小口径防空高炮弹药发展趋势分析 *

罗文敏，齐圣辉，彭安，陶涛

（宜春先锋军工机械有限公司，江西 宜春 336000）

0 引言

历次战争，空袭作战从未间断，且有愈演愈烈之势。第二次世界大战期间，空袭装备主要为携带大量炸弹的螺旋桨战斗机，飞行速度慢、飞行高度低；20 世纪60 年代～70 年代，喷气式战斗机携带激光制导炸弹、反辐射导弹各种类型的导弹进行临空轰炸或者临空打击成为新型的空袭方式；80 年代～90 年代，美军提出了空地一体化作战理论，由机械化空袭体系向信息化空袭体系转型，海湾战争开始大量使用精确制导弹药，且在防区外投放数量明显增多；90 年代至21 世纪初，精确制导弹药、隐身战斗机、巡航导弹等空袭手段占据了主要位置。21 世纪初至今，信息化、精确化、无人化已逐步成为现代战争的主要形式，新一代载人作战飞机因价格昂贵、数量少，将主要用于争夺制空权的战斗，或在防空火力外指挥和控制无人空袭兵器作战，空袭装备主要为各种战略或战术无人机、无人蜂群巡航导弹、制导弹药，这些装备主要有空袭方向多变、雷达反射面积小、突防速度快、防护能力强且广泛采用低空突防等多种特点［1］。小口径防空高炮具有射速快、初速高、反应速度快、抗干扰能力强等优良特点，有效弥补了防空导弹杀伤近界目标能力不足的缺点，是低空和超低空防御的最有效武器，与防空导弹结合形成了阶梯式的高效全面防空体系，成为野战防空中不可或缺的重要手段，在历次战争中立下了屡屡战功。

在小口径火炮系统已经规划发展成型并大量服役的前提下，对火炮系统本质上的改进不大可能，只能通过增加功能（如弹炮结合改）及开展新型弹药的研究以提高防空高炮系统综合作战效能，实现小口径高炮武器系统寿命的延伸。

1 小口径防空高炮弹药发展趋势分析

1.1 提高穿甲弹的高效复合毁伤能力

现代战争，巡航导弹、制导航弹等厚壁目标投放数量日益增多，对地面防空阵地或重要设施威胁越来越大，这类目标具有防护强、速度高、装药钝感等特点，若使用传统的杀伤榴弹或半穿甲弹，初速过低、飞行时间长且穿甲后效毁伤威力不足，很难及时有效对其完成有效毁伤，使用普通的纯钨合金脱壳穿甲弹能将弹丸速度提高，缩短反应时间，提高命中概率，但是穿甲后不具备后效，无法对导弹造成解体性毁伤，在末段时，导弹控制机构基本完成，依靠惯性飞行可以完成打击，阵地受到的威胁还是存在。为解决这一难题，实现对制导航弹、巡航导弹等空袭目标的“击中必摧毁”效果，各国争相发展具备高效复合毁伤能力的穿甲弹。

高效复合毁伤穿甲弹作用原理为穿甲弹芯侵彻目标时，在其内逐渐解体成为破片群，产生一种“瀑布”效应，“瀑布”效应扩展为毁伤破片云，成一个延展的圆锥状，圆锥的最终直径远远大于其初始穿入点的直径，形成的高能破片能实现超压毁伤目标内部设备仪器、引爆制导弹药战斗部装药、引燃柴油箱等高效二次毁伤效果，实现对目标的“命中必摧毁”效果。国外近些年研制了多种高效复合毁伤穿甲弹，涵盖了20，23，27，30，35 mm 等多种口径。我国也在高效复合毁伤穿甲弹上做出了研究，成为高效拦截低空、超低空来袭巡航导弹、反舰导弹的主用弹药。

弹芯外形方案设计及材料配方设计是实现穿甲弹高效复合毁伤能力的关键，目前复合毁伤型弹芯材料主要采用钨合金加入含能元素、PELE 结构或钨合金内腔嵌入含能材料等手段实现。王璐瑶等［2］研究了高强度、高密度钨锆铪活性合金破片在冲击加载下的化学能增强动能毁伤能力。张周然［3］研究了高熵合金高速撞击下的含能特性，对发展高效毁伤含能结构和新型穿甲材料提供了参考。耿铁强［4］以Ni-Al 含能结构材料为对象，研究了材料的微观组织结构、反应行为和力学行为，揭示了烧结温度、Cu 和W 等掺杂元素添加对Ni-Al 含能结构材料与性能的影响规律及作用机制。尚春明等［5］采用氧弹量热法测定了Zr 基非晶合金箔带在不同氧气压力下的燃烧热，使用X 射线分析了燃烧产物的物相组成，并与TNT，PTFE/Al 含能材料的能量特性进行了对比。周敬辕等［6］采用数值模拟方法研究了分段式横向增强效应弹丸（penetrator with enhanced lateral efficiency，PELE）对4 层金属靶的侵彻效应，获得了弹体侵彻速度和靶板厚度对弹体终点效应的影响。陈强等［7］利用LS-DYNA 数值仿真软件构建了弹体与靶板的三维实体模型，通过改变弹体材料、结构，分析了对横向增强效应弹丸（PELE）的侵彻能力和横向效应的影响。图1～3 为某口径防空高效复合毁伤穿甲弹后效毁伤试验效果。

