徐 溪 石文華

(海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001)

1 基本概念

1.1 新概念武器

高技術(shù)的發(fā)展,正在引起軍隊武器裝備的巨大變革,也為發(fā)展全新的非核武器開辟了廣闊的前景。不久的將來,一批新的、更具有威力的武器系統(tǒng)會陸續(xù)研制成功,并將投入到戰(zhàn)爭中使用,這種武器就是新概念武器。

新概念武器是相對于傳統(tǒng)武器而言的高新技術(shù)武器群體,目前正處于研制或探索性發(fā)展之中。它在原理、殺傷破壞機理(殺傷效應(yīng))和作戰(zhàn)方式上,與傳統(tǒng)武器有顯著的不同,投入使用后往往能大幅度提高作戰(zhàn)效能與效費比,取得出奇制勝的作戰(zhàn)效果[1]。

新概念武器的主要特征通常表現(xiàn)為:

?創(chuàng)新性:與傳統(tǒng)武器相比,新概念武器在設(shè)計思想、工作原理和殺傷機制上具有顯著的突破和創(chuàng)新,它是創(chuàng)新思維和高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

?高效性:一旦技術(shù)上取得突破,可在未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭中發(fā)揮巨大的作戰(zhàn)效能,滿足新的作戰(zhàn)需要,并在體系攻防對抗中有效地抑制敵方傳統(tǒng)武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

?時代性:新概念武器是一個相對的、動態(tài)的概念。隨著時代的發(fā)展和科技的進步,某一時代的新概念武器日趨成熟并得到廣泛應(yīng)用后,也就轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)武器。

?探索性:新概念武器與傳統(tǒng)武器相比,高科技含量大,技術(shù)難度高,在技術(shù)途徑、經(jīng)費投入、研制時間等多方面的不確定因素多,因而探索性強,風(fēng)險也大。

新概念武器主要包括定向能武器、動能武器和軍用機器人。其中動能武器的發(fā)展頗引人注目。

1.2 動能武器

動能武器指的是一類能夠發(fā)射高速(5倍于音速)彈頭,利用彈頭的動能直接撞毀目標(biāo)的武器。主要有:動能攔截彈(分為反衛(wèi)星、反導(dǎo)彈兩種)、電磁炮(分為線圈炮、軌道炮和重接炮三種)、群射火箭等。

動能攔截器是一種自主尋的,利用其與目標(biāo)直接碰撞的巨大動能來殺傷目標(biāo)的飛行器。它是在導(dǎo)彈技術(shù)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù),高精度制導(dǎo)和快速響應(yīng)控制是其關(guān)鍵技術(shù),追求目標(biāo)是“零脫靶量”。從80年代初以來,電磁炮在未來武器系統(tǒng)的發(fā)展計劃中已成為越來越重要的部分。對常規(guī)動力的槍炮的分析表明,它們很可能已達到了性能的極限,炮口初速已接近物理和技術(shù)極限,射程也不可能更遠,原因是火藥燃氣壓力作用在彈丸上的時間很短。在利用電磁場作用力的電磁系統(tǒng)中,其作用時間可能長得多,從而可以提高彈丸的速度和射程。這就是電磁炮技術(shù)引起人們興趣的主要原因。

2 結(jié)構(gòu)與原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成及功能

動能武器由推進系統(tǒng)、彈頭(彈丸)、探測器(傳感器)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)等部分組成[2]。如圖1所示。

圖1 動能武器的構(gòu)成

推進系統(tǒng)提供將彈頭加速到高速所需要的動力,可采用火炮、火箭、電場或磁場加速裝置作為推進系統(tǒng)。彈頭是動能武器的有效戰(zhàn)斗部位,系用金屬材料或塑料制成的剛體。傳感器是動能武器的“眼睛”,用于探測、識別和跟蹤目標(biāo),常使用紅外傳感器。制導(dǎo)與控制系統(tǒng)是動能武器的“大腦”,用于確保成功地進行尋的與攔截,制導(dǎo)與控制系統(tǒng)一般由尋的器、慣性測量裝置、計算機、方向和姿態(tài)控制器、通信設(shè)備、能源設(shè)備等組成。

與定向能武器相比,雖然動能武器速度慢,但技術(shù)上可行,價格低廉,并難以采取有效的反措施。因此,動能武器被認為是非常有發(fā)展前途的高技術(shù)武器。

2.2 推進系統(tǒng)

動能武器必須采用一定的方法將物體(彈頭)加速到足夠大的速度。根據(jù)所采用的推進系統(tǒng)的不同,可將動能武器分為三種不同的結(jié)構(gòu):火炮系統(tǒng),火箭系統(tǒng),電磁系統(tǒng)。

2.2.1 火炮系統(tǒng)

