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美军常规弹头技术发展分析

归档日期:06-10       文本归类:弹头动能      文章编辑:爱尚语录

  本文介绍了未来各类常规弹头概念所涉及的关键发展中技术。这些未来弹头主要是利用机械爆炸、撞击、热烟火效应或弹道穿甲来击毁战术目标,包括有装甲防护的陆地和海上运载工具、空中运载工具、设施、物资和人员。

  海湾战争使美军开始对电子和智能武器重视起来,这样的重视似乎让常规弹头有效性和杀伤力方面的重大进步也变得黯然失色。更强大的计算和流体动力学模型,加上对材料及其对高能率变形的反应有了更多的了解,使美军对杀伤机理产生了更深的认识。同时,不灵敏高爆炸药和起爆器/导爆器技术方面的进展为发展全新的弹头概念提供了可能。

  惯性(非爆炸式)动能穿甲弹。其主要作用是穿甲和内部设施击毁/乘员杀伤;弹头为动能长杆穿甲弹或分段式杆状弹头;所运用的武器系统是加农炮发射的导弹(包括超高速导弹);执行反装甲任务。

  直接碰撞杀伤的动能制导拦截弹。其主要作用是彻底破坏结构和利用撞击击毁内部设施/杀伤乘员;弹头为空气动力制导弹头或脉冲反应式控制弹头;所运用的武器系统是导弹;执行战区弹道导弹防御(TBMD)任务。

  爆炸动能弹。其主要作用是穿甲和内部设施击毁/乘员杀伤;弹头为锥形装药和爆炸成型穿甲弹;其运用的武器系统是加农炮、导弹、迫击炮/火炮;执行反装甲、反潜、反舰等任务。

  爆炸与破片杀伤弹。其主要作用是破坏结构,破坏内部设备或削弱设备的能力;弹头是常规单点起爆高爆弹,双起爆高爆弹侧重破片杀伤,定向弹头,受控弹片散飞(包括预先成型的碎片);其运用的武器系统是加农炮,火箭,导弹、迫击炮/火炮,地雷和水雷;主要执行反步兵,反导弹,防空,空中优势,对地攻击等任务。

  定向弹(包括原始形式的杆状和分段杆状弹头)。主要作用是破坏结构和内部设备或削弱设备的能力;弹头是杆状和预制箱弹头,非对称起爆弹头,可变形的非对称起爆弹头;其运用的武器系统是火炮和导弹,主要执行防空任务,包括战区弹道导弹防御。

  加农炮发射的高密度动能穿甲弹一直是并将继续是美国反装甲能力的一个主流弹药。这种技术最先进的(并且是杀伤力最大的)体现是美国现在所使用的、坦克炮发射的120毫米稳定翼脱壳贫铀穿甲弹。以一定速度飞行的一发炮弹所储存的穿甲能面密度与该炮弹的材料和长径比(l/d)呈正比关系。发展更好的材料合金和加工技术以生产出更大长径比的杆状弹头(因为杆状炮弹的长径比越大,炮弹的航空弹道性能和弹着时的结构完整性就越好),改进技术以降低穿甲弹外包铝壳的无效重量及脱壳时产生的误差,优化炮弹飞行形状的航空弹道设计以缩小散布面积等,这些都是该领域所涉及的关键技术。

  动能穿甲弹在穿透装甲时,其穿甲效果是多种复杂的、相互联系的作用叠加的结果。这些作用包括:穿甲弹本身对系统内部组件(包括乘员)的作用;碎片和其他弹着碎片对内部组件的作用;利用设施的撞击传导作用对组件造成结构撞击和破坏作用;破坏不仅包括灾难性的故障,还包括降低设施能力的各种效果,如由撞击导致的光学火控设备无法瞄准;火力破坏,不管是由自燃物(如贫铀)导致的还是由内部易燃组件的绝热、绝燃引起的;内部储存弹药和燃料的爆炸/缓慢爆炸。

  贫铀合金自上个世纪70年代以来一直属于大直径稳定翼脱壳贫铀穿甲弹所用的现代化材料,冶金和加工方面的改进带来了美军炮弹长径比和性能的持续提升。其他正在发展的技术包括复合杆状弹药(尤其是利用更高强度的结构单元强化的贫铀),并正在努力利用钨合金来得到贫铀所具有的性能。转向钨合金的主要原因一直是努力与北约盟国保持一致,因为北约很多国家出于环保方面的担忧,将不会部署贫铀弹。但是,自从前苏联解散以来,美国及其盟友更加不重视计划与数量占优的华沙条约组织武装部队打一场常规地面战,并且有迹象表明,其他国家对使用贫铀弹的立场已经有所松动。

