王寶成，袁寶慧

(1.海軍駐西安導彈設備軍事代表室，西安 710065;2.西安近代化學研究所，西安 710065)

早期的破片戰(zhàn)斗部受導彈制導精度、引信技術以及戰(zhàn)斗部自身技術的制約，多為大飛散角戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部裝藥爆轟后，破片飛散角較大，在威力半徑處破片穿孔分布寬度較寬，破片密度較小，在目標上形成若干個間隙較大的獨立穿孔，對目標的結構毀傷效應有限［1-3］;且戰(zhàn)斗部破片以相同速度沿圓周360°均勻飛散，而目標僅處于很小的一個錐角范圍內，因此裝藥能量和破片利用率較低。

隨著制導和引戰(zhàn)水平的日益發(fā)展，出現了聚焦破片戰(zhàn)斗部技術，通過起爆波形和聚焦曲線設計，使破片在威力半徑處聚集在非常窄的聚焦帶內，在目標上形成一個破片密度非常高的密集穿孔帶，對目標可產生“帶切割式”結構毀傷［4-6］。為了進一步提高破片戰(zhàn)斗部對目標的切割式結構毀傷效應，本文提出了一種動態(tài)線列式破片戰(zhàn)斗部技術，通過對所有破片飛散方向的有效控制，使破片在威力半徑處呈線列式分布，實現對目標的“線切割式”高效結構毀傷;同時提出定向破片戰(zhàn)斗部技術，通過采用定向邏輯網絡控制起爆，使更多的破片以更高的速度打擊目標，提高戰(zhàn)斗部毀傷威力;近年來，隨著材料技術的快速發(fā)展，一類能夠在穿靶后發(fā)生類似“爆炸”快速反應的活性材料不斷涌現，推動了戰(zhàn)斗部破片向含能化方向發(fā)展。

本文通過對防空反導破片殺傷戰(zhàn)斗部發(fā)展歷史的回顧、技術的現狀和未來發(fā)展趨勢的總結和分析，得出其高能量利用率、高密度和破片含能化的發(fā)展趨勢，可為今后防空反導破片殺傷戰(zhàn)斗部技術研究和型號研制提供參考。

1 裝藥能量利用率不斷提高，定向技術蓬勃發(fā)展

最早開展的定向破片技術研究可追溯到德國V2火箭采用的“車頭燈”式破片定向拋射戰(zhàn)斗部［7］。自20世紀60年代起，隨著制導和引戰(zhàn)技術的發(fā)展，定向戰(zhàn)斗部技術研究和型號研制開始蓬勃發(fā)展。目前，國外軍事強國已研制并裝備了多個定向戰(zhàn)斗部型號產品，典型代表為:美國愛國者PAC-3最新改進型導彈戰(zhàn)斗部、美國先進中距離空空導彈AIM-120戰(zhàn)斗部、俄羅斯S-300V和S-400V防空導彈戰(zhàn)斗部、以色列“怪蛇”防空導彈戰(zhàn)斗部等。

根據國內外研究狀況和專利報道［8-15］，定向戰(zhàn)斗部主要有以下幾種:波形控制定向戰(zhàn)斗部、爆炸變形定向戰(zhàn)斗部、可控旋轉定向戰(zhàn)斗部和破片內置定向戰(zhàn)斗部。波形控制定向戰(zhàn)斗部利用爆炸邏輯網絡實現偏心起爆，使更多破片以更高速度飛向目標區(qū)域;可變形定向戰(zhàn)斗部通過輔助裝藥(亦稱變形裝藥)爆炸使殼體和主裝藥發(fā)生變形，使目標方向上的破片密度和初速顯著提高;可控旋轉定向戰(zhàn)斗部僅在戰(zhàn)斗部一定扇形區(qū)域內排布破片，由機械裝置控制將破片區(qū)域轉向目標，提高破片和炸藥能量利用率;破片內置定向戰(zhàn)斗部將破片放在中心而將裝藥放外圍，其優(yōu)點是破片利用率高，但帶來的缺點是破片初速將大大降低。

