高野軍
(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所, 北京 100076)
傳統(tǒng)的引信系統(tǒng)單指點(diǎn)火或起爆機(jī)構(gòu),而現(xiàn)代意義上的引信系統(tǒng)是指可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別,并利用探測(cè)到的信息對(duì)彈道進(jìn)行修正,控制導(dǎo)彈系統(tǒng)在最有利的時(shí)機(jī)和位置進(jìn)行引爆,以充分發(fā)揮導(dǎo)彈威力的控制系統(tǒng)或裝置。
引信系統(tǒng)的主要功能:保險(xiǎn)功能,即實(shí)現(xiàn)起爆通道的能量傳遞阻隔,以確保導(dǎo)彈系統(tǒng)在裝配、貯存、運(yùn)輸、發(fā)射和飛行過(guò)程中不會(huì)被誤引爆;環(huán)境信息識(shí)別功能,即通過(guò)接收到的環(huán)境信息判斷識(shí)別所處的狀態(tài);解除保險(xiǎn)功能,即當(dāng)導(dǎo)彈系統(tǒng)進(jìn)入特定的飛行階段時(shí),解除起爆通道的能量阻隔,使導(dǎo)彈系統(tǒng)處于待爆狀態(tài);爆轟輸出起爆功能,即當(dāng)系統(tǒng)接收到起爆控制指令時(shí),能夠可靠引爆導(dǎo)彈系統(tǒng)。
引信系統(tǒng)主要由目標(biāo)探測(cè)器、信號(hào)處理裝置、安全起爆裝置組成。目標(biāo)探測(cè)器是引信系統(tǒng)中獲取環(huán)境信息的裝置;信號(hào)處理裝置是對(duì)目標(biāo)探測(cè)器送進(jìn)來(lái)的環(huán)境信息按既定目標(biāo)和步驟進(jìn)行處理,以完成真假信號(hào)識(shí)別;安全起爆裝置向?qū)椣到y(tǒng)主裝藥輸送引爆信號(hào)。
20世紀(jì)80年代以前,引信系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的特征信息無(wú)法進(jìn)行處理,不具有識(shí)別目標(biāo)的能力。其主要作用在于保證導(dǎo)彈運(yùn)輸、貯存等過(guò)程的安全性,防止誤爆。該階段的引信按照作用方式不同可分為觸發(fā)引信、非觸發(fā)引信(亦稱(chēng)為近炸引信)和時(shí)間引信三種基本類(lèi)型。
觸發(fā)引信是指利用與目標(biāo)接觸的信息而作用的引信,分為電觸發(fā)和機(jī)械觸發(fā)引信。
(1) 電觸發(fā)引信
電觸發(fā)引信主要特點(diǎn)是采用了彈丸頭部?jī)?nèi)外錐形罩式碰合開(kāi)關(guān),提高了引信大著角碰擊目標(biāo)時(shí)的作用可靠性。最具有代表性的是美國(guó)的M763試反坦克破甲彈引信。
(2) 機(jī)械觸發(fā)引信
機(jī)械觸發(fā)引信比較簡(jiǎn)單,但存在很多缺點(diǎn)。美國(guó)陸軍系統(tǒng)使用的M739和M739A1為此種引信,目前已被多選擇引信取代。多選擇引信中最具代表性的是XM773引信(主要功能指標(biāo)見(jiàn)表1)和M734引信。
表1 XM773引信主要功能指標(biāo)
非觸發(fā)引信是指利用引信周?chē)奈锢韴?chǎng)來(lái)感覺(jué)目標(biāo)信息而作用的引信,分為無(wú)線(xiàn)電和非無(wú)線(xiàn)電引信。
(1) 無(wú)線(xiàn)電引信
無(wú)線(xiàn)電引信包括連續(xù)波多普勒無(wú)線(xiàn)電引信、調(diào)頻無(wú)線(xiàn)電引信和脈沖多普勒無(wú)線(xiàn)電引信。
連續(xù)波多普勒無(wú)線(xiàn)電引信的特點(diǎn)是定位精度不高,但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,被廣泛應(yīng)用于炮彈、航空炸彈和火箭彈。如美國(guó)陸軍裝備的第三代無(wú)線(xiàn)電近炸引信M732;調(diào)頻無(wú)線(xiàn)電引信特點(diǎn)是定位精度較高,抗干擾性能好,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,造價(jià)高,一般多用于空空導(dǎo)彈和地空導(dǎo)彈;脈沖多普勒無(wú)線(xiàn)電引信,抗干擾性能好,目前多配合與航空炸彈使用。最具有代表性的是阿爾法M787近炸觸發(fā)引信。
根據(jù)不同的作戰(zhàn)需求,采用無(wú)線(xiàn)電引信的導(dǎo)彈還有美國(guó)“霍克”導(dǎo)彈、“不死鳥(niǎo)”導(dǎo)彈和PAC-1導(dǎo)彈、法國(guó)“海響尾蛇”導(dǎo)彈(主要功能指標(biāo)見(jiàn)表2)、意大利“阿斯派德”導(dǎo)彈、俄羅斯S-300PMU1系統(tǒng)和48N6E導(dǎo)彈、S-300 V系統(tǒng)9M82導(dǎo)彈、道爾M1系統(tǒng)9M330導(dǎo)彈。