  分段式杆状弹药是一种特殊类型的动能穿甲弹,理论上,这类炮弹可以改进总体的弹着弹道性能和作战效能。尽管针对这一概念已经研究了多年,但是目前美军还没有根据这个概念研制一套作战系统的任何计划。

  直接碰撞杀伤(也被称为“零或近似零径向概率误差”)武器已经成为战术弹道导弹防御的概念选择之一。这一概念的引人之处在于,这种武器理论上在弹着(碰撞)时可以转移极高的能量。比如,一发以4.0马赫速度飞行的20公斤重炮弹所具有的动能可达大约6兆焦耳。在用于战区导弹防御(TMD)的拦截时,闭合速度是逐渐增加的,碰撞时的能量转换会更高。

  理论上,几种向目标发射弹头的方式是可行的。但实际上,多数的未来系统都设想利用一个末段制导的,尤其是以火箭发动机为动力的来攻击目标。关于这个问题,还有几种概念性的变种,旨在通过增加结构单元来扩大弹头的杀伤半径。

  这方面的关键发展中技术主要与末段的制导与控制有关,实施末段制导与控制时必须能够感知目标相对于弹轴和旋转角度的位置,以便对脉冲式火箭控制发动机进行精确点火实施必要的修正。

  大多数常规穿甲弹头都是从炸药中获取杀伤能量,尤其是通过向金属“药型罩”部件传递动能的方式。基本上,药型罩的初步形状决定了穿甲弹的最终弹着形状和弹道性能。

  高爆反坦克弹的最古老、应用最广泛的形式是锥形装药,尤其是铜药型罩的锥形装药。虽然基本原则已经广为人知,铜药型罩也已经广泛使用,但是这些弹头的某些制造方面,尤其是大批量生产具有一定公差的锥形装药弹头仍属于现代化的技术。这方面关键技术的发展是为所谓的“尖”锥形装药使用更高密度的合金(主要是钼合金、钽合金或钨合金)。面临的主要难题是这些材料本身具有低延展性,并且批量生产成本高。我们在这方面已经取得了一些进展,在采用串列弹头概念生产的某些更小直径先导弹头中,我们使用钼作为其药型罩材料。

  除了药型罩的材料选择和加工方面,我们还对各种尖锥形药型罩的形状进行了研究,研究的基本目标都是在使穿甲射流达到最大速度的同时,保持穿甲射流在一定的药型罩口至目标距离内的完整性。喇叭型药型罩和双锥型药型罩这两种技术可以通过改变药型罩的形状而优化爆震炸波—药型罩相互作用的几何形状。另一种方法(欧洲设计人员比美国设计人员更喜欢采用这种办法)是调整爆震波的几何形状,尤其是通过在装药中添加一个惯性单元来调整爆震波的几何形状。

  爆炸成型锥形装药也已经在多效用弹头中采用,而锥形装药或破片杀伤弹头的有效性只有稍微的下降。这个基本概念已经在大直径制导弹头和小型反步兵/反物资(APAM)分弹头中得到应用。

  尽管由于主战坦克(MBT)装甲防护方面的改进,现代锥形装药也随之取得了多项进展,但是,这绝不是说锥形装药概念只在反装甲方面得到应用。锥形装药还可以用于反潜武器。设计这类武器时的一个特殊原则是确保射流在水下环境中的正确形成。锥形装药还适用于反坦克地雷,并可在各种民用工程、采矿和油井开发项目中用作切割装药。

  如前所述,由于药型罩变得越来越浅、越来越厚,最终作用单元的速度有所下降,但是穿甲弹起爆时的药罩口至目标的距离却更大了。爆炸成型穿甲弹被用于从目标顶部杀伤目标的武器中,如美国的搜寻和摧毁装甲武器。该武器的最终穿甲装置之所以具有这样的形状,是由于对药型罩的高能速变形加以控制的结果。药型罩材料的延展性作为变形速度的一个函数,会出现非线性地下降。而这种延展性是实现作用单元最终形状的一个关键要素。

  在药型罩上,存在机械公差变化的地方正是应力集中的地方,而这会产生局部破坏模式,破坏该药型罩或降低其空气动力稳定性(并因此降低其精度和有效性)。因此,控制药型罩上的机械公差就显得非常关键。发展中的关键技术涉及到:批量生产以高密度但延展性更低的非铜材料制成的药型罩。优化穿甲弹头的设计,使其具有特殊(如带有尾翼)的最终弹头形状以增加发射距离和精度。