波形控制定向戰(zhàn)斗部由于易于實現，是目前研究最為活躍的定向戰(zhàn)斗部，是近期防空反導戰(zhàn)斗部發(fā)展的主方向。A.Resnyansky等［16］用數值模擬方法研究了偏心多線起爆條件下破片戰(zhàn)斗部的破片速度和密度分布，并嘗試用起爆方式的改變來提高戰(zhàn)斗部殺傷效率，通過數值模擬研究，得出平面波起爆可使破片戰(zhàn)斗部殺傷效率最高，文中作者還用實驗對數值模擬研究得出的結論進行了驗證;D.R.Kennedy［17］認為，采用偏心起爆方式可使破片戰(zhàn)斗部速度增益1.32倍，破片密度增益1.4倍，破片打擊動能增益1.74倍;武偉明等［18］用理論分析和實驗方法研究了偏心單點起爆定向戰(zhàn)斗部的破片密度增益情況，表明增益方向破片密度最大可達相反方向破片密度的2.9倍;王樹山等［19］用實驗方法研究了偏心多點起爆戰(zhàn)斗部破片飛散規(guī)律，得到起爆點方向的破片初速和密度最低，定向方向破片初速和密度均達到最大值，大約為平均初速和密度的110%左右;王曉英等［20］利用有限元程序對偏心多點起爆戰(zhàn)斗部破片飛散規(guī)律進行了三維數值模擬研究，發(fā)現定向方向的破片能量增益約為124.3%;此外，王凱民等［21］給出了爆炸網絡設計技術、宋柳麗［22］分析了不同的偏心起爆方式對破片速度增益的影響。

爆炸變形戰(zhàn)斗部采用二次爆炸方式，首先起爆輔助裝藥，使殼體和主裝藥發(fā)生可控結構變形，然后起爆主裝藥，起爆變形后的具有合適形狀的戰(zhàn)斗部，驅動破片高速密集地飛向指定目標。譚多望等［23］用實驗方法研究了爆炸變形戰(zhàn)斗部的破片密度和初速分布，并對輔助裝藥爆炸驅動殼體和主裝藥的變形過程也進行了研究，研究結果表明變形方向上不僅破片密度顯著提高，而且破片初速也有一定程度的提高;范中波等［24］用數值模擬方法研究了爆炸變形戰(zhàn)斗部破片密度和初速分布，發(fā)現在目標瞄準方向周向±20°范圍內的破片密度及平均初速達到對應各向同性戰(zhàn)斗部的2.3倍和1.41倍，±10°范圍內更可高達6倍和1.45倍;陳放等［25］的研究表明周向15°范圍內破片數量增益可達5.4倍;此外，楊亞東［26］及龔柏林等［27］用LS-DYNA對爆炸變形定向戰(zhàn)斗部進行了數值仿真研究。

葉本治等［28］利用實驗方法研究了空腔會聚增壓定向拋撒全預制破片戰(zhàn)斗部，破片集中布局在戰(zhàn)斗部的某一方位，裝藥爆轟后匯聚并驅動全預制破片沿90°定向范圍高速集束飛向目標;王誠洪等［29］利用理論和工程計算方法研究了鋼預制破片殼體在帶凹槽柱形裝藥驅動下的定向飛散特性，得到了使破片飛行路徑為平行型的預制破片殼體臨界半徑以及破片初速。

2 高破片密度和窄分布寬度，聚焦技術不斷創(chuàng)新

2.1 大飛散角破片戰(zhàn)斗部

由于早期防空導彈制導精度和引戰(zhàn)配合水平的限制，為了提高破片命中和打擊目標概率，防空導彈大量采用大飛散角破片戰(zhàn)斗部，主要發(fā)展圓筒形和腰鼓形戰(zhàn)斗部。

圓筒形破片戰(zhàn)斗部飛散角一般為12°左右［30］。蘇聯K-5空空導彈采用了外形為平截錐體的半預制破片殺傷戰(zhàn)斗部，半預制方式為殼體內外刻槽，破片飛散角為(12±1)°;蘇聯SA-1地空導彈采用了圓筒形半預制破片殺傷戰(zhàn)斗部，破片預制方式為在金屬殼體外刻菱形溝槽，破片飛散角為(10～11)°;美國響尾蛇1A型空空導彈戰(zhàn)斗部同樣采用了半預制破片殺傷戰(zhàn)斗部，其殼體內壁緊貼具有1302個凹槽的塑料襯套，利用裝藥聚能效應使金屬殼體形成對應數量的殺傷破片毀傷目標，戰(zhàn)斗部飛散角為(10～16)°。

