防空导弹反舰自适应起爆控制策略研究*

2022-09-24张嘉伟王闯刘少波

现代防御技术 2022年4期

张嘉伟，王闯，刘少波

（北京电子工程总体研究所，北京 100854）

0 引言

防空导弹通常装备近炸引信和破片式战斗部，依靠战斗部爆炸产生的杀伤物质和冲击波毁伤目标［1］。装备有破片战斗部的防空导弹在打击水面舰船目标时，与反舰导弹不同，不会侵彻到船体内部起爆，难以将大型舰船目标击沉［2-3］。因此需要对舰船舰面上方部位进行打击，毁伤甲板上方如舰桥上的各类雷达、驾驶舱等各部位，以及垂直发射装置等，削弱敌方舰船的作战、指挥能力［4-5］。但是，大型舰船目标体积庞大，并且舰面建筑结构复杂，导弹起爆时刻的选择将对毁伤效果产生重要影响，因此需开展防空导弹反舰模式下的起爆控制策略研究。

部分军事强国已经对防空导弹反舰作战开展了研究，并取得了一些成果。美军的“标准”-6 舰空导弹在进行技术升级后，获得了对海打击试验的成功，目前对空中目标和水面舰船目标都具备打击能力［6-7］。俄军的“黄蜂”-M 舰空导弹在俄格海战中击中了格军的导弹快艇，使其丧失了作战能力［8］。由此可见，已有的成功案例可以证明防空导弹对海打击可行且有效，我们也应对防空导弹反舰技术开展研究。

诸德放、马登武和张真等人对爆破式和破片式战斗部的反辐射导弹打击地面固定雷达目标时的引战配合方式做了研究，提出了根据不同交会状态而采用不同起爆方式的引战配合的方式，以及基于触发起爆和2 类近炸起爆的起爆控制策略［9-13］。但是，地面雷达目标与水面大型舰船目标差异很大，一方面，地面雷达目标体积较小，可以将其天线馈源中心作为点目标进行研究，而大型舰船目标的体积较大，舰面建筑结构复杂，从不同的方向与其交会时，能够毁伤的部位有所不同，不能将舰船当作点目标进行研究；另一方面，打击地面目标时，导弹即使错过目标，撞击地面仍可能对雷达设备造成毁伤，但打击海面目标时，如果导弹错过舰船则很难再对舰船造成毁伤。

因此，本文提出防空导弹反舰自适应起爆控制策略研究。文章选取典型舰船目标，并分析其易损部位，建立自适应起爆控制模型，划分毁伤等级，开展不同交会状态下导弹起爆毁伤效果仿真分析，获得了起爆条件设定准则，验证了防空导弹反舰自适应起爆策略的有效性。

1 目标及易损部位选取

选取世界先进大型水面舰艇——“阿利·伯克”级驱逐舰作为典型舰船目标进行研究分析。该级驱逐舰是美国海军现役最先进的主力导弹驱逐舰，也是世界各国建造或仿制数量最多的驱逐舰，适合作为典型大型水面舰艇目标进行研究［14］。其舰体模型及舰面主要易损部位如图1 所示。

图1 “阿利·伯克”级驱逐舰模型及易损部位Fig.1 “Arleigh Burke”class destroyer and its damageable parts

考虑到重量和重心问题，舰桥一般不会采用太厚的防护装甲。前舰桥是舰上体积最大的建筑，分布有各类作战指挥设施，包括驾驶舱、相控阵雷达及设备舱、照射雷达、桅杆及平面搜索雷达、密集阵近程防御武器；后舰桥上分布有2 台照射雷达及密集阵近程防御武器［15］。对于垂直发射装置，外部舱盖如果受损，将会影响其导弹的正常发射。因此，舰面易损部位包括前舰桥、后舰桥及垂直发射装置，防空导弹的毁伤能力能够对这些部位造成毁伤。

2 引战系统方案

防空导弹引战系统由复合引信和大飞散角破片战斗部组成，复合引信包括侧向测距支路和触发支路，如图2 所示。

图2 引战系统组成示意图Fig.2 Component of fuze-warhead system

在导弹与舰船交会过程中，侧向测距支路分为上左、上右和下底3 个通道，覆盖弹体一周360°方向，实时测量导弹侧向距离信息。此外，当导弹从船首或船尾与舰船进行交会时，由于舰船与海面之间存在高度差，下底通道天线波束扫过舰船甲板时，距离输出值会出现跳变，此时标志导弹探测到舰船目标，距离跳变是起爆控制的重要可用信息。触发支路用于检测导弹与目标是否发生碰撞，并在检测到碰撞时，立即给出起爆信号引爆战斗部。