表2 “海響尾蛇”導(dǎo)彈引信主要功能指標(biāo)
(2) 非無(wú)線(xiàn)電引信
非無(wú)線(xiàn)電引信有激光引信、紅外引信、電容引信。
激光引信是60年代后期開(kāi)始發(fā)展的一種新型引信,激光引信在各類(lèi)精確制導(dǎo)導(dǎo)彈,特別是地空導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈上的應(yīng)用極大地提高了導(dǎo)彈系統(tǒng)的精確命中率,增強(qiáng)了系統(tǒng)的毀傷效果,已被美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、以色列、巴西和南非等國(guó)在第四代空空導(dǎo)彈和反坦克導(dǎo)彈主要型號(hào)上廣泛使用。如在美國(guó)AIM-4H獵鷹、AIM-9L響尾蛇空空導(dǎo)彈、小榭樹(shù)地空導(dǎo)彈、瑞士瑞典共同研制的RBS-70地空導(dǎo)彈上均使用了激光引信;英國(guó)索恩伊美電子公司為英國(guó)輕型反裝甲武器NLAW1和NLAW4研制了激光引信,并成功地實(shí)現(xiàn)了飛行試驗(yàn);美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出一種安全性能較好地新型安全起爆系統(tǒng),該起爆系統(tǒng)由激光器、石英光纖和金屬片等構(gòu)成。
電容引信開(kāi)始于60~70年代,它作用可靠,抗干擾能力強(qiáng),炸高穩(wěn)定,定距精度高,但作用距離較短。目前,從事電容研究的國(guó)家在英國(guó)、美國(guó)、瑞典和日本等。該引信多應(yīng)用于空心裝藥炮甲彈戰(zhàn)斗部和航空炸彈上。
紅外引信是利用紅外光探測(cè)目標(biāo)的光引信。采用紅外引信的導(dǎo)彈有法國(guó)“響尾蛇”R440導(dǎo)彈(引信主要功能指標(biāo)見(jiàn)表3)、英國(guó)PK4空空導(dǎo)彈和美國(guó)AIM-9P空空導(dǎo)彈等。目前,紅外引信多與其它引信結(jié)合使用,近來(lái)發(fā)展的紅外-無(wú)線(xiàn)電復(fù)合引信、紅外-磁-振動(dòng)復(fù)合引信、紅外-毫米波復(fù)合引信和聲/紅外復(fù)合引信等。其中,聲/紅外復(fù)合引信已用于多種靈活彈藥,如BAT智能子彈藥,還被應(yīng)用于反直升機(jī)地雷和反坦克地雷。此外,美國(guó)紅外成像引信技術(shù)已從理論逐步走向?qū)嵤?,并結(jié)合可編程集成彈藥裝置,將紅外成像引信技術(shù)率先在中程空空導(dǎo)彈上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。紅外成像引信技術(shù)憑借其諸多優(yōu)勢(shì),將成為引信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和重要發(fā)展方向。
表3 “響尾蛇”R440導(dǎo)彈引信主要功能指標(biāo)
時(shí)間引信是指發(fā)射、投擲或布置后按照裝定時(shí)間而作用的引信,可以分為藥盤(pán)時(shí)間引信、鐘表時(shí)間引信和電子時(shí)間引信。
電子時(shí)間引信具有很多優(yōu)勢(shì),如美國(guó)的M762引信精度較高,可達(dá)0.1 s;引信的正常作用率可達(dá)96%;環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),適用于各種地形和基本的冷熱氣候條件,可以承受電磁效應(yīng)和電磁干擾的影響;可靠性高,操作簡(jiǎn)單且成本低,因此該引信逐漸取代了前兩種時(shí)間引信。目前,電子時(shí)間引信已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)彈藥。如火箭彈用M455、M447,地地導(dǎo)彈用M811時(shí)間引信,以色列的迫彈用M7600和美國(guó)的迫彈用XM778。
80年代以后,計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和數(shù)字化信息技術(shù)的飛速發(fā)展使新型智能引信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。它們不僅可以接收目標(biāo)和環(huán)境信息,還可以對(duì)探測(cè)到的信息進(jìn)行處理,自行確定作用方式。
(1) GPS引信
