一种防空导弹用破片战斗部技术

梁安定，郑雄伟，孙兴昀

(西安近代化学研究所，西安 710065)

0 引言

高科技战争形态的多样化和复杂化发展，使得中近程防空导弹针对的目标日益增多且特性迥异[1-4]，其战斗部必须实现同时兼顾对多种目标有效毁伤的目的。

目前，防空用杀伤战斗部主要有破片、杆式和EFP战斗部，其中破片战斗部又以聚焦战斗部和传统飞散角战斗部为主。传统飞散角战斗部的飞散角一般大于12°，飞散角内破片的分布密度较低，对目标的毁伤效应主要体现为多个独立破片穿孔毁伤。聚焦战斗部产生的聚焦带内破片密度大幅提高，可在目标上形成一个密集穿孔组成的“切割带”，能对目标实施“带切割式”结构毁伤。李向荣等[5]研究了聚焦与传统飞散角战斗部的毁伤效果，认为聚焦战斗部对典型空中目标具有切割性毁伤，比传统飞散角战斗部的结构毁伤作用强。宋浦等[6]研究了聚焦战斗部对直升机的毁伤效果，认为聚焦战斗部对直升机的局部毁伤效果相比传统飞散角战斗部明显，但随着距离等条件变化，也显示出聚焦战斗部毁伤效能的下降。李静海[7]对聚焦和传统飞散角战斗部的特点进行了研究，总结了威力半径和冲击波复合效应等条件下两种战斗部的优缺点。以上研究均发现单一模式的破片战斗部不能很好地同时应对多种目标。此外，对聚焦战斗部设计也做过深入研究。张绍兴等[8]研究得出聚焦战斗部产生的破片在聚焦带内，沿轴向两边破片密度小，中间破片密度大，破片分布不均匀的结论。梁争峰和王宝成等[9-10]提出了一种线列式破片战斗部方案，是聚焦战斗部基础上的优化改进，其破片壳体仍为聚焦特征曲线设计,但将外侧的破片沿轴向每列破片质心连线与战斗部轴线排布成特定夹角,使得战斗部破片飞散呈现出周期线列式分布特点，能够对目标造成线性应力集中形式的结构破坏。线列式战斗部的破片分布相比聚焦战斗部更为集中，破片分布带极其狭窄，对引战配合的要求极高。中近程防空弹目动态交汇的复杂条件下，导弹总体更希望实现一种具有“宽度”且破片均匀分布的聚焦带，以提高拦截概率。

文中在对中近程防空导弹面对的目标分类分析基础上，为实现同时兼顾飞机和导弹类目标毁伤目的，提出一种具有集成飞散和聚焦特性的破片战斗部方案。为了实现破片均匀性分布，设计了一种点阵分布破片的战斗部半预制破片壳体，使破片呈现交叉点阵分布。对战斗部的地面静爆试验进行了方案可行性的验证。

1 典型目标特性分析

根据中近程防空导弹对作战需求的分析，应对的目标有：战术空地导弹、巡航导弹、战斗机、武装直升机和察打一体无人机等。导弹类目标的显著特点就是呈现细长型结构[11-13]。战斗机、武装直升机以及察打一体无人机等飞机类目标的体积较大，翼展和机身长度达到3 m以上，基本呈现长方体型的结构。通常飞机要害部位可分为乘员及保障系统(无人机无此系统)、燃油系统、推进系统、军械系统、液压系统、仪表板系统、电子设备系统、网络系统、电传系统、起落架系统、机翼系统和雷达系统[14-20]，各系统分散在机体不同部位。

飞机和导弹是具有很大不同点的两大类目标。飞机类目标的体型大，要害舱段分散各处，对飞机的打击不应集中在飞机的某一特定区域，而应尽可能地打击飞机的不同部位，因此采用较大飞散角的破片战斗部打击是非常有效的。而导弹类目标体积相对飞机来说小很多，且直径小，整体细长。防空导弹与来袭导弹的交汇条件复杂，往往防空导弹破片打击到来袭导弹仅占圆周向分布的破片带很小的角度，约占破片总数的10%[8]。而聚焦战斗部能在较窄的破片带内实现高的破片密度，将显著增加打击到来袭导弹上的破片数量，实现“带切割式”效应，提升反导能力[4-5,10]。

2 战斗部设计

2.1 总体思路

文献[21]给出了瑞士AHEAD双35 mm榴弹对付不同类目标的破片杀伤密度标准，标准详见表1。

表1 AHEAD榴弹对不同类目标的破片杀伤密度标准

从表1可以看出，要对飞机类目标形成毁伤，破片密度需达到5～15枚/m2，对导弹类目标则需要20～45枚/m2。

为了同时对飞机和导弹两类目标实现较好的打击，既需要有一定的破片飞散角度，也需要破片具有较高的分布密度。综合考虑需求并采用集成设计思想，提出了具有传统飞散角和聚焦战斗部结构特性的集成战斗部设计方案，将战斗部的破片壳体设计成采用前部大圆弧腰鼓形结构和后部聚焦曲线回转结构的组合。