图1 高效复合毁伤穿甲弹对多层铝板后效毁伤效果Fig.1 Aftereffect damage effect of high-efficiency composite damage armor piercing projectile on multilayer aluminum plate

图2 高效复合毁伤穿甲弹对导弹战斗部毁伤效果Fig.2 Damage effect of high-efficiency compound damage armor piercing projectile on missile warhead

图3 高效复合毁伤穿甲弹对制0#柴油箱毁伤效果Fig.3 Damage effect of high-efficiency composite damage armor piercing bullet on 0 # diesel tank

1.2 发展近炸引信，提高弹药的“临机式”拦截毁伤能力

现代战争空袭方式呈现出突防速度高、突防方向多变的特点，空袭装备涵盖了巡航导弹、制导航弹、武装直升机等大尺寸目标，也出现了小型、微型无人机蜂群等目标，近炸引信预制破片弹采取“临机式”打击方式，构建破片密集拦截“网式”区域，实现“区域拒止”式拦截，是应对来袭目标的有效手段。

引信是决定战斗部能否准确实现作战效果的“头脑中枢”部分，传统的引信大多采用了触发引信或定距引信，通过对目标碰撞或装订固定参数实现对目标的拦截。防空作战时，作战环境复杂，机会经常稍纵即逝，要实现小口径防空高炮战斗部的“临机式”打击，需将引信的被动式作用方式转换为主动式，控制炸点精确起爆，实现对空袭目标的精准有效拦截毁伤。

开发引信近炸性能，控制弹丸的精确炸点起爆，结合小口径高炮的高速射特性及弹丸的飞行弹道特性，一次点射可在目标前方形成数万枚高密度大空域拦截破片弹幕，多门火炮齐射可实现对阵地的区域拒止保护，能实现对各类空袭目标的高效拦截毁伤效果。

防空近炸引信主要发展方向为毫米波近炸引信、激光近炸引信、红外近炸引信。其中，毫米波近炸引信普遍利用线性调频连续波体制进行精准测距［8］，具有受气象条件影响小、区分目标能力强、结构尺寸小、成本低、探测精度高的优良特点，与小口径高炮弹药的低成本、小型化要求吻合，是未来小口径防空高炮弹药近炸引信的主要发展方向。

实现毫米波近炸引信在小口径高炮弹药上应用的关键技术在于电子器件抗高过载技术、电子器件小型化技术、信息接收及快速处理技术、毫米波测距技术和抗干扰技术等。毫米波近炸引信干扰来源主要包含内部干扰、无源干扰、有源干扰［9］。图4 为某近炸引信预制破片弹近炸试验效果。

图4 毫米波近炸引信靶前精确控制起爆瞬间Fig.4 Precise control of initiation moment in front of the target of millimeter wave proximity fuze

1.3 发展高效能预制破片战斗部

战斗部是决定弹丸毁伤威力的关键部件，提高预制破片战斗部的高效毁伤能力有多种形式，主要通过优化战斗部结构、采用含能毁伤元、采用高能炸药等手段实现战斗部威力最大化。

目前防空反导的破片战斗部结构主要有聚焦、定向、线列式战斗部，对该几类战斗部的研究较多［10-16］。含能材料是实现含能毁伤元的关键，国内目前研究的含能毁伤元材料主要有金属/聚合物包覆型、金属-金属均相型、惰性表覆金属型三大类。小口径高炮弹药的尺寸小，进行战斗部设计时破片质量相比于防空导弹等弹药较小，要实现小型化破片的含能后效是一个技术难题，需从提高破片速度、进一步加强破片材料含能毁伤研究等方面着手。高能炸药是实现毁伤元能量的核心部分，防空反导战斗部经常采用聚焦式打击，小口径高炮弹药空间小，在采用聚焦或定向式战斗部时往往需要减少装药量以保证破片数量和毁伤时的破片密度，破片毁伤元的速度由弹丸的飞行速度和炸药的爆轰速度组成，为了在有限的少炸药量前提下实现毁伤元的飞散速度，需尽量采用高能炸药。目前国内外高能炸药发展的前沿是以CL-20，DNTF 等第3 代含能材料为基础的混合炸药。