大飞散角破片战斗部通过起爆时产生的冲击波、高速杀伤破片以及起爆后的弹体撞击对目标进行毁伤。

3 自适应起爆控制策略

防空导弹反舰作战中，起爆控制可利用的弹上信息主要包括：导弹的速度、姿态角、交会方位角（导弹速度在水平方向的投影与舰首方向的夹角，顺时针为正）、侧向测距支路实时测量的距离及跳变信息。综合考虑以上可用信息，设定如下3 种起爆控制方式：

（1）触发起爆

当引信触发支路检测到导弹与船体发生碰撞时，起爆战斗部。

（2）距离起爆

侧向测距支路三通道实时探测侧向距离，当任何一个通道的距离输出值达到起爆距离时，起爆战斗部。

（3）延时后限起爆

以导弹侧向测距支路下通道探测到距离跳变时为计时基准，根据导弹与舰船的交会方位角和弹体的速度、姿态角计算起爆延时后限，计时达到延时后限时，起爆战斗部。

根据以上3 种起爆方式，设计如图3 所示的防空导弹反舰自适应起爆控制策略。在自适应起爆控制策略的研究中，遵循如下原则：

图3 自适应起爆控制策略流程图Fig.3 Flow chart of adaptive detonation strategy

（1）瞄准点设定原则

“阿利·伯克”级驱逐舰舰长153.7 m，舰宽20.4 m，舰体形状为“细长形”［14］。所以当导弹从舰首或舰尾方向交会时，由于前舰桥体积大，高度高，导弹瞄准前舰桥的概率较大，此时将弹道的瞄准点设定在舰船前舰桥中心位置；而导弹从舰船侧方向交会时，由于舰体长度较大，不同的瞄准点对起爆控制和毁伤部位影响较大，因此将弹道的瞄准点分别设定在舰船前、后舰桥中心位置。

（2）交会方位角设定原则

在水平方向上，导弹以不同的交会方位角与舰船交会，对起爆控制和毁伤效果会产生较大影响。当导弹从舰首或舰尾方向交会时，导弹与舰船发生碰撞的概率较大，并且可以通过延时后限控制起爆；导弹从舰船侧方向交会时，可能会从舰面飞过无法与舰船碰撞。此外，交会方位角不同，能够毁伤的舰面易损部位也会有所不同。在交会过程中，弹上设备能够识别精度优于45°的交会方位角，因此将交会方位角以45°为间隔，划分为不同象限，分别研究毁伤效果，并根据舰船的对称性，只选取舰船的一侧进行研究。

（3）弹道倾角设定原则

在铅垂方向上，导弹以不同的弹道倾角与舰船交会时，战斗部破片的动态飞散方向不同。当导弹以小角度平飞时，导弹的高度变化相对较小，导弹从舰船侧方飞向舰船；当导弹以大角度俯冲时，导弹的高度变化比较大，导弹从舰船上方飞向舰船。这2 种姿态下的战斗部破片动态飞散区对舰船各部位的命中及毁伤效果也会有所不同，因此按照这2种姿态对弹道倾角进行划分。

（4）延时后限设定原则

由于前舰桥上分布有相控阵雷达以及驾驶舱等关键设施，因此延时后限设定为发生距离跳变时刻至导弹飞过前舰桥中心的时间，防止导弹飞过前舰桥仍未起爆。

（5）起爆距离设定原则

起爆距离设定原则包含2 点：第1 点是起爆距离的设定应尽可能地小。因为起爆距离越小，导弹起爆点距离舰船更近，破片命中数量更多，并且可以增加导弹触发起爆的可能。第2 点是起爆距离的设定应尽可能适应不同的瞄准点和脱靶量。在脱靶量较小时，导弹与舰船发生碰撞概率较大，所以即使起爆距离增加，导弹在空中起爆后仍可依靠弹体撞击对舰船造成毁伤；在脱靶量较大时，存在导弹不能与舰船发生碰撞的弹道，因此起爆距离的设定需要尽可能保证这类弹道的毁伤效果。

4 毁伤等级划分

当导弹触发起爆时，能够依靠冲击波、破片和导弹动能对舰船造成理想的毁伤效果，所以对近炸起爆时破片对舰船的毁伤效果划分毁伤等级。基于现有毁伤研究成果，将破片对舰船易损部位的毁伤效果划分为如下3 个等级：

1 级：当破片分布密度大于20 枚/m2时，能够对打击区域造成重度毁伤。

2 级：当破片分布密度为10～20 枚/m2时，能够对打击区域造成中度毁伤。

3 级：当破片分布密度为5～10 枚/m2时，能够对打击区域造成轻度毁伤。

当导弹发生触发起爆，或导弹近炸起爆后的弹体部分继续飞行与舰船相撞时，认为导弹能对碰撞部位造成比1 级毁伤更剧烈的毁伤效果。

5 仿真条件设定

（1）交会方位角设定

将导弹和舰船目标的交会方位角从舰首开始，以45°为间隔分为8 个象限，选取一侧的5 个象限，每个象限内按15°为间隔选取3 个交会方位角的弹道，第Ⅰ，Ⅴ象限选取2 个方位的弹道，如图4 所示。

