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【科技评论】国外高效毁伤技术发展及趋势

归档日期:06-29       文本归类:毁伤目标能力      文章编辑:爱尚语录

  近年来,国外高效毁伤技术在含能材料、先进战斗部以及引信技术等领域取得了突破性进展,对武器装备打击能力的提升起到至关重要的作用。含能材料正从梯恩梯(、富氮化合物、金属氢为代表的新型高能量密度材料发展,注重高能化、能量利用率最优化等;战斗部研究方向从传统的子母式、杀爆型面毁伤、聚能侵彻转向反深层硬目标高速侵彻、反城区目标威力可调整效应可选择等战斗部技术领域;在先进起爆技术方式方面,正从单一机械作用模式向可编程、多选择方向发展。

  高效毁伤技术是指针对不同目标类型,在一定环境与约束条件下,通过对毁伤能量释放方式和方向的控制,实现对目标最佳毁伤效果的技术。高效毁伤技术正处在不断变革和飞跃发展阶段,发展重点主要围绕高能含能材料研究与制备、先进战斗部结构与毁伤机理、先进起爆控制技术等方面,强调突破提高含能材料能量、可控毁伤、金属基活性材料毁伤、抗高过载高速动能侵彻、自适应定向毁伤、高效能低附带毁伤、不敏感弹药等高效毁伤技术。

  针对国外高效毁伤技术领域,无论是含能材料、战斗部还是起爆控制技术都历经了多年的发展,而每一子技术子领域的技术成熟都积极推动了高效毁伤的巨大发展。

  1863年合成的梯恩梯(TNT)为标志,1891年实现了TNT的工业化生产,20世纪初作为炮弹装药;第二代含能材料以1899年合成的黑索今(RDX)和1941年合成的奥克托今(HMX)为标志,能量约为TNT的1.4~1.6倍。第二次世界大战期间出现了以黑索今为主要成分的混合炸药。20世纪50年代,奥克托今进入实用阶段,制得了熔铸炸药奥克托今和多种塑料黏接炸药,广泛用于导弹、反坦克武器战斗部中;第三代含能材料以1987年合成成功的CL-20为标志,能量又比奥克托今提高6%~8%,20世纪90年代中期进入应用研究阶段;第四代含能材料从1998年合成成功的N5+离子型全氮化合物开始,能量可达TNT的2~10倍,标志着含能材料的发展已突破传统的化合物分子组成体系(由碳、氢、氮、氧构成),进入了提高含能材料能量水平的新时代。

  战斗部种类繁多,分类方式多样,若按照时间先后顺序来计,大体经历了杀爆战斗部、破片杀伤战斗部、动能

  /聚能穿甲战斗部、反地下目标战斗部及新概念战斗部等。杀爆战斗部出现最早、使用最广,炮弹、导弹、炸弹等均有应用,主要通过提高装药能量,改进壳体结构、材料等提高杀伤威力,美国

  MK80系列炸弹是采用杀爆战斗部的典型代表;对杀爆战斗部的壳体进行刻槽或是增加破片衬层,形成破片杀伤战斗部,其经历了自然破片、预置破皮、定向破片、活性材料破片杀伤几个阶段。美AIM-120、俄P-77及以色列的“怪蛇”空空导弹采用的是定向杀伤战斗部,代表了现役装备最高水平。对付装甲目标的动能穿甲弹也历经四代发展。第一代是能穿透

  80毫米厚钢板的适口径穿甲弹,第二代是装有高密度碳化钨弹芯能穿透200毫米厚钢板的次口径穿甲弹,第三代是采用钨钴合金弹芯能穿透300毫米厚钢板的旋转稳定脱壳穿甲弹,第四代是具有更大长径比、弹丸初速更高、穿甲能力更强的尾翼稳定脱壳穿甲弹,最典型的是美国现役M829A3式120毫米尾翼稳定脱壳穿甲弹,穿甲深度超过800毫米。聚能装药战斗部是继穿甲弹后又一主要反装甲战斗部,在此基础上又出现了多聚能装药战斗部、多模毁伤战斗部及综合效应战斗部等。