80年代后期,美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研制帶有GPS轉(zhuǎn)換器和GPS發(fā)射機(jī)的引信,并將相關(guān)GPS引信技術(shù)的研究歸入了美國(guó)陸軍低成本有能力彈藥(LCCM)技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃。后期,英國(guó)陸軍與美國(guó)陸軍人體工程實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)展了一項(xiàng)為期3年的GPS接收機(jī)引信研究項(xiàng)目,相關(guān)研究表明該種引信只需要一半的彈藥量就能取得同樣的殺傷效果。
但80年代末出現(xiàn)的許多智能化引信產(chǎn)品只能稱(chēng)之為半智能化產(chǎn)品,如瑞士的厄利空-比爾勒公司研制的用于35 mm-MSD054式發(fā)煙彈的KZD366式電子觸發(fā)/近炸引信,英國(guó)的L116式電子程控多選擇引信等都沒(méi)有真正的信息接收系統(tǒng),沒(méi)有處理目標(biāo)信息的能力。
(2) 智能侵徹引信
90年代中期以后,數(shù)字化技術(shù)和快速編程概念的引入,使引信朝著智能化方向邁進(jìn)了一大步。首先出現(xiàn)的是聯(lián)合可編程引信(JPF),它具有應(yīng)目標(biāo)侵徹能力,可以選擇在地面以上爆炸或者對(duì)地面進(jìn)行穿透.并且在穿透選擇時(shí),還可設(shè)定爆炸延時(shí)量,設(shè)定范圍在幾毫秒到24 h之間。代表產(chǎn)品有瑞典博福斯的40 mm 3P彈藥引信。后來(lái),在可編程引信基礎(chǔ)上發(fā)展了硬目標(biāo)靈巧引信(HTSF)。該種引信是一種多平臺(tái)硬目標(biāo)智能侵徹引信。該種引信利用精確加速度計(jì)和微型控制器來(lái)探測(cè)多個(gè)空洞和分層,它可被設(shè)定在目標(biāo)設(shè)施的一個(gè)精確層次上引爆。該引信已被決定用于戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斧導(dǎo)彈、GBU-28饑荒指導(dǎo)炸彈(LGB)等的貫穿頭改型中。多事件硬目標(biāo)引信(MEHTF)是HTSF的后繼引信,繼承了HTSF的空穴計(jì)算能力但長(zhǎng)度縮小了1/3,只有50 mm,而且可以用于攻擊硬目標(biāo)和深埋地下的彈藥目標(biāo)[1]。目前,MEHTF引信已被應(yīng)用于美國(guó)空軍的聯(lián)合空對(duì)地防區(qū)外導(dǎo)彈(JASSM),聯(lián)合直接攻擊彈藥和靈巧炸彈。
90年代末,引信的智能化程度較高,典型產(chǎn)品有瑞士厄利空-康特拉夫斯公司防務(wù)公司研制的分別配用于40 mm×53 mm榴彈的40 mm-ABM式引信,配用于30 mm×173榴彈的30 mm-ABM式引信和配用于35 mm×228 mm榴彈的35 mm-ABM式引信,這三種引信均是高精度近炸引信,且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高。
(3) 直列式安全引信
直列式安全引信系統(tǒng)就是在沖擊片雷管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。沖擊片雷管是美國(guó)勞倫斯利沃莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1976年在美國(guó)戰(zhàn)備協(xié)會(huì)彈藥基數(shù)部引信分部會(huì)上首次公布的一種新型雷管。該種雷管的安全性類(lèi)似于猛炸藥,沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的底感、底阻、高能起爆電路無(wú)法將其起爆,只能利用高能電脈沖(典型參數(shù)峰值電流2 kA~4 kA,電壓2 kV~3 kV,功率4 MW~20 MW)引起金屬箔爆炸,這時(shí)雷管和戰(zhàn)斗部裝藥之間無(wú)需任何機(jī)械隔離機(jī)構(gòu),稱(chēng)之為直列式傳爆序列。這種情況下,安全系統(tǒng)可全部使用電子器件組成安全與解除保險(xiǎn)系統(tǒng)即ESA[2]。
該引信系統(tǒng)相對(duì)于機(jī)械式具有很多優(yōu)點(diǎn),如安全失效率低,可達(dá)10-6以下;作用迅速、起爆時(shí)間小于1 μs、起爆能量高、體積小便于安裝等。這種集多種技術(shù)于一身,可以有效識(shí)別檢測(cè)飛行環(huán)境和目標(biāo)信息,并按預(yù)定控制方法解除保險(xiǎn),最終有效完成引爆任務(wù),已經(jīng)成為引信系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。