图4 交会方位角各象限划分示意图Fig.4 Schematic diagram of rendezvous orientation

（2）瞄准点设定

当导弹从第Ⅰ，Ⅴ象限与舰船交会时，瞄准点设定在舰船前舰桥中心位置；从第Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ象限与舰船交会时，瞄准点分别设定在舰船前、后舰桥中心位置。

（3）脱靶信息设定

脱靶量分别设定为5，7 和10 m。脱靶方位从30°至330°，以60°为间隔。

（4）弹道倾角设定

弹道倾角按照小角度平飞和大角度俯冲2 种姿态分为2 类，分别设定为-20°和-50°。

（5）速度信息设定

导弹速度大小设定为1 000 m/s，速度方向与弹轴重合。由于舰船航速与导弹飞行速度不在一个量级，故认为舰船目标在海面静止。

6 仿真结果及分析

对所选取的典型弹道按照上述起爆控制策略及仿真设定进行计算，统计不同起爆距离下各典型弹道的起爆方式、破片总命中数量、有效破片命中数量、有效毁伤面积和有效破片密度。在统计结果时，以破片打击区域的毁伤效果达到2 级毁伤作为有效毁伤的评判标准。

6.1 典型弹道起爆距离及毁伤效果分析

将典型弹道按照不同的瞄准点、脱靶量、交会象限和弹道倾角进行分组，通过仿真计算，对计算结果进行统计分析后，得到以下结论：

（1）起爆距离对毁伤效果的影响

以瞄准前舰桥中心，脱靶量7 m，第Ⅱ交会象限为例，在不同起爆距离下的毁伤效果如表1 所示。

由表1 可知，起爆距离越小，触发起爆的概率越大，破片命中数量也越多。随着起爆距离的增加，距离起爆的弹道数量在逐渐增加，平均总破片命中数、平均有效破片命中数量和平均有效破片密度均在逐渐减少。起爆距离的增加导致导弹的起爆点在弹道上与舰船的距离逐渐增加，使得破片命中数逐渐减少，破片分布也更加分散，所以有效破片密度在逐渐减少。

表1 瞄准前舰桥中心、脱靶量7 m、第Ⅱ象限弹道不同起爆距离的毁伤效果Table 1 Damage effect under different detonation distance

其他瞄准点与脱靶量情况下可以得到相同的结论，因此在选择起爆距离时，应该在保证导弹达到起爆条件的基础上，选取最小的起爆距离，以获得理想的毁伤效果。

以瞄准前舰桥中心，交会方位角120°，弹道倾角-50°，脱靶方位150°，脱靶量为7 m 的弹道为例，在各自起爆距离分别为1 m 和3 m 时的毁伤效果如图5，6 所示。图中红色区域为1 级毁伤区域，黄色区域为2 级毁伤区域，绿色区域为3 级毁伤区域，粉色圆圈为弹体碰撞点，黑色圆圈为破片命中位置，下同。

图5 起爆距离1 m 时毁伤效果示意图Fig.5 Damage effect when detonation distance is 1 meter

起爆距离1 m 时，导弹从舰船侧方与舰船交会，起爆点位置位于前舰桥右前方，起爆方式为触发起爆，弹体碰撞点位于相控阵雷达舱。破片共命中3 194枚，有效破片共2 965 枚，能够对相控阵雷达舱、驾驶舱、前舰桥前部和前舰桥下部造成1 级毁伤。

起爆距离3 m 时，起爆方式为距离起爆，弹体碰撞点位于相控阵雷达舱。破片共命中1 621 枚，有效破片共1 387 枚，能够对相控阵雷达舱、驾驶舱、前舰桥前部造成1 级毁伤。

图6 起爆距离3 m 时毁伤效果示意图Fig.6 Damage effect when detonation distance is 4 meters

（2）不同瞄准点、脱靶量起爆距离差异

按照上述起爆距离设定原则，对不同瞄准点和脱靶量的各组弹道设定起爆距离，起爆距离设定值如表2 所示。

由表2 可知：

表2 不同瞄准点、脱靶量的起爆距离Table 2 Detonation distance of each group of trajectory under different aiming point and miss distance

1）起爆距离随脱靶量的增加而增加

在脱靶量5 m 时，导弹很大概率与舰船发生碰撞，设定较小的起爆距离也能保证导弹达到起爆条件。随着脱靶量增加，需要增加起爆距离，防止导弹在与舰船交会时因距离较远，达不到起爆条件而飞过目标。

