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炮射巡邏彈發(fā)展趨勢及研究方向
朱 勇 劉 莉
摘 要：針對(duì)采用各類陸軍火炮和海軍艦炮作為發(fā)射平臺(tái)的炮射巡邏彈,介紹了其發(fā)展歷史及發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)出在不斷應(yīng)用相關(guān)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上追求智能化、靈巧化、低成本已成為炮射巡邏彈的發(fā)展趨勢。另外,簡要介紹了炮射巡邏彈總體設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù),如抗高過載技術(shù)、機(jī)翼制造技術(shù)、彈道減速減旋技術(shù)、總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)、小型低推力長航時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、雙向遠(yuǎn)距離抗干擾數(shù)據(jù)鏈技術(shù)及目標(biāo)偵察及航跡規(guī)劃技術(shù)等,對(duì)上述問題的深入研究將有利于炮射巡邏彈的進(jìn)一步發(fā)展。
關(guān)鍵詞：炮射巡邏彈 關(guān)鍵技術(shù) 發(fā)展趨勢 綜述
引 言
巡邏彈是一種利用現(xiàn)有武器投放,能在目標(biāo)區(qū)進(jìn)行巡邏飛行,可承擔(dān)監(jiān)視、偵察、戰(zhàn)斗毀傷評(píng)估、空中無線中繼及攻擊目標(biāo)等單一或多項(xiàng)任務(wù)的彈藥(或子彈藥)。炮射巡邏彈就是兼容目前陸軍各類火炮和海軍艦炮系統(tǒng),采用炮射方式進(jìn)行發(fā)射的巡邏攻擊彈。
炮射巡邏彈是集合常規(guī)制導(dǎo)炮彈和無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的一種產(chǎn)物,具有許多優(yōu)越之處,與常規(guī)彈藥相比,它多出一個(gè)“巡邏彈道”,留空時(shí)間長、作用范圍大,可發(fā)現(xiàn)并攻擊隱蔽的時(shí)間敏感目標(biāo);與無人機(jī)相比,它能快速進(jìn)入作戰(zhàn)區(qū)域,突防能力強(qiáng),戰(zhàn)術(shù)使用靈活;與制導(dǎo)炮彈相比,它能根據(jù)戰(zhàn)場情況變化,自主或遙控改變飛行路線和任務(wù),對(duì)目標(biāo)形成較長時(shí)間的威脅,實(shí)施“有選擇”的精確打擊,并實(shí)現(xiàn)彈與彈之間的協(xié)同作戰(zhàn);與其它類型的巡邏彈相比,它的發(fā)射平臺(tái)簡單,可以和炮彈配合使用,由于利用火炮系統(tǒng)提供的高初速,能夠快速進(jìn)入作戰(zhàn)區(qū)域,有很強(qiáng)的時(shí)效性。
1 發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
美國是最早研制巡邏彈的國家,其研制的LOCAAS (LowCost Autonomous Attack System,低成本自主攻擊系統(tǒng))和網(wǎng)火系統(tǒng)中的LAM (Loiter AttackMissile,巡邏攻擊導(dǎo)彈)可以說是巡邏彈中的代表。美國也是最早將巡邏彈兼容到火炮和艦炮發(fā)射系統(tǒng)的國家,隨后世界上興起了炮射巡邏彈的研究熱潮。目前美國正在研究的炮射巡邏彈項(xiàng)目有: 127 mm艦炮發(fā)射的前沿空中支援彈藥(FASM)、155 mm榴彈炮發(fā)射的快看(Quicklook)偵察巡邏彈、155 mm榴彈炮或127 mm艦炮彈投放的炮射廣域偵察彈(WASP )和適合81 mm ~155 mm相應(yīng)火炮的多功能一次性炮射巡邏彈(GLUAV)。預(yù)計(jì)這類彈藥將在2010年左右投入使用。
FASM是美國海軍于1999財(cái)年開始研制的由127 mm艦炮發(fā)射的巡邏彈。當(dāng)年的炮射偵察彈藥防御計(jì)劃財(cái)政支持包括FASM與Quicklook兩個(gè)項(xiàng)目,至2002年結(jié)束。FASM直徑為127 mm,長度為2·8 m,質(zhì)量為73 kg。能夠?qū)?85 km遠(yuǎn)范圍內(nèi)的海岸和海域進(jìn)行監(jiān)視、偵察和戰(zhàn)場評(píng)估,巡飛時(shí)間約為3 h[1]。