1.4 发展具备大穿深能力的弹种

装备技术的发展催生了具备很强防护能力的战术弹道导弹、航空炸弹、钻地弹等作战目标。应对这些厚壁目标对防空弹药的比动能提出了更高的要求，小口径高炮弹药如何在口径、发射药能量有限的条件下提高着靶比动能或者其他方式增加穿深是未来研究的方向之一。

提高穿深能力可采用大长径比的尾翼稳定脱壳穿甲弹、爆炸成型弹丸、多爆炸成型弹丸、线性爆炸成型弹丸等方案。

小口径高炮弹药空间小、尺寸小、过载大、转速高，要在该平台上采用爆炸成型战斗部，实现对目标的大穿深，需要解决的关键技术主要有弹丸减旋技术、引信近炸技术、引战配合技术。国外对小口径破甲弹的研究起步较早，约为20 世纪80 年代，美国的M789 破甲杀伤弹配用于阿帕奇直升机30 mm航炮，于2001 年装备使用。

1.5 发展小口径制导炮弹

发展制导弹药是从根本上解决高炮弹药命中精度的核心与关键，能大幅度提高防空拦截效率。随着小型化技术、材料技术、微电子技术的发展，实现小口径制导弹药已经成为可能。

小口径弹药制导结构主要由参数测量系统、信息处理系统和执行机构3 部分组成。参数测量系统主要包含卫星天线、MEMS（micro-electro-mechanical system）测量装置等，信息处理系统主要包括集成了理论弹道模型、微机快速处理技术和解算模型的芯片等，执行机构主要包括舵片、电源等。

小口径高炮制导弹要解决的关键技术主要有弹丸减旋技术、电子器件抗高过载技术、修正结构小型化技术及卫星快速定位技术。小口径弹药防空范围一般在斜距离4 km 高度3 km 区域，飞行时间较短，卫星定位及快速定位解算需要一定时间，导致修正时间过短，对修正精度会产生较大影响，且小口径炮弹一般都依靠惯性飞行，修正机构执行时产生空气阻力会降低弹丸的速度、减小有效射程及反应时间，飞行到一定距离后，舵翼执行机构因弹丸速度下降过载力下降影响控制效果。因此，在开展修正改进时可考虑结合冲压增程发动机加速，可实现与弹道修正机构的匹配性，且可以保证甚至扩大小口径高炮的有效防空区域，实现高效费比对低空乃至中空目标的拦截，整体提升小口径的作用，进一步提升武器系统作战效能。同时，小口径制导弹药论证时需考虑效费比的前提，与常规弹药进行效费比对比分析，尽量研究在低成本下的制导化改造。

国外对小口径制导弹药的研究不少，美国和德国正开展小口径炮弹修正弹、激光末制导炮弹的研究，口径包含25，30，35 mm。国外正在研究装有直径25 mm 脉冲修正埋头弹，瑞典在20 世纪已经开展40 mm 口径简易制导的弹道修正弹（4P 弹）研制［17］。国内小口径制导炮弹领域的研究报道还不多，从资料只了解到单兵35，40 mm 弹药平台正进行制导化改造，预计在低过载平台完成制导组件小型化技术攻关后拓展到高过载的小口径高炮弹药平台进行研究。

1.6 发展不敏感高安全性弹药

实际作战时，弹药能否持续保障也是决定战争胜利与否的重要因素之一，两次世界大战期间，各国一味追求毁伤威力忽略了弹药存储、撞击、爆炸时的不敏感性研究导致了很多安全事故。一战时主装药腐蚀弹壳生成敏感苦味酸铁导致经常发生爆炸事故，二战时苦味酸铁被敏感度低、工艺简单的TNT 替代，但因其爆轰能量低被B 炸药逐步取代，B 炸药受到破片、金属射流穿透、火焰高温时容易发生爆轰［18］，1967 年Oriskany 航母甲板上因一枚空地火箭意外点火发射导致整个飞行甲板失火，使军械库的弹药热烘后发生爆炸；1969 年Enterprise 号航母、1981 年“Mititz”号航母因舰载弹药遭遇外界刺激而发生爆炸事故，造成巨大人员身亡和财产损失；1982 年英国“谢菲尔德”号导弹驱逐舰被一枚飞鱼导弹击中，引发舰载弹药殉爆而导致沉没；2001 年俄罗斯的“库尔斯克”号潜艇由于几枚鱼雷火灾中爆轰而沉没，108 名官兵全部遇难［19-21］。

战场环境的变化对弹药性能提出了更高要求，不仅要求弹药远射程、大威力、高精度要求，还要求弹药在贮存、运输、执勤、使用等全寿命周期内具有不敏感的特性，减少安全事故的发生，提高部队持续战斗力。美国在20 世纪70 年代就已经提出了不敏感弹药概念。1984 年率先公布海军不敏感弹药政策，所有海军弹药都要求能将弹药对外界刺激后的响应减到最小。1987 年，英国国防部建议采纳美国不敏感弹药的基本原理。1989 年，北约成立不敏感弹药信息中心，促进各国制定向不敏感弹药转化的政策［22］。