以瞄准前舰桥中心，交会方位角90°，弹道倾角-20°，脱靶方位30°，脱靶量分别为5 m 和10 m 的弹道为例，在各自起爆距离分别为1 m 和3 m 时的毁伤效果如图7，8 所示。

图7 脱靶量5 m 时触发起爆毁伤效果示意图Fig.7 Damage effect of trigger initiation

脱靶量5 m 时，导弹从舰艇侧方与舰艇交会，起爆点位置位于前舰桥上方，起爆方式为触发起爆，弹体碰撞点位于照射雷达舱。破片共命中2 984枚，有效破片共2 667 枚，能够对驾驶舱、照射雷达舱造成1 级毁伤。

图8 脱靶量10 m 时距离起爆毁伤效果示意图Fig.8 Damage effect of distance initiation

脱靶量10 m 时，导弹从舰艇侧方与舰艇交会，起爆点位置位于前舰桥上方，起爆方式为距离起爆，无弹体碰撞点。破片共命中1 929 枚，有效破片共1 180 枚，能够对桅杆、驾驶舱、照射雷达舱和前舰桥前部造成2 级及以上毁伤。

这2 种情况的起爆点位于前舰桥上部。脱靶量5 m 时，导弹撞击在照射雷达舱发生触发起爆，由于起爆位置周围的阻挡，破片很集中，主要毁伤区域为照射雷达和驾驶舱；脱靶量10 m 时，导弹无弹体碰撞点，导弹起爆位置距离驾驶舱上方更高，破片散布更加广泛，主要毁伤区域为桅杆、驾驶舱、照射雷达舱和前舰桥前部。

2）瞄准点在前舰桥的起爆距离比瞄准点在后舰桥时小

前舰桥体积较大并且上方立有桅杆，为一些从前舰桥上方飞过的弹道提供了起爆条件；后舰桥的体积小，高度低，当导弹从后舰桥上方飞过时，只能增加起爆距离保证导弹能够起爆。

以瞄准后舰桥中心，交会方位角30°，弹道倾角-20°，脱靶量10 m，脱靶方位330°的弹道为例，在起爆距离7 m 时的毁伤效果如图9 所示。

图9 瞄准后舰桥毁伤效果示意图Fig.9 Damage effect when aiming point is rear bridge

导弹从舰船斜后方与舰船交会，起爆方式为距离起爆，起爆点位置位于后舰桥上方，无弹体碰撞点。因为脱靶量较大，起爆距离7 m 时导弹才能达到起爆条件，破片能够打击的区域面积比较小，因此破片命中数量不多，主要集中于后舰桥的上表面，共命中714 枚，有效破片共453 枚，能够对后舰桥造成1 级毁伤。

3）存在距离跳变的弹道，可以设定较小的起爆距离，增加导弹触发起爆的数量，并配合延时后限起爆保证导弹不会错过目标，例如表2 中瞄准前舰桥中心、脱靶量10 m、第Ⅰ象限的弹道，能够有效提高毁伤效果。

以瞄准前舰桥中心，交会方位角165°，弹道倾角-20°，脱靶量10 m，脱靶方位330°的弹道为例，在起爆距离1 m 时的毁伤效果如图10 所示。

图10 延时后限起爆毁伤效果示意图Fig.10 Damage effect of delay time initiation

导弹从舰船斜前方与舰船交会，起爆方式为延时后限起爆，起爆点位置位于驾驶舱上方，弹体碰撞点位于前舰桥后部。破片的主要打击区域是相控阵雷达舱、驾驶舱的上方和照射雷达、桅杆的侧方，破片共命中2 315 枚，有效破片共1 941 枚，能够对相控阵雷达舱、驾驶舱、照射雷达舱、桅杆和前舰桥后部造成1 级毁伤。

6.2 自适应起爆距离设定

实际作战过程中，导弹不能准确识别瞄准点和脱靶信息，只能识别交会象限和弹道倾角，所以起爆距离的设定不能按照瞄准点和脱靶量进行分组，而只能依据交会象限和弹道倾角进行分组。基于起爆距离设定原则，通过对各组弹道在不同起爆距离下的毁伤效果进行对比分析，制定了如表3 的自适应起爆距离设定值。

根据表3 中设定的起爆距离，脱靶量10 m 的各组弹道的毁伤效果如表4，5 所示。

由表4，5 可知：在当前设定起爆距离下，脱靶量10 m 的各组弹道的平均破片毁伤效果能够对舰船造成至少2 级毁伤。对于脱靶量5 m 和7 m 的弹道，由于弹道距离舰船更近，并且导弹与舰船碰撞的概率更大，在当前起爆距离下仿真计算的结果表明，其毁伤效果优于脱靶量10 m 的弹道。因此，在导弹难以识别瞄准点及脱靶量的情况下，可以采用表3中的起爆距离，以获得理想的毁伤效果。