防空制导炮弹关键技术浅析

防空制导炮弹关键技术浅析

胡明媛

江南机电设计研究所 贵州 贵阳 550009

摘要：制导炮弹的发展融合了火炮射速高、直瞄精度高、经济性好及导弹制导精度高的优势，提高了拦截综合效费比，增强了火炮持续作战能力，但其应用于防空作战时还存在很多关键技术尚未突破。浅析了防空制导炮弹发展中的关键技术，并进行了防空制导炮弹发展展望。

关键词：制导炮弹，防空，抗高过载

1 概述

制导炮弹在炮弹的基础上增加了制导系统和执行机构，可以探测目标，对弹道进行修正，提高对目标的打击精度，因此可以大大降低弹药消耗量，提高火炮生命力；同时制导炮弹与导弹相比，成本大大降低，综合作战效费比较高，得到世界各国的青睐。自20世纪70年代，当时的两个超级大国美、苏分别研制的“铜斑蛇”及“红土地”两款末制导炮弹面世以来，制导炮弹的发展已经走过半个世纪[1]。

迄今为止，制导炮弹已经在榴弹炮、迫击炮、坦克炮、舰炮等多种火炮平台广泛应用，但大部分制导炮弹以对地、舰船等目标为主，防空制导炮弹发展较少，主要由以下几点原因：其一，制导炮弹发展的主要技术难点在于制导器件以及执行机构抗高过载设计，对地面或舰船打击，制导精度及弹药机动能力要求较低，器件设计难度较低；其二，由于火炮口径越小，发射过载越大，因此研究制导炮弹的世界各国都率先攻克了大口径制导炮弹的难题，对中小口径发展则成熟度较低，而大口径火炮因为射速低等问题，较难应用于防空。

但由于制导炮弹兼具火炮发射快速性、近界小及导弹高制导精度等优点，主要国家仍在积极探索防空制导炮弹的发展道路，以期使高炮、中口径舰炮等传统武器重新焕发光彩。

2 国外发展现状

意大利“大卫-斯特莱斯”近程反导武器系统为奥托76mm舰炮配备的“飞镖”制导炮弹是国外防空制导炮弹的主要代表[2]。该弹为次口径尾翼稳定弹，重3.4kg，炮口初速可达到1200m/s，在5s内能够飞行5km距离。“飞镖”主要由4个部件组成：鸭式舵机组件、3A+近炸引信、预制破片战斗部和用于无线电接收机。3A+近炸引信具有近炸、碰炸、延迟爆炸以及时间控制空爆四种预编工作模式。执行反导任务时，主要使用近炸模式，引爆距离为10m，最低可在海平面上2m的高度工作。预制破片战斗部重2.5kg，由高爆炸药、钨制破片、钢制壳体组成，对炮弹的有效杀伤距离超过10m。“飞镖”采用无线电驾束制导技术，安装在炮塔上的Ka波段连续波制导雷达可同时引导多枚“飞镖”实施拦截。

图1 “大卫-斯特莱斯”近程反导武器系统

美国DARPA开展了“多方位防御快速拦截炮弹交战系统”（英文缩写为MAD-FIRES，即“狂火”）研究，该项目基于30mm~57mm中小口径制导炮弹技术，旨在应对先进反舰巡航导弹[3]。2019年，美国雷声公司发布的一段 “狂火”弹药概念视频中，狂火由MK110型57毫米舰炮发射，采用弹托适配，由火箭发动机增程，采用鸭舵进行控制，飞行时鸭舵不旋转，尾翼高速旋转，可能采用高精度导引头，炮弹能够直接命中并有效毁伤来袭的超音速反舰导弹目标。

图2 雷声公司“狂火”制导炮弹

3 防空制导炮弹关键技术

3.1电子器件小型化高集成抗高过载技术

防空制导炮弹采用中口径火炮发射为宜，与大口径炮弹相比，弹上设备可用空间更小，且发射过载更高。因此电子器件的小型化、芯片化水平是防空制导炮弹发展的制约。

（1）导引头

作为制导炮弹的“眼睛”，探测精度高、作用距离远的导引头，是提高制导炮弹的精度的关键。抗高过载方面，目前主要通过减振装置、灌封加固等手段解决[4]。防空制导炮弹用于拦截巡航导弹、制导炸弹、作战飞机、无人机等空中目标，目标尺寸小，机动性高，自身飞行速度和机动性也高，对导引头精度有很高要求，在小型化要求下，难度十分巨大。

