同步性影响，爆炸逻辑网络同步性较高，能达到几十纳秒量级。

采用全电子安全执行机构时，由于全电子安全执行机构方位雷管直接起爆战斗部起爆点，因此起爆同步性指标由全电子安全执行机构内的电路输出信号的同步性、起爆输出电流的同步性和冲击片雷管的同步性3部分组成。按目前工程实现情况，起爆同步性可以实现小于2 μs。

4.2 仿真分析

下面采用ANSYS仿真软件LS-dyna进行仿真，分析多点起爆时起爆时间散布对战斗部毁伤能力的影响。假设战斗部为形成某一方位的定向，需同时起爆2个起爆点。仿真2点起爆时不同起爆延时对战斗部冲击波形态的影响，仿真结果如图5～7所示。

根据仿真计算数据统计，得到定向方向上破片速度和破片密度，从而分析起爆能量损失情况和定向区偏转角度，分析结果如表1所示。

通过仿真结果可知，战斗部多点起爆时起爆点作用时间散布会影响战斗部毁伤能力。实际工程应用中，采用机电安全执行机构与战斗部爆炸逻辑网络配合的方式，起爆同步性较高，对战斗部毁伤能力影响较小。采用全电子安全执行机构直接起爆战斗部起爆点的方式，起爆作用时间散布小于2 μs，造成的战斗部能量损失控制在5%以内，能满足引战系统设计要求。