為進一步提高防空導彈戰(zhàn)斗部破片的打擊命中概率，彌補制導精度和引戰(zhàn)配合的不足，各國還研制了多型腰鼓形大飛散角破片戰(zhàn)斗部。法國馬特拉R530導彈T-110破片戰(zhàn)斗部為腰鼓形大飛散角戰(zhàn)斗部，其結構為軸向由52個扁平環(huán)體焊接而成，周向采用內襯塑料襯套利用裝藥聚能效應形成破片，其破片飛散角約為25°;蘇聯20π地空導彈殺傷戰(zhàn)斗部破片采用內外幾何刻槽半預制成形，殼體為腰鼓形，90%破片飛散角為 20°，100%破片飛散角為(36 ～38)°［31］。

由于大飛散角戰(zhàn)斗部破片分布寬度寬，面分布密度較低，破片穿孔在目標上比較分散，相鄰破片間隙較大，對目標的毀傷效應主要體現為多個獨立破片穿孔毀傷;而且由于端面稀疏波對圓筒形和腰鼓形裝藥的影響較大，大飛散角戰(zhàn)斗部破片軸向速度差較為顯著，這在靜爆試驗驗證時不會體現在靶板上，但在彈目動態(tài)交匯條件下，破片穿孔分布由于速度梯度而發(fā)生變化，趨勢是分布寬度變寬，速度較低的破片甚至脫靶。

因此，大飛散角破片戰(zhàn)斗部對速度相對較低的飛機類目標可實現有效毀傷，但由于現代戰(zhàn)場導彈類空中目標的不斷涌現和飛機類目標速度和防護強度的不斷提升，對殺傷戰(zhàn)斗部的要求已逐漸由防空向反導兼顧防空方向轉變，大飛散角破片戰(zhàn)斗部已不能適應這種軍事需求，因此世界各軍事強國在制導和引戰(zhàn)技術水平發(fā)展的基礎上，紛紛開始發(fā)展定向戰(zhàn)斗部，聚焦破片戰(zhàn)斗部就是在軸向定向破片的一種定向戰(zhàn)斗部。

2.2 聚焦破片戰(zhàn)斗部

聚焦破片戰(zhàn)斗部主要特點是預制破片組合體外形為聚焦特征曲線，其作用是使破片穿孔在威力半徑處聚集在非常窄的聚焦帶內。聚焦帶內破片密度大幅度提高，宏觀上破片穿孔可在目標上形成一個密集的穿孔、撕裂和應力集中“切割帶”，能夠對導彈類目標實施“帶切割式”結構毀傷，使導彈類目標產生彎曲甚至斷裂解體的致命毀傷。

此外，由于聚焦破片戰(zhàn)斗部裝藥采用了凹面聚焦特征曲線設計，因此在很大程度上消除了端面稀疏波的影響，使軸向破片速度趨于一致，其彈目動態(tài)交匯條件下基本能夠保持靜爆條件下的破片穿孔分布。典型的聚焦破片戰(zhàn)斗部為法國的地空導彈R-440戰(zhàn)斗部，其預制破片組合體軸向由39個扁平圓環(huán)堆積、車制曲線并焊接而成，周向采用內襯硅橡膠襯套使炸藥產生聚焦效應形成破片。在威力半徑處戰(zhàn)斗部絕大部分破片聚集在0.3m的聚焦帶內，聚焦帶內破片分布密度高達80枚/m2。

2.3 動態(tài)線列式破片戰(zhàn)斗部

雖然聚焦破片戰(zhàn)斗部極大提升了對導彈類目標的切割式結構毀傷效應，但其產生的切割仍然具備一定寬度，即聚焦帶寬，依然是一個“帶切割”。為了進一步提高破片戰(zhàn)斗部在實戰(zhàn)中對導彈類目標的切割式結構毀傷，提出了線列式破片戰(zhàn)斗部技術。其主要特點為在威力半徑處絕大部分破片穿孔呈線列式分布，帶來的優(yōu)點為可對導彈類目標實施“線切割式”結構毀傷，提高使目標斷裂解體的致命毀傷能力。