  为了使爆炸成型穿甲弹能够在复杂的地物干扰背景下探测目标和选择瞄准点,并在100米或以上的距离内精确地引爆弹头,必须对这种弹头的保险、解除保险、引爆和发射分系统进行特殊设计。目前还出现了在短距离内(几米或更短)使用爆炸成型穿甲弹的俯视/俯射概念。如何有效地起爆单柱或串列式俯视/俯射结构的锥形装药,这也是发展中的关键技术需要加以解决的。

  反装甲武器的设计者们已投入越来越多的精力来研制击毁高级装甲的多装置弹头。之所以提出这种概念,首先是因为它适合攻击反应装甲(如图2.7-5)。根据这一概念,首先使用一枚先导弹头起爆反应式附加装甲(或称外挂装甲),然后主装药有效地形成并穿透被暴露的主装甲。使用这类弹头时,适时起爆装药以引爆反应装甲和穿透主装甲对发挥武器的效能非常关键。对于目标顶部攻击方式,起爆装药的时机对于确保射流侵入同一区域也是非常关键的。

  这类弹头也许是单类武器中数量最多的一种弹头。其杀伤力通常源自于高爆炸药爆炸形成的超压力和/或弹头结构碎片的弹道侵彻,从而毁伤目标的结构或关键组件(包括人员)。破片杀伤弹头的一些主要类别和所用的相关技术为:

  自然破片杀伤弹头。自然破片杀伤弹头依赖均匀金属壳体在极高应力变形作用下的固有易碎性质来形成破片大小和速度的最佳分配。常用于非制导炸弹、火箭弹和炮弹中。所涉及的专门知识与材料的选择和冶金工艺有关,以达到理想的延展性/易碎性。

  受控破片杀伤弹头。受控破片杀伤弹头利用一系列技术来诱发破片沿特定的断裂线散飞出去。一系列技术已在这类弹头中得到应用,包括各种冶金工艺,弹壳的机械胶合或电子束胶合技术。

  预先成型破片/预铸破片杀伤弹头。实现最佳效能的一个办法是将理想大小的破片预先成型。不过这么做也带来一个明显的不利因素,那就是成本问题;但是,如果能显著提升对高价值目标的杀伤力的话,那么这种成本也就间接地被降低了。将破片预先成型还有助于利用那些能更有效地攻击目标但其延展性和高应力破裂性质不会导致自然破片散飞的材料(如高密度金属,具有特殊气胀性质的材料等)。

  杆式分段弹头。与受控破片杀伤弹头和预先成型破片杀伤弹头的概念差不多。这类弹头利用特殊的设计技巧来提高弹头的杀伤力。

  定向弹头。定向弹头利用各种设计技术把爆炸和破片散飞模式向目标的方向集中。最初的也是最简单的概念是“两端”起爆,从而产生了将弹头能量以径向圆盘方式集中的效果。其起爆方式为非对称起爆和定向起爆相结合,以使能量向特定的方位角集中。更复杂的设计已在考虑之中,这些设计可以对弹头的爆炸变形实施控制以使弹头在爆炸前具有最佳的形状。

  自然破片杀伤和受控破片杀伤弹头的使用已有一段时间了。“武器系统技术”中论述了改进冶金工艺以实现一特殊含能材料的破片大小和速度最优化的专门知识。这方面的关键发展中技术涉及可瞄弹药(使用定向弹头)和预装破片的形状(使用特殊材料)以提高杀伤力。

  油气弹药是一类利用喷洒燃料的爆炸(以空气作氧化剂)达到作战效果的武器。其现象类似于粮食仓库中的悬浮粉尘爆燃或天然气爆炸所产生的现象。但是与这类爆炸不同的是,军用油气弹药的爆炸是不受约束的。因此,其爆炸在很大程度上依赖于喷洒燃料的密度和油气云的精确、多点起爆。

  在爆炸性的油气云内,油气弹药极具杀伤力—其杀伤力如此之大,以致违反了《日内瓦公约》的有关条款。油气弹药还是一种非常有效的脱叶剂,并已用于起爆地雷,清除雷区。

  总之,尽管锥形装药和爆炸成型穿甲弹主要用于军事目的,但是有关的重要现象,即材料的高能速变形和高温合成/处理引起了商界的一些兴趣。不过,这仍是一个正在发展的领域,还没有被广泛地商业化。某些炸药混合物可以促进商业爆炸物的安全,因此也受到了关注。作者:知远

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