2.2 结构设计

集成飞散和聚焦特性的战斗部结构上包含前盖、中心管、扩爆药柱、主装药、破片壳体、蒙皮和后盖。战斗部结构示意图见图1。

图1 战斗部结构示意图

中心管伸入主装药当中，中心管内孔用于固定扩爆药柱位置，扩爆药柱位于破片壳体大圆弧腰鼓形结构中部偏后位置，图1中L>l。对于破片壳体大圆弧腰鼓形结构的母线曲率，当确定好破片飞散角后，可以通过Shapiro 公式迭代计算得出母线微元偏转方向[22]，然后拟合得到合适的母线曲率。而破片壳体聚焦曲线段的曲线参数，可采用等场强理论拟合得出[9]。大圆弧腰鼓形与聚焦曲线回转结构交接处采用了平滑圆弧过渡，确保飞散与聚焦区结合处的破片分布无明显的稀疏区。从破片对两类目标的杀伤密度标准看，针对导弹类目标的聚焦区破片密度应为针对飞机类目标的飞散区的3～4倍，文中以4倍关系分析。对于飞机类目标来说，希望破片覆盖至少2/3的主要舱段区域为佳，以3 m为典型尺寸考虑，破片分布要达到2 m宽度为宜。以6 m威力半径考虑，破片的飞散角应达到18°。目前聚焦战斗部的破片飞散角可做到3°左右，因此飞散区的破片飞散角可确定为15°。在战斗部破片壳体各部分的破片大小基本一致的情况下，综合考虑破片密度和飞散角因素，可以确定破片壳体大圆弧腰鼓形结构和后部聚焦曲线回转结构的轴向尺寸比例应近似为5∶4。

战斗部的破片壳体若利用机械加工规律性的半预制刻槽，可使得战斗部的破片分布具有空间上的规律性[22]。为了解决破片均匀分布的技术难题，提出了一种点阵分布破片的战斗部半预制破片壳体(以下简称为点阵战斗部破片壳体)制作方案。借鉴了圆环叠加战斗部破片壳体设计形式[23]，点阵战斗部破片壳体整体外形为大圆弧腰鼓形和聚焦曲线回转结构组合形状，由多件等轴向长度的圆环同轴串联后点焊连接形成。破片壳体的每一件圆环外壁均机械加工等数量圆周均布的凹槽，凹槽与破片壳体轴线成固定角度，该角度设计参考了线列式战斗部设计[9]。沿破片壳体的轴向顺序，奇数序号圆环中的一列凹槽沿一条线排列，偶数序号圆环中的一列凹槽沿一条线排列，且奇数和偶数序号圆环的凹槽错位相间。点阵战斗部破片壳体外观示意图见图2。通过破片壳体结构上的凹槽错位相间，可使得点阵战斗部形成的破片具有规律性的点阵分布特性。

图2 点阵战斗部破片壳体外观示意图

图3为线排布和点阵排布形式的破片分布对比图。从上到下，奇数序号圆环的破片中间标示“×”符号，偶数序号圆环破片中间标示“+”符号。若破片壳体的奇数与偶数序号的圆环凹槽未错位相间，是一条线排列，将形成明显的线排布形式的破片分布，如图3(a)；而圆环凹槽错位相间，将形成图3(b)的点阵排布形式的破片分布。

将图3(a)和图3(b)相比，明显可以看出点阵战斗部破片壳体偶数序号圆环的破片从线排布的“线”位置偏转到两列“线”的中间。与原“线”排布相比，破片的平面分布特性更为均匀，呈现出类似网络节点状的交叉点阵分布形态，而且破片形成的网络节点相互之间间距呈现出较为均匀的周期规律性分布。

图3 线排布和点阵排布形式的破片分布对比

2.3 威力设计

为了实现前部破片以大飞散角飞散，将起爆战斗部用的扩爆药柱设置在破片壳体大圆弧腰鼓形结构的中部偏后。大圆弧腰鼓形结构加上中部起爆形式能够形成更大的破片飞散角，中部偏后起爆也有利于破片向前飞散，提高对前部区域的覆盖范围。爆轰波经过在大圆弧腰鼓形结构中后部装药中的稳定传递，到达聚焦曲线回转结构内的装药时已经形成稳定向后传播的波阵面，有利于聚焦区破片达到较高的聚焦率。

在主装药爆轰作用下，爆轰波扫掠破片壳体的大圆弧腰鼓形和聚焦曲线回转组合结构可以形成较大飞散角加窄束聚焦带组合的破片分布，前部破片以较大飞散角形式大面积分布，主要用以攻击飞机等大体积目标，后部破片则形成密集分布的聚焦带，对导弹等小直径目标形成密集切割，对目标产生密集破片复合叠加效应的结构毁伤，达到击毁导弹的目的。

