要雪峰, 栗蘋

（北京理工大學(xué)機(jī)電工程與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081）

解析美軍新型激光制導(dǎo)子彈

要雪峰, 栗蘋

（北京理工大學(xué)機(jī)電工程與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081）

順應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的軍事需求,精確制導(dǎo)武器的廣泛使用已成為信息化戰(zhàn)爭的重要特征。制導(dǎo)技術(shù)在導(dǎo)彈、炮彈等領(lǐng)域的應(yīng)用已不足為奇,而在槍彈領(lǐng)域開展制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用研究幾乎是空白。非接觸、零傷亡的作戰(zhàn)追求,使遠(yuǎn)距離開火、一槍斃敵成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭對槍彈作戰(zhàn)使命的新要求,微電子技術(shù)、微控制技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展,使制導(dǎo)槍彈的發(fā)展應(yīng)用成為了可能。美軍已先行開展了相關(guān)技術(shù)的研究,并取得了一定成果。文章主要對美軍新型激光制導(dǎo)子彈進(jìn)行介紹,并分析其結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)特點(diǎn)。

激光制導(dǎo)；子彈；結(jié)構(gòu)；原理

0 引言

2012年2月2日,中央電視臺午間新聞欄目報道了《“子彈”長眼睛,射擊更精確》的新聞,美軍新型激光制導(dǎo)子彈就此走入了人們的視野并引起熱議。據(jù)資料報道,美軍于1994年便率先開展了將制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于槍彈的研究,當(dāng)時美空軍實(shí)施了一項(xiàng)名為“靈巧子彈”（Smart Bullet）的研究計劃,該計劃由美空軍佛羅里達(dá)懷特實(shí)驗(yàn)室資助,亞拉巴馬州（Alabama）奧伯恩大學(xué)航天材料工程系具體負(fù)責(zé)研究實(shí)施,計劃所研制的制導(dǎo)子彈被稱為“身管發(fā)射自適應(yīng)子彈”（Barrel-Launched A-daptive Ammunition）,其彈頭上有尋找激光信號的傳感器和能控制彈頭飛行方向的壓電陶瓷棒,實(shí)現(xiàn)了彈丸偏角的自適應(yīng)控制,能靈敏調(diào)整速度超過1 020 m/s的彈丸飛行方向。

2008年,美國國防部高級研究計劃局（DARPA）又分別與洛克希德·馬丁公司和美國蒂萊蒂尼科學(xué)與成像公司簽訂了價值1 230萬美元和950萬美元的高額合同來開展EXACTO（The Extreme Accuracy Tasked Ordnance高精度任務(wù)武器計劃）的工作,目的是開發(fā)使用制導(dǎo)子彈的狙擊步槍,包括機(jī)動的子彈和全程跟蹤的實(shí)時制導(dǎo)系統(tǒng)。技術(shù)開發(fā)工作包括氣動控制設(shè)計與一體化、能源、光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)和傳感器。EXACTO旨在減少橫風(fēng)、空氣密度等環(huán)境因素對狙擊武器的影響,提高對運(yùn)動或靜止目標(biāo)的命中率,提高射手的隱蔽性。

2012年1月30日,洛克希德·馬丁公司全資子公司桑迪亞公司負(fù)責(zé)運(yùn)營管理的美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室報道,該實(shí)驗(yàn)室研制出了一款可自動調(diào)整飛行方向的激光制導(dǎo)子彈,這種子彈在遠(yuǎn)距離上的射擊精度更高,有效打擊距離超過1.6 km,使步兵在戰(zhàn)場上非接觸、遠(yuǎn)距離開火、一槍斃敵成為了可能[1]。本文將對美軍新型激光制導(dǎo)子彈的結(jié)構(gòu)、原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹和分析。

1 美軍激光制導(dǎo)子彈結(jié)構(gòu)

據(jù)報道,在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場上,由于受天氣、風(fēng)速、光線及目標(biāo)移動等因素影響,美軍士兵經(jīng)常消耗大量子彈也無法命中目標(biāo)。由美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室公開的激光制導(dǎo)子彈正在為步兵開啟精確打擊的新時代,其最終目標(biāo)是要研發(fā)一種可以自動搜索和鎖定目標(biāo),并精確命中的子彈。

該制導(dǎo)子彈全彈由彈頭、彈托和彈殼三部分組成,全彈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全彈結(jié)構(gòu)圖

彈頭長101.6 mm,口徑12.7 mm,初速730 m/s,射程約1.61 km。制導(dǎo)子彈的核心是具有制導(dǎo)功能的彈頭,彈頭由激光導(dǎo)引頭、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電池、配重塊、尾翼和舵機(jī)六大部分組成,如圖2所示,采用尾翼穩(wěn)定方式,依靠舵機(jī)調(diào)整飛行姿態(tài)[2]。