國(guó)外在直列式引信系統(tǒng)上的發(fā)展大概經(jīng)歷了幾個(gè)階段。70年代末,美國(guó)埃格林(Eglin)空軍基地開(kāi)始研究如何降低沖擊片雷管的發(fā)火能量和減少整個(gè)ESA的體積。80年代初期,美國(guó)陸軍哈里戴蒙德實(shí)驗(yàn)室(HDL)、能源部桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)、英國(guó)皇家軍備研究和發(fā)展局以及德國(guó)迪爾公司(Diehl)等對(duì)ESA原理和器件,以及ESA在各武器系統(tǒng)中的應(yīng)用探討研究。90年代,國(guó)外已經(jīng)完全掌握了ESA的關(guān)鍵技術(shù),有資料顯示該技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海、陸、空等各種導(dǎo)彈系統(tǒng)中,如陶氏導(dǎo)彈、海爾發(fā)導(dǎo)彈和愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈都應(yīng)用了ESA技術(shù);且美國(guó)哈利蒙戴德實(shí)驗(yàn)室(HDL)已經(jīng)在安全控制電路的技術(shù)途徑方面引入了專(zhuān)用集成電路(ASIC)。
隨著導(dǎo)彈作戰(zhàn)范圍和目標(biāo)范圍的不斷擴(kuò)大,導(dǎo)彈與目標(biāo)的交會(huì)條件變得越來(lái)越復(fù)雜,為適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需要,急需提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,這同時(shí)也對(duì)引信技術(shù)提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
核爆效應(yīng)對(duì)電子器件會(huì)造成嚴(yán)重毀傷,因此,提高引信系統(tǒng)抗核輻射能力是必須解決的首要問(wèn)題。美國(guó)與前蘇聯(lián)從60年代起就積極深入研究核爆效應(yīng)對(duì)電子器件毀傷破壞機(jī)理,并探索加固措施。80年代初,美國(guó)對(duì)“和平衛(wèi)士洲際導(dǎo)彈”和“三叉戟”潛射導(dǎo)彈的各種電子設(shè)備大量使用抗核輻射加固部件,導(dǎo)彈系統(tǒng)抗核加固指標(biāo)達(dá)到了相當(dāng)水平。采取的措施主要有:一是改進(jìn)電路設(shè)計(jì),運(yùn)用加固設(shè)計(jì)技術(shù),增強(qiáng)抗輻射能力;二是采用回避技術(shù),使易損件在遭受襲擊時(shí),暫停工作;三是研制抗輻射能力強(qiáng)的半導(dǎo)體器件;四是從導(dǎo)體工作機(jī)理上進(jìn)行改進(jìn),從根本上消除核輻射危害;五是利用光子器件和光纖技術(shù)進(jìn)行抗核輻射加固。
引信系統(tǒng)對(duì)整個(gè)導(dǎo)彈系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能起著至關(guān)重要的作用,其可靠性指標(biāo)極其重要:一是設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的可靠性管理機(jī)構(gòu),在組織上和技術(shù)上提供保證和支持;二是在設(shè)計(jì)上進(jìn)行高可靠設(shè)計(jì),采用冗余技術(shù),復(fù)式結(jié)構(gòu)技術(shù)、降額、抗干擾等措施提高可靠性;三是嚴(yán)格控制元器件的生產(chǎn)質(zhì)量;四是嚴(yán)格控制生產(chǎn)質(zhì)量,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行嚴(yán)格的工藝考核和環(huán)境條件考核,確保產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。
引爆精度是引信系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo),隨著目標(biāo)防護(hù)能力的越來(lái)越強(qiáng),提高引爆精度以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確有效攻擊已經(jīng)成為引信技術(shù)發(fā)展的重要課題。有研究表明,毀傷概率既決定于導(dǎo)彈的落點(diǎn)精度,也取決于彈頭引爆高度控制的精度,即CEP作為導(dǎo)彈精度的主要指標(biāo)與引爆高度的控制是密切相關(guān)的[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、固體微波技術(shù)、集成電路技術(shù)等的發(fā)展,引信測(cè)高技術(shù)日趨成熟。目前,針對(duì)雷達(dá)引信在工作高度和突防能力方面的局限性,以及慣性引信單獨(dú)使用時(shí)測(cè)高誤差大等問(wèn)題,將力學(xué)、電子學(xué)、制導(dǎo)技術(shù)與引信技術(shù)融為一體開(kāi)發(fā)的智能型測(cè)高技術(shù),引信測(cè)高精度可達(dá)10 m以?xún)?nèi),這也將成為未來(lái)提高系統(tǒng)測(cè)高精度,進(jìn)而提高系統(tǒng)引爆精度的重要發(fā)展方向。