考虑到单枚破片的打击能力，参考已有防空反导战斗部威力数据[6,10]，初步确定设计方案中破片初速为1 900～2 100 m/s，破片质量为2～4 g，这样钢材质的破片在6 m处可以穿透6 mm钢板，可实现对飞机和导弹的有效打击。考虑到提升战斗部结构的紧凑性和破片壳体质量的比重，将采用高格尼系数的高能炸药作为主装药，同时确保装填比达到0.75～0.9。

3 试验验证

3.1 试验方案

为了验证设计方案的可行性，设计了8 kg的集成飞散和聚焦特性的点阵战斗部试验样机，并开展了地面静爆试验验证其6 m半径处的威力性能。集成飞散和聚焦特性的点阵战斗部破片壳体大圆弧腰鼓形结构和后部聚焦曲线回转结构包含的圆环数分别为16和13，长度分别为145 mm和117 mm，基本符合5∶4比例，圆环圆周均布的凹槽为48个。装药为某第二代高能炸药，其格尼常数为2.95 km/s。扩爆药柱位置的相关尺寸L∶l=5∶4。战斗部的主要参数见表2。靶场由战斗部、木质弹架和威力靶组成，威力靶为在距爆心6 m处布置的6 mm厚度Q235钢靶板。静爆试验时战斗部竖直放置，采用8#电雷管起爆战斗部。靶场布局示意如图4所示。

表2 战斗部的主要参数

图4 靶场布局示意图

3.2 试验结果

战斗部静爆试验后的靶板照片见图5，黄色为破片穿孔的涂漆。战斗部破片在6 m半径处的6 mm厚度Q235钢靶板上达到100%的穿甲率。从靶板上看，战斗部的破片同时形成了飞散和聚焦的破片分布，不管在飞散区还是聚焦区，破片的分布均呈现周期规律性的网络节点状的点阵分布，飞散与聚焦区过渡也未有明显稀疏空档。

图5 战斗部静爆试验后的靶板照片

3.3 结果分析

取靶板上中间几列破片分布带进行数据分析。图6为图5中红线框中包含的破片的分布图。黑色节点为破片位置，上部飞散区破片之间标示了破片间距，下部聚焦区破片进行了网格化划分。

图6 图5中红线框中破片的分布图(单位:mm)

经过统计，飞散区破片纵向之间的间距96.4%分布在(269±70)mm之间，横向之间的间距86.2%分布在(401±70)mm之间。统计数据证明破片之间的间距均匀性控制是很好的，呈现出点阵分布特性且无明显稀疏区。对图6中飞散区(约15°)的破片密度进行统计，破片密度达到11.0枚/m2。

对聚焦区破片进行了网格化划分，可以看出以148 mm宽度划分横向网格，破片在4列当中呈现规律分布。分布数量统计见表3。破片按列分布呈现数量上的周期性，按行分析，破片在聚焦带内的分布基本呈现均匀分布。聚焦区(约4.2°)内破片密度达到52.4枚/m2。对图6中聚焦区中较为密集的330 mm(约3°)宽度内的破片进行统计，破片密度达到64.8枚/m2。由于聚焦区的划分主要是依据靶板上的破片密集区人为确定的，因破片壳体上大圆弧腰鼓形与聚焦曲线回转结构交接处的光滑过度，飞散区与聚焦区不易分辨，使得聚焦区内有大圆弧腰鼓形过渡区形成的破片，因此约4.2°的飞散角及其内统计的破片密度较理论值均偏大。

表3 聚焦区破片的网格化分布数量统计 单位：枚

静爆试验结果验证了战斗部设计方案的可行性，集成飞散和聚焦特性的点阵战斗部可同时形成明显的飞散和聚焦的破片分布。在破片飞散区，破片呈现了周期规律性的网格节点状分布，破片密度达到11.0枚/m2，可对飞机类目标形成有效打击。在破片聚焦区，破片分布均匀，不仅具有了较高的破片密集度，也使聚焦带内破片分布均匀，满足了导弹总体希望实现均匀分布的破片聚焦带的目的。约3°的聚焦带内破片密度达到64.8枚/m2，可对导弹类目标形成有效打击。

4 结论

为同时应对飞机和导弹类目标，提出了集成飞散和聚焦特性的破片战斗部技术方案，为实现破片分布的均匀和规律性控制，设计了点阵分布破片的战斗部半预制破片壳体，对技术方案开展了试验验证。研究结论为：

1)试验验证了战斗部方案实现飞散和聚焦破片集成分布的可行性，8 kg的战斗部在6 m威力半径处，飞散区和聚焦区的破片密度分别达到了11枚/m2和64.8枚/m2，能够实现中近程防空导弹兼顾反飞机和反导的作战任务。

2)试验证明点阵分布破片的战斗部半预制破片壳体能使战斗部爆炸形成的破片呈现周期规律性的网络节点状的点阵分布，特别是实现了聚焦带内破片的均匀分布。