火炮是靠火藥的燃氣壓力將炮彈加速的[3]。從原理上講,常規(guī)火炮可以作為動能武器使用(發(fā)射非爆炸性彈頭)。在火炮中,最大彈丸速度可達到2km/s。從上述討論中可知,彈頭達到這一速度的火炮可安裝在作戰(zhàn)平臺上用于中段攔截。但基于以下原因,將火炮用于天基系統(tǒng)防御作用不大。

1)火炮炮管長度有限,燃氣壓力對彈頭的作用時間很短,彈頭的速度、射程均有限,這使得火炮的作戰(zhàn)半徑小,僅適用于進行短程攔截;如果極大地增大炮管口徑和炮管長度,雖可使彈頭速度和射程大為增加,但發(fā)射速率太慢,也不能滿足實戰(zhàn)的需要。

2)火炮安裝在作戰(zhàn)平臺上,發(fā)射時存在后座力補償問題,需要消耗燃料供穩(wěn)定系統(tǒng)和導(dǎo)航使用,從而減慢了發(fā)射速率。

2.2.2 火箭系統(tǒng)

利用火箭加速是三種結(jié)構(gòu)中最成熟的一種。美國人準(zhǔn)備部署的動能武器目前都采用一級或兩級火箭加速,因此亦稱之為超高速火箭動能武器。大氣層外輕型射彈(LEAP)是目前各國正在研制的用于攔截戰(zhàn)區(qū)或戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的多種動能攔截彈中最具代表性并可能最先部署的一種。該射彈可充分利用現(xiàn)有的陸、海、空軍用的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的技術(shù)發(fā)展而成為有效的反導(dǎo)攔截器。其作戰(zhàn)使用方法是,用一枚較大的助推火箭將射彈送入高空,使其達到4km/s的超高速(約12馬赫),攻擊前火箭脫落,射彈依靠彈載尋的頭、制導(dǎo)計算機和推進系統(tǒng)控制飛行,并準(zhǔn)確命中目標(biāo)。其攔截高度80km,可攔截各種戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈。

2.2.3 電磁系統(tǒng)

電磁系統(tǒng)是利用電磁場加速或電能加熱加速的動能武器系統(tǒng),又稱為電磁炮。根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同,電磁炮有線圈炮、導(dǎo)軌炮(又稱軌道炮)、電熱炮等,其中最主要的是軌道炮。下面僅研究軌道炮的結(jié)構(gòu)與原理。

軌道炮由兩條平行的導(dǎo)軌組成,在兩條導(dǎo)軌之間放置一個與兩條導(dǎo)軌保持良好的電接觸又能沿著導(dǎo)軌滑動的質(zhì)量較小的物體作為彈丸。當(dāng)兩軌接入電源時,電流通過一條導(dǎo)軌流向彈丸,并經(jīng)彈丸底部的導(dǎo)流板流向另一條導(dǎo)軌;相反方向的過程也如此。流過導(dǎo)軌的電流產(chǎn)生一個強磁場,該磁場給流過彈丸的電流一個很大的洛倫茲力。利用“右手定則”很容易確定彈丸電流所受到的洛倫茲力的指向。此力迫使彈丸沿導(dǎo)軌運動。只要磁場存在,彈丸就會持續(xù)受到力的作用,從而保持加速運動,達到很高的速度。

彈丸加速所能達到的速度極限由下式確定:

式中,V為彈丸的極限速度;a為彈丸的加速度;S為加速距離(約等于導(dǎo)軌長度)。

如果理想的加速度值和速度值分別為:a=105m/s2,V=20km/s,則對應(yīng)的加速長度(即導(dǎo)軌長度)為S=200m?？梢?為了使彈丸獲得足夠大的速度,軌道炮需要很長的導(dǎo)軌,因而是很笨重的。

為提高軌道炮的性能,理論上還可采取以下措施:1)增強磁場;2)減小彈丸的有效質(zhì)量。這可以增大彈丸的加速度。但實際上,這些措施的作用是有限的。

首先,軌道炮的結(jié)構(gòu)不允許磁場任意增強[4]。因為當(dāng)磁場強度達到150～160高斯,即磁場壓強達到1000個大氣壓時,整個裝置已接近機械穩(wěn)定性(或機械強度)的極限。從力學(xué)觀點分析,這樣一個導(dǎo)軌很長、內(nèi)部壓強很高的系統(tǒng)要保證很高的強度是很困難的。如果試圖通過增加導(dǎo)軌及附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來保證機械強度,這會使系統(tǒng)笨重得難以部署,而且質(zhì)量增大也會增大熱損失。

其次,如果試圖通過增大電流來增加磁場強度,這會使熱損失增加。因為電流越大,熱損失也越大。導(dǎo)軌的加熱可能限制系統(tǒng)的發(fā)射速率并降低射擊性能。