3 破片向含能化方向發(fā)展，活性破片戰(zhàn)斗部孕育而生

在近程防空反導區(qū)域，由于來襲導彈已接近己方受打擊目標，對防空反導戰(zhàn)斗部有直接“擊爆”目標彈藥的迫切需求，以確保己方安全。隨著低易損性炸藥在武器彈藥中的使用，惰性破片由于受其毀傷模式局限，引爆來襲目標彈藥的能力整體偏弱。

伴隨著活性材料技術的發(fā)展，使活性破片在毀傷技術中的廣泛應用成為可能，給毀傷技術的發(fā)展提供了一個新的思路，是毀傷技術快速發(fā)展的技術推動因素?；钚云破且环N在撞擊和穿靶作用下能夠釋放材料所含化學能的殺傷破片，是一種新材料、新毀傷機理的含能破片?；钚云破煞磻詠喎€(wěn)態(tài)材料組成，當其碰撞和侵徹目標時，活性材料發(fā)生化學反應釋放出所含化學能，產生快速燃燒甚至爆炸作用，從而對目標產生顯著的燃燒甚至爆炸毀傷效應。活性破片的毀傷能量除動能外，還有數倍于其動能的活性材料化學能，對目標的毀傷是動能侵徹毀傷和內爆毀傷耦合作用下的高效復合毀傷。

活性材料通常有鋁熱劑、金屬間化合物、金屬/聚合物、亞穩(wěn)態(tài)分子間復合材料和金屬氫化物等。活性破片的毀傷機制主要有以下幾個方面及相互累積效應:活性破片穿孔時產生的化學反應，在目標內部產生高溫毀傷效應;爆炸產生的沖擊波或爆炸波在目標內部產生增強沖量毀傷;超壓;反應生成物對電子元件的短路破壞;活性材料與關鍵組件的反應。通過活性破片的應用，可革命性提升防空反導戰(zhàn)斗部的毀傷威力，突破惰性破片難以“引燃航空燃油、引爆屏蔽低易損炸藥”這一瓶頸。

美國高度重視活性材料的研究，美國國家科學研究委員會(National Research Council)將“活性材料”技術列入其《高級含能材料》(Advanced Energetic Materials)計劃中。美國面武器研究中心(NSWC)在海軍研究所(ONR)的主導和支持下設立了先進活性材料研究項目(Advanced Reactive Materials Program)，在活性破片制備工藝、活性破片撞擊誘發(fā)條件和機理、活性材料的能量釋放規(guī)律、活性破片綜合毀傷機理等方面均進行了深入的研究。在活性破片毀傷機理和毀傷評估方面，NSWC建立了直接撞擊、間接撞擊、兩步撞擊等實驗方法，以研究活性破片在不同的撞擊條件和撞擊速度下的反應情況，并建立了標準的排氣容器量熱法(vented chamber calorimetry，VCC)，以研究活性破片的反應條件、反應機理、能量釋放規(guī)律、毀傷機理以及毀傷威力評估。

美國積極開展活性破片戰(zhàn)斗部技術研究，參與該項目的單位主要有美國海軍部(DON)、海軍研究署(ONR)、海軍面武器中心 NSWC-Dahlgren、NSWC-IH Eglin Air force Base、ATK Thiokol Propulsion等。2000年，美國在其國防技術發(fā)展計劃中，正式將活性破片戰(zhàn)斗部技術列為國防重點創(chuàng)新技術進行研究;在國防技術目標(Defense Technology Objectives for DTAP)中專門設立了代號為WE-54的活性破片戰(zhàn)斗部先進技術演示項目(Reactive Material warhead ATD)。據文獻資料調研和分析，美國活性破片的潛在應用前景為導彈防御系統(tǒng)中的防空導彈殺傷戰(zhàn)斗部，進行“標準”-3型和“愛國者”-3型導彈戰(zhàn)斗部的活性破片應用，以提高導彈的毀傷威力。

2002年12月9日，ONR在“活性材料增強戰(zhàn)斗部”項目支持下研發(fā)了活性破片戰(zhàn)斗部。其活性破片材料是以塑性材料為基體混入一些粉末狀金屬材料制成的復合材料，活性破片撞擊目標時，金屬材料和塑性基體發(fā)生化學反應，釋放能量。根據資料報道，該戰(zhàn)斗部的威力是惰性破片戰(zhàn)斗部威力的5倍。