  20世纪80年代至90年代,为打击披挂爆炸反应装甲的坦克目标,又出现了串联聚能破甲弹。如美“海尔法”、俄“短号”等反坦克导弹,侵彻钢装甲厚度可达1200~1400毫米。美、英、德等国领跑了深侵彻战斗部技术的发展:

  20世纪60年代出现了侵彻1~1.5米厚钢筋混凝土的动能侵彻战斗部,如美国BLU-107;70年代动能侵彻威力达到1.5~2.4米,如美国BLU-109;80年代末侵深达到6米,如BLU-113;90年代以来,出现了侵彻6米厚钢筋混凝土的两级串联结构的侵彻战斗部,如英国“布诺奇”、德国“麦菲斯特”等。目前,美国还在开展巨型钻地弹(MOP)和超高声速侵彻战斗部等技术研究,希望实现8米甚至15米的侵彻深度。随着武器装备的信息化程度越来越高,各种新概念战斗部应运而生。美、俄、英已将电磁脉冲战斗部应用于航空炸弹和巡航导弹;碳纤维战斗部已在科索沃战争中致使电网系统瘫痪;活性材料战斗部,适于城区作战的低附带毁伤战斗部、毁伤效能可调等新概念战斗部开始发展活跃。

  4个阶段:触发引信诞生于100多年前,当时普遍应用于各种弹药;20世纪初,人们研制出钟表时间引信,定时精度高,广泛应用于对地空袭和对空拦截弹药中;近炸引信能够在相对目标最有利的位置引爆战斗部,防空、反地面目标弹药均有应用;20世纪70年代,可以将触发引信、时间引信和近炸引信功能集成在一起的多功能引信开始出现,并成为引信技术的主流发展方向。二、高效毁伤领域前沿技术广泛应用

  /超高能含能材料技术、深侵彻/毁伤效应可调/活性材料战斗部技术以及多功能可编程引信技术发展活跃,并占据前沿位置。美、俄等国积极开展高能/超高能含能材料技术研究,致力开发富氮化合物、全氮材料及金属氢;深侵彻战斗部利用新结构、新材料提升开孔能力和侵彻稳定性,毁伤效应可调技术已处在概念研究及实验性研究阶段,活性材料战斗部技术已趋于工程化研究;多功能可编程引信技术进入工程研制阶段。

  10个,爆速9.18千米/秒,2012年又合成出5,5′-联四唑-1,1′-二氧化物二羟铵(TKX50),爆速9.698千米/秒,感度低于黑索今、奥克托今;美国也合成出热安定性更好,感度更低的四唑盐;印度设计出一系列含有五元氮杂环结构的富氮化合物,爆速8.54~9.41千米/秒,新设计的一系列氨基硝基咪唑类新型富氮化合物,爆速最大达9.15千米/秒。美、法、德及瑞典等国还开展了全氮材料的理论与实验室合成研究。离子型全氮材料和聚合氮的实验室合成研究取得实质性突破,相关试验结果也证明了全氮材料的存在,并成功获得离子型全氮化合物

  TNT的25~35倍,是目前预测能量最高的常规含能材料,其理论研究已趋于成熟,实验室制备面临新的发展机遇。美国已在实验室利用超高压压缩法成功制得了固态金属氢。

  8米,新结构提升开孔能力和侵彻稳定性美、欧均重视深侵彻战斗部技术的发展。美国巨型钻地弹对钢筋混凝土的侵彻能力超过

  8米,美欧在研的新结构战斗部无论是开孔能力还是侵彻稳定性都有大幅提高。美国发展的

  13.6吨重巨型钻地弹代表着动能深侵彻战斗部的最高水平,爆炸威力是现役BLU-109的10余倍。2013年研究人员又调整了引信,增强了炸弹对岩石层和钢筋层的抗冲击能力;改进了制导系统,提升了GPS抗干扰以及其他电子对抗的能力。预计美军很快接收全部的20枚改进型巨型钻地弹。同时,美国已开始对高速/超高速动能侵彻技术进行概念研究与技术探索。近些年美国还涉足串联侵彻战斗部研究,研发出前级战斗部比随进战斗部直径大很多的新型串联战斗部(图