此外,彈丸的質(zhì)量也不可能任意減小,因為質(zhì)量是使彈丸具有大的動能,命中并摧毀目標(biāo)的一個重要因素。同時,為保持彈丸與導(dǎo)軌有良好的電接觸,彈丸應(yīng)有一定幾何尺寸。當(dāng)彈丸要帶自尋的裝置時更要求質(zhì)量不能太小。

2.3 彈頭

動能武器是以巨大的動能摧毀目標(biāo)的。從動力學(xué)中知道,質(zhì)量為m的物體以速度V運動時,其所具有的動能為

可見,如果確定摧毀目標(biāo)所要求的能量值為E,相應(yīng)地選擇適當(dāng)?shù)膹楊^質(zhì)量m和速度v,就可以使動能武器具有足夠的威力。在動能武器用于攔截洲際彈道導(dǎo)彈的情況下,由于目標(biāo)本身以很高的速度在運動,進行攔截的動能彈頭只要有一定的速度就能使之與目標(biāo)碰撞時達到極高的相對速度。

實驗表明,當(dāng)動能彈頭的有效質(zhì)量比為每平方厘米幾克時,且目標(biāo)表面的比動量達到105～106g?cm/s,彈頭與目標(biāo)的相對速度大于1km/s,就足以將目標(biāo)摧毀。對于來襲的洲際導(dǎo)彈而言,其飛行速度達8km/s,所以,只要動能攔截器有一定的速度,利用適當(dāng)?shù)呐鲎矌缀螚l件,就很容易將目標(biāo)摧毀。根據(jù)攔截洲際彈道導(dǎo)彈的實際需要,為保證達到一定的作戰(zhàn)距離,動能攔截器的最大容許速度為37km/s,較為理想的速度為10km/s。

因此,只要使彈頭有極高的速度,并采用精確的控制與制導(dǎo)技術(shù),就可以命中并摧毀幾千千米之外的洲際導(dǎo)彈。

2.4 制導(dǎo)

由于動能武器是依靠與目標(biāo)直接碰撞時的動能來破壞目標(biāo)的武器,因此,它有兩個核心問題必須解決,一是加速問題,二是制導(dǎo)問題。

上面介紹的火炮系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)都是解決加速問題的途徑?，F(xiàn)在以火箭類動能彈為例,討論一下制導(dǎo)問題,這是動能武器的又一個核心問題。

制導(dǎo)問題就是使動能攔截彈具有精確的自動尋的末制導(dǎo)的能力,主要依靠在彈上裝備高精度傳感器的目標(biāo)探測系統(tǒng)和先進的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)。然而,如果動能彈在大氣層中飛行,產(chǎn)生的氣動熱、氣動光學(xué)效應(yīng)將使動能彈上裝備的高精度、高靈敏度的傳感器不能充分發(fā)揮作用,必將影響動能彈自動尋的制導(dǎo)精度。

大氣稀薄的空間為動能武器的使用提供了極為有利的條件:一方面,可以忽略不計的阻力可以保證動能武器的超高速飛行;另一方面,不存在氣動熱、氣動光學(xué)效應(yīng)。這種環(huán)境保證了動能彈具有高精度的自動尋的末制導(dǎo)能力。

這兩個有利的條件,為科學(xué)家們發(fā)展各種新概念的動能武器提供了廣闊的創(chuàng)造天地。勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家們提出了“智能卵石”攔截彈技術(shù),這使實用的動能攔截彈的發(fā)展出現(xiàn)了一個新的高峰。

3 發(fā)展動態(tài)

由于火炮、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等傳統(tǒng)武器的速度、射程及精度等,難以應(yīng)付速度越來越快的高速運動目標(biāo),因此西方大國一直在研究速度達5倍音速(即5馬赫)以上的超高速的動能武器。

從上世紀(jì)80年代以來,以美國為代表的西方軍事大國和俄羅斯探索研究并試驗了一系列動能武器,其中最主要的是超高速火箭類的動能武器。這些曾經(jīng)研究過和目前正在研究的火箭類動能武器可分為三大類[5]:

第一類是美國曾經(jīng)為“戰(zhàn)略防御倡議”計劃研制的主要用于攔截洲際彈道導(dǎo)彈(也可用于反衛(wèi)星)的動能攔截彈,包括天基動能攔截彈、地基紅外尋的動能攔截彈、地基雷達尋的動能攔截彈和空基(機載)反衛(wèi)星動能攔截彈。

第二類是美國、西歐諸國及以色列等國現(xiàn)正在加緊研制的用于戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈防御的動能攔截彈,主要包括以色列“箭式”攔截彈、美國的“愛國者”導(dǎo)彈改進型增程攔截彈(ERINT)、美國的戰(zhàn)區(qū)高空防御(T HAAD)攔截彈、美國的大氣層外輕型射彈(LEAP)和機載助推段攔截彈(BPE)等,其中有可能成為世界上第一種小型的先進動能攔截彈的是大氣層外輕型射彈。