俄羅斯也十分重視活性材料技術的發(fā)展，俄羅斯科學院(Russian Academy of Science)和俄羅斯基礎研究基金會(Russian Foundation for Basic Research)專門下發(fā)了多個活性材料研究項目。謝苗諾夫化學物理研究所(Semenov Institute of Chemical Physics)和高能量密度物質研究所(Institute of High Energy Densities)在活性材料相關研究項目的支持下，開展了金屬和含氟聚合物，金屬、含氟聚合物和高能炸藥型等多種活性材料配方設計、制備工藝、毀傷機理和毀傷效應研究。

國內，多家研究機構對活性破片技術也進行了研究。楊華楠、廖雪松等［32］闡述了含能破片的毀傷原理、結構組成、國內外的發(fā)展情況，分析了制約含能破片工程化應用的關鍵技術，指出了含能破片的研究方向;劉智華［33］探討了配方組成與含能破片性能的之間的關系，通過優(yōu)化設計，確定了最終配方的組成，并采用自然固化的方式按照所設計的最終配方成功制備了燃燒式含能破片;何源、何勇等［34］用理論分析和LS-DYNA研究了不同靶板材料、不同頭部厚度的含能破片沖擊侵徹過程和釋能時間，得到了釋能時間與侵徹過程的關系;黃亨建、黃輝等［35］設計制備了一種Φ10mm×10mm的鋁/聚四氟乙烯含能破片，并且通過毀傷性試驗表明該破片除具有對目標的動能打擊外，還具有爆炸、沖擊超壓、高溫作用、縱火等復合毀傷打擊，驗證了其毀傷性明顯優(yōu)于同尺寸的鋼破片;王海福、劉宗偉［36］提出了一種動態(tài)測量活性破片能量輸出特性的方法，采用彈道發(fā)射的方式，實驗測量了3種不同配方活性破片的能量輸出特性，結果表明:當活性破片以約1500 m/s的速度與目標碰撞時，所釋放的化學能約為動能的5倍，大幅提高了毀傷目標的能力;葉小軍［37］設計了一種引燃式含能破片，并對含能破片撞擊、引燃帶殼炸藥的機理進行了理論分析與實驗驗證，研究了不同主裝藥材料、主裝藥直徑，起爆方式，緩沖襯材料、緩沖襯厚度，端蓋材料對破片的速度及壓力影響;葉小軍、李向東［38］研究了新型含能破片低速撞擊并引燃屏蔽炸藥的機理，結果表明:含能破片對屏蔽炸藥引燃的撞擊速度為631～925m/s，遠低于沖擊起爆的閾值速度1450 m/s;謝春雨［39］通過理論分析和數值模擬方法對含能破片爆炸加載過程的安定性進行了研究，得到了含能破片的臨界起爆能量判據，建立了含能破片沖擊反應的臨界起爆條件;李杰［40］以“戰(zhàn)斧”巡航導彈作為研究對象，開展了活性材料破片的設計工作，并通過數值仿真和沖擊起爆試驗，初步得到了臨界引爆目標靶的速度值以及含能材料的臨界起爆公式;李旭鋒［41］在對巡航導彈戰(zhàn)斗部艙段結構和材料特性進行詳細分析和研究的基礎上，確立了爆炸式含能破片的設計方案，通過數值計算和試驗得到了含能破片引爆戰(zhàn)斗部的一般規(guī)律。

4 結論

1)定向破片戰(zhàn)斗部技術通過對爆轟波形的合理控制，可顯著提高裝藥能量利用率，進而提高目標方位的破片密度、速度和打擊動能，最終提升戰(zhàn)斗部的毀傷威力;

2)通過設計巧妙的新結構，可大幅提高戰(zhàn)斗部破片密度和壓縮其分布寬度，理想分布為線列式分布，對目標實施“線切割式”結構毀傷效應;

3)采用反應性材料的活性破片戰(zhàn)斗部技術，可實現對密閉艙體類目標的“內爆”高效毀傷，并具備“引燃航空燃油和引爆屏蔽炸藥”的能力，是防空反導戰(zhàn)斗部發(fā)展的又一主要趨勢。

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