  1)。前级战斗部能生成10000米/秒的高温金属射流,为随进战斗部进入坑道或掩体内爆炸开辟通道。该战斗部已经在“战斧”BlockⅥ导弹上成功得到试验。美国还研发了“集束装药”深侵彻技术(图2),可用于串联式侵彻战斗部的前级装药,所能爆破的岩石/或混凝土容积是单个聚能装药的60~70倍。欧洲研发出侵彻和爆破能力明显优于同级别北约制式武器的新结构钻地弹。“瓶”形弹体直径大小呈阶梯式变化,前端呈“齿状”,有利于粉碎混凝土并避免炸弹与目标撞击时发生跳弹(图

  美、英、德等国均在研发毁伤效应可调整战斗部技术,以期能产生摧毁目标所需的“恰当”毁伤效应。主要体现在:转换不同预定义输出模式,使毁伤模式可选择;连续调整破片和爆炸效果,使毁伤当量可控;将所需的效应聚集于希望的方向上,使毁伤方向可控。

  如美国利用起爆技术对含铝全氟聚醚炸药释放能量或速度进行控制,为制导多管火箭弹战斗部外围加一层“束带”,使其壳体能够配合起爆方式,实现毁伤效应可调节;德国采用可调整起爆装置,与不敏感塑料粘结炸药结合,全方位适应战斗部响应;另外提出的可转换毁伤模式战斗部引入了新型高能药柱作为多点起爆系统,使得战斗部毁伤功能可转换;英国提出战斗部毁伤效应可调炸药装药概念。炸药装药采用中心高能炸药层、中间衰减层和外部含铝炸药层三层结构设计,并设计了只引爆中心高能炸药层和引爆内外层两种起爆模式。

  美国活性材料已步入工程化研究阶段。陆军正在发展用于主动防护系统的活性破片武器,还开展了活性材料在爆炸成形弹丸战斗部

  (EFP)、聚能装药战斗部中的应用研究(图4)。海军研究办公室正致力于将活性材料增强型战斗部应用于导弹战斗部中,使其能够显著毁伤巡航导弹、飞机等目标;空军也致力于发展一种名为“战斧”的战斗部,通过向较大的区域内“抛撒”活性碎片,摧毁诸如卡车之类的“软”目标。

  目前正在研究的多功能引信主要体现在实现战斗部的毁伤效应可调以及不同杀伤机理上。美国近年有多项与多模、效应可调战斗部引信技术相关的研究计划,包括传感器、战斗部及引信技术集成以实现综合效应的研究、自适应响应可调技术、陆军技术计划

  III中的先进弹药引信研究以及可调微型起爆系统技术研究等。美、德等国开展了大量硬目标灵巧引信及其关键技术研究,如美国耐受热稳定鲁棒智能引信、鲁棒空穴感知和计层引信、加固微型引信、严酷环境引信等。这些项目围绕抗冲击加固电子器件和冲击后的智能算法技术、低能微型雷管、抗冲击加固电源等关键技术进行了探索,但大多数停留在预研阶段。真正进入工程化研制的是美国的硬目标空穴感知引信(

  HTVSF)项目,预计2014年转入小批量试生产阶段。该引信能够用于侵彻数层地下结构,并在预定位置起爆,抗冲击过载指标大于50000g。三、国外高效毁伤技术发展趋势

  国外高效毁伤技术已得到全面发展,从发展趋势来看,含能材料正朝着高能化、钝感化和能量利用率最大化方向发展,战斗部朝着高动能、多功能及低附带毁伤方向发展,引信将朝着智能化、微型化方向发展。

  未来含能材料技术领域将继续向高能量和不敏感方向发展,在不断提高能量水平的同时注重综合性能的提高,其主要趋势是高能化、钝感化及能量利用率的最优化。世界各国推出了许多新的低易损性炸药品种和配方,有些已进入大面积推广应用阶段。美、英、法等西方军事大国正不断地将不敏感炸药应用于大量使用的主要弹种和通用弹种,使越来越多的弹药成为不敏感弹药(