Quicklook是美國陸軍于1999財(cái)年開始研制的一種由155mm自行或牽引榴彈炮發(fā)射的巡邏彈。它的直徑為155 mm,長度為99cm,質(zhì)量為36 kg~41 kg。當(dāng)炮彈發(fā)射飛至彈道最高點(diǎn)后下降至高度為1 000 m時(shí),速度為Ma=0·85,靠氣囊對(duì)其減旋,靠降落傘裝置將其減速到60 m/s;然后展開控制尾翼、充氣式彈翼和螺旋槳,啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),以80 m/s的速度飛至目標(biāo)上空,此段采用GPS定位和中段制導(dǎo),大約用10min;在到達(dá)目標(biāo)上空后(距離發(fā)射點(diǎn)50 km),以62 m/s的速度進(jìn)行巡飛,可以探測偵察39平方公里范圍內(nèi)的區(qū)域,巡飛時(shí)間為30 min左右[1]。
WASP是美國陸軍武器發(fā)展與研究中心(ARDEC)于2000年跟蹤研制的,由M483式155 mm彈藥攜帶投放的一種巡邏彈。長度為0·50 m,翼展為1·22 m,質(zhì)量為3·9 kg。這種子母彈可由陸基榴彈炮或艦炮發(fā)射,初始速度為762 m/s ~975 m/s。當(dāng)彈丸經(jīng)過了彈道最高點(diǎn)后,利用爆炸將外彈殼炸開,展開充氣氣球,將其減速至60 m/s。下降到一定高度時(shí),保護(hù)內(nèi)殼分離,飛行器拋出,展開一個(gè)使其減速到約14m/s的降落傘,隨后展開折疊彈翼和尾翼。啟動(dòng)由電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),可以維持它以約28 m/s的巡航速度飛行約30min,巡飛高度為1 220 m[2-3]。
GLUAV是美國航空環(huán)境公司與美國陸軍實(shí)驗(yàn)室和聯(lián)合防務(wù)公司(United Defense)聯(lián)手于2001年開始研制的一種炮射巡邏彈。它可以制造成直徑為81 mm~155 mm的巡邏彈,裝入相應(yīng)的炮彈中,主要用于偵察、目標(biāo)探測、目標(biāo)識(shí)別以及戰(zhàn)場毀傷評(píng)估(BDA)。它可以攜帶彩色電視攝像頭、熱成像儀、生物化學(xué)戰(zhàn)劑探測傳感器等,還能在飛行過程中對(duì)敵方雷達(dá)和通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾。在接收到前線偵察兵或偵察機(jī)的發(fā)射指令后,通過火炮將GLUAV發(fā)射出去,到達(dá)目標(biāo)上空后通過爆炸裝置引爆外彈殼,巡邏彈從母彈中釋放出來,并采用降落傘對(duì)其進(jìn)行減速后展開彈翼,以20m/s~60m/s的速度在戰(zhàn)場上空進(jìn)行巡飛偵察,巡飛時(shí)間為19min~57min[4-5]。
除美國外,俄羅斯、以色列、英國、德國、意大利、法國等發(fā)達(dá)國家也加入巡邏彈的發(fā)展行列,只是對(duì)于炮射巡邏彈,目前見到的有關(guān)型號(hào)的報(bào)道比較少。
2 發(fā)展趨勢
從炮射巡邏彈的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀可以看出,它是目前信息化戰(zhàn)爭的一種產(chǎn)物。只有當(dāng)軍隊(duì)對(duì)信息的要求到了空前重要的今天,巡邏彈才會(huì)出現(xiàn),而炮兵作為壓制性部隊(duì),為其研制相應(yīng)的巡邏彈是必不可少的。在制導(dǎo)炮彈、無人機(jī)、傳感器等技術(shù)逐步發(fā)展和完善的過程中,炮射巡邏彈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中也就初具生命力?？偟恼f來作為新型的防區(qū)外武器,炮射巡邏彈的發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為:在不斷應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上追求智能化、靈巧化和低成本化。
所謂智能化,指的是炮射巡邏彈自身能夠完成多重作戰(zhàn)任務(wù),既能對(duì)戰(zhàn)場目標(biāo)進(jìn)行偵察、監(jiān)視,還能完成戰(zhàn)場作戰(zhàn)毀傷評(píng)估。從炮射巡邏彈的研制現(xiàn)狀可以看出,炮射巡邏彈的功能主要還是偵察、監(jiān)視、評(píng)估任務(wù)。巡邏彈在使用結(jié)束后都采取自毀,為了提高其使用效能,未來發(fā)展必然要求其在完成偵察任務(wù)的同時(shí)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行選擇性打擊。巡邏彈之間的協(xié)同使用,巡邏彈與常規(guī)武器之間的匹配使用是炮射巡邏彈智能化研究的熱點(diǎn)關(guān)注課題。
所謂靈巧化,指的是炮射巡邏彈可以匹配各種火炮發(fā)射系統(tǒng)。炮射巡邏彈的研制是在不改動(dòng)目前已有的火炮發(fā)射平臺(tái)的基礎(chǔ)上開展的,從炮射巡邏彈的研究現(xiàn)狀可以看出,要求其兼容目前火炮系統(tǒng)的同時(shí),還希望它能夠滿足現(xiàn)有的多種火炮系統(tǒng),這樣可以大大降低炮射巡邏彈的使用成本和使用范圍,大大增加了炮兵武器使用的靈活性。例如美國現(xiàn)在投入很大財(cái)力研制的GLUAV就設(shè)計(jì)了很多種類,使其能夠匹配81 mm ~155 mm的各類火炮。