引信系統(tǒng)的模塊化主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和功能的組合性、通用性和系統(tǒng)的高度集成性上。目前,具有代表性的模塊化程度較高的系統(tǒng)有“風(fēng)暴影子”導(dǎo)彈和美國(guó)的聯(lián)合防區(qū)外導(dǎo)彈(JSOW)引信。導(dǎo)彈引信的小型化大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段。50年代至60年代內(nèi)前期,可稱(chēng)之為“電子管階段”;60年代后期至70年代,固體微波技術(shù)迅速發(fā)展,整個(gè)引信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了晶體管化和集成電路化,這一階段可稱(chēng)之為“晶體管-集成電路”階段;70年代初,由于集成電路和固體微波器在引控系統(tǒng)中大量使用,使得引信系統(tǒng)的體積大大減小,重量減輕1 kg~2 kg,如美國(guó)的“海神”和“三叉戟”等;80年代至今,美國(guó)正在研究將微機(jī)電技術(shù)應(yīng)用在引信系統(tǒng)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上,但還沒(méi)有成功應(yīng)用的實(shí)例。隨著微電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及新材料等技術(shù)的不斷發(fā)展,可以預(yù)料以后的導(dǎo)彈引信系統(tǒng)將向著小型化、微型化方向發(fā)展。
隨著計(jì)算機(jī)智能技術(shù),精確制導(dǎo)技術(shù)以及衛(wèi)星定位技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,引信技術(shù)開(kāi)始向著引制一體化和智能化方向發(fā)展。將引信作為導(dǎo)彈系統(tǒng)信息鏈的一部分,統(tǒng)一協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),開(kāi)展制導(dǎo)引信一體化技術(shù)研究,綜合利用制導(dǎo)引信提供的彈目交會(huì)信息,實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)起爆控制,有效提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能[4];同時(shí),導(dǎo)彈引信系統(tǒng)還可以借助衛(wèi)星定位技術(shù)、制導(dǎo)技術(shù)等根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況變化適時(shí)重新選擇摧毀目標(biāo),而且可以借助智能技術(shù)定位目標(biāo)易損部位,從而進(jìn)行定向引爆,最終提高導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能;此外,利用多傳感器信息融合技術(shù)對(duì)引信信息的特征進(jìn)行提取、關(guān)聯(lián)和融合,采用模糊技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)引信目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分類(lèi)和跟蹤,從而可以自動(dòng)判別敵我,判別要攻擊目標(biāo)的真假,自動(dòng)抗干擾等[5]。
隨著高新技術(shù)的飛速發(fā)展,未來(lái)的作戰(zhàn)環(huán)境將更加復(fù)雜化,作戰(zhàn)模式和載體將趨于多樣化,將面臨多種類(lèi)、多層次、全高度、廣空域等目標(biāo),這些特點(diǎn)為未來(lái)引信技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。需要通過(guò)采用高強(qiáng)度材料和元件、加固技術(shù)、高過(guò)載試驗(yàn)等方法,加快現(xiàn)代引信技術(shù)朝著高過(guò)載、模塊化、小型化、智能化和高可靠方向發(fā)展。而引信技術(shù)從數(shù)字化、信息化向智能化推進(jìn)必然面臨著許多問(wèn)題,如學(xué)習(xí)樣本的確定,智能引信的可靠性與容錯(cuò)性矛盾的解決,智能引信算法與實(shí)時(shí)性的要求等問(wèn)題。因此,必須高度關(guān)注新概念引信的研究發(fā)展,以期盡快解決可能出現(xiàn)的技術(shù)難題。