  IM),把装用不敏感炸药作为发展未来武器弹药的一项基本要求;未来提高装药能量的转化利用效率也是含能材料技术发展的一个必然趋势。

  /超高速动能侵彻战斗部技术已成为发展重点。美国正在研制四代战斗机携带的高超声速钻地弹,撞击速度预计将达1800米/秒,并在继续研究撞击速度达2000~2400米/秒的更高速度的战斗部;英国投资研究超声速巡航导弹用侵彻战斗部技术,壳体材料采用高密度重金属钨,撞击速度达到1200米/秒以上。采用两种或两种以上毁伤机理或毁伤模式的多功能战斗部成为毁伤技术发展的重要趋势。如美国与以色列联合研制的“箭”-

  II采用撞击动能杀伤+“聚焦”破片复合的战斗部;俄罗斯57E6型面空导弹采用具有燃烧特点的破片和连续杆式杀伤战斗部。美国小直径炸弹II、新型“海尔法”导弹配用多功能聚能装药/破片杀伤战斗部等。低附带损伤战斗部技术也将成为今后的研究重点。如美国空军小直径炸弹、“杰达姆”或激光制导炸弹将采用复合导电纤维壳体加重金属粉末做“衬层”的战斗部技术;以色列在

  MK80炸弹系列基础上研发低强度炸弹,可通过调整装药量的多少,满足城区低附带毁伤的作战需求。

  未来引信功能将从目前控制弹药起爆时机、炸点向战斗部毁伤效应控制能力方向发展。引信也将在网络化弹药中扮演重要角色,如美军智能弹药系统(

  IMS)将采用分布式引信,其保险的解除是操作人员通过远程控制单元向弹药控制单元下达指令完成的。引信灵巧化、智能化要求越来越高,对器件的微型化提出了更高要求。国外已开展较多微机电系统(

  MEMS)技术在引信中的应用研究,包括MEMS加速度传感器、MEMS安全与解除保险装置以及MEMS微型爆炸序列/发火装置等。除器件微型化要求本身外,某些情况下也需要应用MEMS技术才能攻克难关,如美国在规划“用于打击各种硬目标的先进引信技术”时,就将微型化及坚固零部件列为技术途径之一。四、几点认识

  世界军事发达国家正在有计划地将高效毁伤技术向更高层次推进。基于对国外高效毁伤技术的分析,可以得出如下认识。

  TNT、B炸药将逐步被CL-20、含金属炸药甚至富氮化合物等高能量密度材料所取代,使弹药战斗部毁伤能力提高几倍甚至10倍以上,大幅提高毁伤效能。如活性破片战斗部的潜在毁伤威力可提高5倍;新型战斗部结构可使弹药满足复杂多变的作战需求,针对不同目标类型形成多效的毁伤能力。

  国外一直将含能材料、战斗部等基础研究作为发展高效毁伤技术的重要动力。如美国在金属氢研究方面前期开展了大量理论探索;提高战斗部毁伤效能方面开展了战斗部材料、结构的基础研究;国外也一直在从事抗高过载引信的基础研究工作。这些基础工作一旦有了突破,将会在高效毁伤中得到广泛应用,衍生出多种类高威力武器产品。

  另外,预先研究、技术路线图研究也是实现高效毁伤技术稳步有序发展的重要因素。如美国开展了集束装药深侵彻技术、超高速动能侵彻技术预先研究,提出对付深埋与加固目标近、中、远期发展技术路线图和硬目标灵巧引信技术发展路线图等。

  国外正在从多个途径实现弹药战斗部毁伤效应的可调性,以解决命中精度提高的前提下打击多用途、能量定向和低附带毁伤问题。美国陆军提出了要设计、开发并演示验证利用新型活性材料使其对于简易爆炸装置、建筑物的毁伤效应可调;英国奎奈蒂克公司提出从炸药装药的角度实现战斗部的毁伤效应可调。这些技术可提高战斗部对多类目标的打击能力,同时降低附带毁伤,是目前发达国家正在积极开发的新技术。

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