所謂低成本化,是指巡邏彈的出現(xiàn)在一定意義上是因?yàn)樗瑫r(shí)擁有了常規(guī)武器和偵察無人機(jī)的能力,降低了武器系統(tǒng)的研制和使用成本,但盡管如此,現(xiàn)在各國在研制炮射巡邏彈的過程中都尋求采用各種新型低成本材料。從現(xiàn)有報(bào)道資料能夠總結(jié)出,降低炮射巡邏彈成本的主要工作都集中在使用新型材料、小型低推力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和彈上傳感器等方面。
3 關(guān)鍵技術(shù)研究
炮射巡邏彈是建立在制導(dǎo)技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、機(jī)械制造工程、火炮發(fā)射技術(shù)、減速回收技術(shù)以及隱身技術(shù)上的一門綜合的工程技術(shù),涉及到的領(lǐng)域廣,關(guān)鍵技術(shù)多,本文僅簡要介紹炮射巡邏彈在總體設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域內(nèi)的一些關(guān)鍵技術(shù)。
1)總體多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)
由于巡邏彈的設(shè)計(jì)需要綜合考慮彈體外形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),彈體功能模塊的優(yōu)化匹配,有效載荷質(zhì)量與燃料達(dá)到最佳配比,空氣動(dòng)力學(xué)和隱身性能等一系列問題,所以這是一個(gè)涉及很多學(xué)科之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。學(xué)科之間的交叉耦合和相互影響,決定了巡邏彈的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)問題。
目前,國外越來越多的科技人員將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)技術(shù)應(yīng)用于飛行器設(shè)計(jì)之中,多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在提供變量、約束、性能間交互作用和耦合信息的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了同時(shí)滿足各學(xué)科和系統(tǒng)約束的要求,具有對(duì)各種設(shè)計(jì)方案迅速進(jìn)行分析的能力,還可以大大縮短研發(fā)周期。
2)小型低推力長航時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)
巡邏彈的主要工作任務(wù)就是在敵方陣地上進(jìn)行巡弋飛行,對(duì)陣地進(jìn)行偵察,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和打擊,這就需要它擁有一個(gè)能提供長航時(shí)小推力的發(fā)動(dòng)機(jī)。目前國內(nèi)外主要采用的是活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和鋰電發(fā)動(dòng)機(jī),微小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)是目前研究的熱點(diǎn),勢必成為下一代巡邏彈發(fā)動(dòng)機(jī)的主流。
由于炮射巡邏彈的初始段是炮射彈道,利用炮射將它在較短的時(shí)間內(nèi)送到所要求的射程,然后才轉(zhuǎn)入自主飛行的巡飛段。進(jìn)入巡飛段后才啟動(dòng)巡航發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)的空中自啟動(dòng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中需要特殊考慮的關(guān)鍵問題。
3)航跡規(guī)劃、協(xié)同編隊(duì)作戰(zhàn)
在前面的發(fā)展趨勢中提到過,巡邏彈的設(shè)計(jì)正朝著智能化方向發(fā)展,這就需要對(duì)它的巡飛航跡進(jìn)行規(guī)劃;同時(shí)能夠做到多枚巡邏彈之間的相互通信,保證協(xié)同作戰(zhàn),避免重復(fù)偵察和攻擊。另外還要求巡邏彈本身能根據(jù)戰(zhàn)場情況作出實(shí)時(shí)的規(guī)劃,有效地躲避威脅,增強(qiáng)巡邏彈的生存能力。
4)雙向遠(yuǎn)距離抗干擾信息數(shù)據(jù)鏈路