（2）舵机

如果说导引头的能力决定了制导炮弹能不能看见目标，那么作为执行机构，舵机的能力则决定了制导炮弹能不能飞到目标身旁。随着电动舵机技术的发展，舵机在小型化方面已经有了巨大的进步。但面对高发射过载的制导炮弹，以运动机构为主的舵机则面临重重掣肘。采取单通道控制可以便于舵机抗高过载设计，但控制效率则会大打折扣，同时还会带来导引头极化等问题。

（3）惯性传感器组件

惯性传感器组件是制导炮弹上的自定位工具，其精度决定了制导炮弹对自身位置的认知。随着MEMS器件的发展，惯组已经可以做到芯片化，但高过载姿态测量中MEMS陀螺的失效模式还处于研究中[5]。对地攻击制导炮弹通常采用不带电发射、发射时通过过载激活弹上电池、大过载消失后弹上设备再加电工作的模式。对于防空制导炮弹而言，整个拦截作战时间仅10s量级，弹上设备带电击发能更好保证炮弹发射后快速机动，但带电抗高过载工作对惯性器件有极大考验。

3.2 快速初始对准技术

远程制导炮弹通常采用地磁、卫星等进行初始对准[6]，对于防空作战而言，对准周期较长，对准精度不足。因此，防空制导炮弹发射后快速初始对准技术，也是防空制导炮弹发展的关键。

3.3 弹炮匹配技术

制导炮弹的舵翼面通常需要折叠自锁，在发射过载下解锁，出炮口后张开。次口径弹还需要由弹托进行发射适配，出炮口后快速分离。发射时膛内流场和炮口后效期中间弹道流场非常复杂，还有未燃烧完全的火药以及产物颗粒影响，舵翼面顺利展开和弹托迅速分离需面临重重考验。美国的155mm神剑制导炮弹尾翼就有近百个零件[7]，对于中小口径防空制导炮弹，尾翼折叠面临更大的难度。

4 防空制导炮弹发展展望

制导炮弹发展50余年来，许多国家都发展了成熟大口径制导炮弹，并成功运用于舰炮、坦克炮、陆炮等多种平台，使传统的火炮焕发了新的活力。制导炮弹的运用，融合了火炮射速高、直瞄精度高、经济性好及导弹制导精度高的优势，提高了拦截综合效费比，对于火炮而言更增强了持续作战能力。制导炮弹技术的发展，很大程度上制约于器件技术的发展。随着弹上设备小型化抗高过载技术的发展进步，制导炮弹也拥有了运用于防空的可能性，未来将逐步实现，为中口径防空火炮注入生命力。

参考文献:

[1]苗昊春,杨栓虎等,. 智能化弹药[M]. 国防工业出版社.2014. 34-41.

[2]邱荣剑,张永录,. 国外舰炮制导弹药发展概况及趋势[J]. 飞航导弹,2011,(1).

[3]刘野,袁欣,张蕾,. 美国多方位防御-快速拦截弹交战系统发展情况分析[J]. 飞航导弹,2020,(3).

[4]史明东,屈军利,袁梦笛,何小晶,马太辉,陈余辉,. 导引头抗高过载技术及其研究进展[J]. 兵器装备工程学报,2019,(7).

[5]青泽,牟东,廉璞,李东杰,. 高过载姿态测量中MEMS陀螺失效模式与研究进展[J]. 压电与声光,2020,(3).

[6]李小燕,李杰,冯凯强,鲁正隆,晁正正,. 制导炮弹用INS/GPS组合导航系统空中对准方法[J]. 测试技术学报,2019,(4).

[7]赵保全,王绍慧,邹博安,. 美国神剑制导炮弹发展分析[J]. 飞航导弹,2020,(8).