不敏感弹药研究目前主要集中在炸药、战斗部结构及防护包装结构方面。炸药是解决弹药敏感度的关键。目前，不敏感炸药主要有不敏感单质炸药、不敏感浇注炸药、不敏感熔铸炸药等。不敏感单质炸药有唑类、嗪类不敏感炸药［23］和离子盐类不敏感炸药［24-26］。不敏感浇注炸药主要采用新型黏结剂、对炸药进行包覆或重结晶、或在主体炸药中加入高能钝感单质炸药等方法形成。不敏感熔铸炸药主要包含TNT 基改性熔铸炸药、DNAN 基熔铸炸药、新型熔铸载体炸药等。在结构设计方面，目前主要采用了机械刺激缓释技术、热刺激缓释技术，在战斗部或包装上进行设计，以解决弹药遭遇跌落、撞击、破片击中、火烧等外界刺激时引起的不安全性。

不敏感弹药的应用对引信提出了更高的要求，要求引信能可靠起爆不敏感战斗部同时还要求引信的装药与主装药钝感程度相当。目前，国外已研制出多种不敏感传爆药，我国在不敏感传爆药方面也有比较大的进展［27-31］。与此同时，国内外对不敏感火工品（雷管等）、不敏感传爆序列结构进行了多项研究［32-37］。

1.7 开发新概念弹药

为进一步提高弹药威力，近些年国内外提出了研制埋头弹的想法，埋头弹通过将弹丸嵌入装药药筒中，将药筒药室扩大增加发射药，增加装药密度使得弹丸速度获得大幅度提高。同时，由于全弹长度短，且形状规则，能大幅度简化自动机的设计，腾出更多空间装载弹药，提高威力的同时减轻装备的重量，保证了装备的作战快速反应、持续作战能力。由于装填及供弹方式较为简化，埋头炮还可进行无人式炮塔改进，实现无人化作战。国内和国外均完成了小口径埋头炮武器系统及其弹药的研制，有45 mm 和40 mm 2 种 口 径。相 关 资 料 显 示，40 mm 埋头穿甲弹威力比普通40 mm 战车炮发射的穿甲弹威力提升15%，是传统30 mm 普通穿甲弹的3 倍，能摧毁目前所有步战车。埋头弹最大的技术难点在于两级点火技术，该技术要求第1 次点燃传火管中的速燃药产生气体压力推动弹丸运动出药筒，之后进行第2 次点火引燃药筒中的发射药推动弹丸挤进膛线，获得旋转速度和轴向速度，考虑到小口径高炮的射速要求，速燃药的时间和主装药的点燃时间差控制在非常微小的范围内，对速燃药设计、传火管设计、装药设计提出了很高的要求。同时，为保证发射时弹丸中心与炮管轴线对齐，保证发射过程的安全性，要求弹丸在已装发射药的药筒内固定位置准确，由于小口径高炮弹药装药均为非压实装药，需要在保证发射药气体密封性、弹丸获得火药气体能量尽量多的同时考虑弹丸的精准定位，实现起来难度较高。

电磁炮武器系统为近些年发展起来的新概念武器，其工作原理为利用高压电流产生的洛伦兹力将弹丸发射出去，具有炮弹结构简单、初速高、成本低、威力大、射程远等优良特点。美国自20 世纪90年代已经开始研究电磁轨道炮及其弹药，每年投入1 亿多美元巨资，技术取得了很大进展，实验指标已接近实战要求，近些年正研制飞行速度2 500～4 000 m/s 的电磁炮，作为2020 年后陆军主战战车武器的候选方案，用于低空近程反导。

电磁炮武器系统若要实现野战防空作战效能，需要解决能源系统小型化、导轨寿命、后勤补给保障问题。由于电磁炮采用高电压环境下导轨式发射弹丸的形式，弹丸上集成了引信、战斗部、尾翼稳定机构、导电感应结构等多种零部件，需着力解决零部件小型化、引信复杂电磁环境下兼容性、外弹道性能及着靶精度等问题，有一定的技术难度。

2 结束语

空袭目标、作战环境的演变，国内外同类弹药技术发展推动着小口径防空高炮弹药向提高穿甲弹高效复合毁伤效果、弹药“临机式”打击能力、对厚壁目标侵彻能力、提高战斗部高效毁伤能力、提高精确打击能力、提高弹药不敏感性、新能源火炮弹药等方向发展，本文对多种类型的小口径防空高炮弹药进行了介绍，并对存在的关键技术和难点进行了分析，为小口径高炮弹药技术研究提供了参考，助力信息化作战环境下新型小口径高炮弹药高效火力防空体系论证。