炮射巡邏彈的射程可達(dá)幾十公里,而彈體長度一般在1 m左右,這對(duì)信息傳輸裝置提出了相當(dāng)高的要求。為了獲得遠(yuǎn)距離、高數(shù)據(jù)率、高質(zhì)量的通信,必須采用高功率的數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī),利用圖像壓縮技術(shù)以降低對(duì)帶寬的要求,要在信號(hào)處理過程中進(jìn)行加密,以實(shí)施保密通信。同時(shí),實(shí)現(xiàn)巡邏彈與其它武器之間的配合使用、巡邏彈之間的配合使用,需要建立它們之間的信息交換。采用雙路通信鏈路傳遞和接收信息,必要時(shí)建立通信中繼站已成為解決炮射巡邏彈信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。
以上四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是所有巡邏彈在發(fā)展過程中都要面對(duì)的,而對(duì)于炮射巡邏彈,它除了具有上述四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之外還有其自身的特殊性。
5)抗高過載技術(shù)
巡邏彈上的制導(dǎo)控制組件、發(fā)動(dòng)機(jī)、彈翼折疊裝置、偵察設(shè)備等要抗住炮彈發(fā)射時(shí)的高過載是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前一般都將彈上電子器件塑封固定,并通過一些軸套等機(jī)械構(gòu)件將重點(diǎn)器件上的過載轉(zhuǎn)移,從而解決抗過載問題。近年來飛速發(fā)展的MEMS技術(shù),不僅成本低、體積小,而且具有抗高過載的特點(diǎn),是解決抗高過載問題的一個(gè)途徑。對(duì)于電子器件抗高過載這類問題已在制導(dǎo)炮彈中解決了,針對(duì)炮射巡邏彈,抗高過載問題還會(huì)給小型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
6)彈翼制造技術(shù)
為了減輕質(zhì)量,彈翼材料一般都采用復(fù)合材料,這對(duì)彈翼的制造提出了新的工藝要求。同時(shí),為了能夠兼容炮彈發(fā)射平臺(tái),從目前的資料可以看出,炮射巡邏彈的彈翼一般都采用折疊、充氣和收縮等技術(shù)。彈翼折疊機(jī)構(gòu)、充氣機(jī)構(gòu)和收縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及新型彈翼的強(qiáng)度剛度等結(jié)構(gòu)問題的解決都是炮射巡邏彈設(shè)計(jì)所面臨的一項(xiàng)重大難題。
另外,由于采用了折疊、充氣和收縮等方式,在安排彈翼的副翼上存在問題。目前炮射巡邏彈開始考慮采用復(fù)合材料、記憶合金等材料,利用翹曲彈翼進(jìn)行控制,這給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也帶來了新的挑戰(zhàn)。
7)彈道減速減旋技術(shù)
正是因?yàn)椴捎没鹋谙到y(tǒng)作為發(fā)射平臺(tái)后,能給巡邏彈提供一個(gè)很高的初速,使得巡邏彈能在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)較遠(yuǎn)的射程,為巡邏彈快速進(jìn)入作戰(zhàn)區(qū)域提供了保證。但是,巡邏彈在巡飛過程中為了便于偵察,飛行速度都很低,所以炮射巡邏彈面臨著一個(gè)彈道減速問題。
另外,為了保證彈丸的穩(wěn)定性,一般都采取旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定,如果在彈丸出炮后迅速減旋,則必須展開尾翼進(jìn)行穩(wěn)定,這樣必然增加射彈的阻力,彈道的射程遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)彈,所以為了提高炮射巡邏彈的射程,一般在彈道前段都采用高速旋轉(zhuǎn)彈道,而轉(zhuǎn)入巡飛段前,就必須采取相應(yīng)的減旋措施。
目前,國外針對(duì)炮射巡邏彈的彈道減速一般都采用降落傘或充氣氣囊等機(jī)構(gòu),針對(duì)炮射巡邏彈的彈道減旋一般都采用穩(wěn)定尾翼或充氣氣囊等機(jī)構(gòu)。
在炮射巡邏彈彈道設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮降落傘和充氣氣囊等的氣動(dòng)特性,對(duì)其作出相應(yīng)的研究。
4 結(jié)束語
本文簡述了炮射巡邏彈的發(fā)展歷史,總結(jié)出炮射巡邏彈發(fā)展趨勢,并簡要介紹炮射巡邏彈總體設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)上述問題的深入研究將有利于炮射巡邏彈的進(jìn)一步發(fā)展。