大氣層外輕型射彈典型尺寸100mm,僅相當(dāng)于一塊面包,彈重6kg,由五個分系統(tǒng)構(gòu)成:固定式被動紅外尋的頭(采用中長波蹄鎘汞紅外焦平面陣列傳感器),由干涉式光纖陀螺慣性測量組件及微處理機等構(gòu)成的彈載航空電子組件,變軌推進系統(tǒng)(為消除在末段攔截尋的中出現(xiàn)的飛行誤差及目標(biāo)識別誤差,需使攔截器進行橫向機動),姿態(tài)控制系統(tǒng)(由一組安裝在攔截器尾部的小型噴嘴組成,控制攔截器的俯仰、偏航與滾動)以及通信與遙感組件(輕型被光學(xué)望遠鏡)。

大氣層外攔截彈的好處在于,無需考慮氣動力控制、氣動光學(xué)偏移、氣動熱、推力的加大以及其它因大氣對攔截彈造成的影響。在大氣層外交戰(zhàn),也更容易預(yù)測出攔截彈和目標(biāo)的性能。在目標(biāo)助推火箭燃燒完畢后,特別容易測定其性能,而大多數(shù)戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈常常在大氣層內(nèi)或剛剛沖出大氣層時,即停止助推火箭燃燒。在助推段之后,大氣層外目標(biāo)通常沿固定彈道作無機動飛行,因此,在大氣層外攔截更容易實現(xiàn)命中殺傷。

第三類是美國國防部研制的先進動能導(dǎo)彈(ADKEM),包括地對地、地對空、空對空和空對地等作戰(zhàn)應(yīng)用的多種超高速導(dǎo)彈(HVM)。這是美國國防部為陸、海、空軍研制的一種多任務(wù)、通用的超高速導(dǎo)彈。這種導(dǎo)彈由推進裝置和動能彈頭組成,推進裝置為固體火箭,彈頭為特制的碳化鎢頭錐金屬穿甲彈頭或空心鋼圓筒狀反裝甲彈頭。有一種試驗彈長262cm,直徑9.96cm,重量21.36kg,速度7.5馬赫,采用前視紅外探測器與二氧化碳激光束共同進行制導(dǎo),借助于陀螺滾動傳感器和姿態(tài)控制裝置實現(xiàn)空氣動力控制。

預(yù)計超高速導(dǎo)彈可以戰(zhàn)斗機、攻擊直升機、裝甲步兵戰(zhàn)車為發(fā)射平臺,也可以安置在軍艦上。其作戰(zhàn)方案是,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即進行發(fā)射,一旦導(dǎo)彈被加速到所需要的速度,助推器就被拋掉,彈頭靠自身的動力裝置和控制與制導(dǎo)裝置飛向目標(biāo),最后以6馬赫以上的超高速并高速自旋命中目標(biāo)。其摧毀目標(biāo)的能力比現(xiàn)有的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈要高1倍以上。

目前,世界發(fā)達國家和地區(qū)都在競相發(fā)展這項新技術(shù),一些系統(tǒng)已經(jīng)接近實戰(zhàn)化水平,預(yù)計到2020年前后可能全面部署高性能的多層反導(dǎo)防御體系,并具備動能反衛(wèi)星能力。

4 結(jié)語

高新技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用,正在引發(fā)世界范圍內(nèi)的軍事變革。軍事大國,特別是以美國為首的西方國家,都企圖加快軍事技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,進一步拉大與其他國家在軍事高新技術(shù)方面的差距。加速研制新概念武器,是它們確立軍事高技術(shù)優(yōu)勢的重要手段之一,預(yù)計21世紀(jì)前30年內(nèi)將有一大批新概念武器相繼投入戰(zhàn)場。論文論述的動能武器發(fā)展將更為迅猛。我國要在新世紀(jì)實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興,就必須有強大的軍事力量。加大新概念武器,尤其是動能武器的研制與發(fā)展,是打贏未來信息化戰(zhàn)爭的重要條件。

[1]唐金國.海軍信息戰(zhàn)概論[M].北京:海潮出版社,2005:164～182

[2]龔傳信.高技術(shù)武器裝備及管理[M].北京:解放軍出版社,2003:35～37

[3]朱小東.信息化作戰(zhàn)裝備保障[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:47～53

[4]陳亮.復(fù)雜電磁環(huán)境對射擊指揮人才的要求[C]//2007年沈陽射擊學(xué)會論文集,北京:海潮出版社,2007:179～193

[5]第二屆中國軍事裝備科學(xué)學(xué)術(shù)研討會文集[C]//北京:解放軍出版社,2003:185～189