圖2 子彈設(shè)想解剖圖

2 美軍激光制導(dǎo)子彈原理

美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室公開的制導(dǎo)子彈采用類似激光半主動的制導(dǎo)原理,當(dāng)子彈從槍管里飛出后,彈托就會脫落。制導(dǎo)子彈飛行過程中,彈尖內(nèi)含光學(xué)傳感器,可探測到目標(biāo)上反射的激光束,用于判斷子彈飛行方向與目標(biāo)之間的偏差,光學(xué)傳感器將信息傳遞給導(dǎo)航和控制元件,該元件指揮微型驅(qū)動器控制微型舵機(jī)的姿態(tài),從而引導(dǎo)子彈準(zhǔn)確飛向目標(biāo)。

2.1 制導(dǎo)子彈發(fā)射方式

與傳統(tǒng)意義上的子彈不同,激光制導(dǎo)子彈突破了傳統(tǒng)子彈從螺紋槍管發(fā)射后高速旋轉(zhuǎn)、直線飛行的慣性軌跡,采用滑膛發(fā)射方式,開辟了子彈發(fā)射后不旋轉(zhuǎn)、無動力曲線飛行的先例,顛覆了傳統(tǒng)的射擊原理。測試中科研人員在其彈頭尾部安裝了發(fā)光二極管（LED）,可以清楚地看到子彈彈道圍繞激光束產(chǎn)生的自動修正軌跡,如圖3所示[2]。

因此遠(yuǎn)距離射擊時就不需要再考慮目標(biāo)移動、風(fēng)速風(fēng)向、地球重力、地球自轉(zhuǎn)、空氣溫度密度折射等問題,只需將激光束保持照射到目標(biāo)即可。

圖3 激光制導(dǎo)子彈的飛行軌跡

2.2 飛行穩(wěn)定方式

制導(dǎo)子彈采用了塑料彈托設(shè)計,彈托用于閉氣,并保護(hù)子彈纖細(xì)的尾翼和舵機(jī),當(dāng)子彈從槍管飛出后,彈托就會脫落。其后子彈主要依靠其穩(wěn)定的空氣動力學(xué)設(shè)計保持飛行穩(wěn)定,配重塊使子彈重心位于彈體前部,尾翼（4片）用于穩(wěn)定彈頭飛行,舵機(jī)（4片）主要用于保證制導(dǎo)子彈飛行穩(wěn)定,同時不間斷對飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

2.3 飛行制導(dǎo)方式

在制導(dǎo)子彈的內(nèi)部有一個獨(dú)特的微型激光制導(dǎo)控制系統(tǒng),主要由兩大部分構(gòu)成。

一是制導(dǎo)系統(tǒng),在子彈前端有一個由光學(xué)聚焦成像器件和光敏元器件組成的激光導(dǎo)引頭,用于搜索、追蹤射向目標(biāo)的激光制導(dǎo)點(diǎn),從而感知制導(dǎo)子彈飛行方向與目標(biāo)之間的偏差,并產(chǎn)生導(dǎo)引電信號?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)接收來自激光導(dǎo)引頭的電信號,后者通過一個8位的中央處理器計算出需要的飛行路徑,生成制導(dǎo)信號或控制指令,驅(qū)動微型驅(qū)動器[3]。

二是微型驅(qū)動系統(tǒng),主要是一個微型驅(qū)動電機(jī)和類似于“魚鰭”的微型舵機(jī)（4片）,如圖4所示。驅(qū)動電機(jī)可為驅(qū)動系統(tǒng)提供動力,微型舵機(jī)主要用于保證制導(dǎo)子彈飛行穩(wěn)定,同時受控于微型驅(qū)動電機(jī),可根據(jù)制導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生的控制指令不斷旋轉(zhuǎn),調(diào)整方向,產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)驅(qū)動力,控制子彈的飛行路徑,迂回、曲折的擊中目標(biāo)。

圖4 舵機(jī)設(shè)想示意圖

3 美軍激光制導(dǎo)子彈特點(diǎn)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧

彈托、尾翼和舵機(jī)的巧妙結(jié)合,一方面有利于發(fā)射時閉氣保證身管膛壓,一方面有效保護(hù)了尾翼和舵機(jī)免受高壓氣流沖擊而發(fā)生形變。在飛行過程中尾翼的存在則一方面可以保證無旋轉(zhuǎn)的槍彈飛行穩(wěn)定,同時當(dāng)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)時,可產(chǎn)生更大的側(cè)向控制力,有利于控制彈道偏轉(zhuǎn)。

3.2 制導(dǎo)技術(shù)成熟可行

該制導(dǎo)子彈采用激光半主動制導(dǎo)原理,技術(shù)成熟,反應(yīng)靈敏,制導(dǎo)過程所需導(dǎo)航信息較少,只需得到彈頭與目標(biāo)的偏差信息即可,不用進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算,顯著降低了制導(dǎo)系統(tǒng)的復(fù)雜性,適合于體積小巧的槍彈制導(dǎo)。

3.3 飛行控制效果良好

任何彈丸在空氣中飛行時,都會以一定的頻率產(chǎn)生抖動和偏航現(xiàn)象。與導(dǎo)彈相比,子彈微小的外形反而簡化了其飛行控制系統(tǒng)。對體型大的導(dǎo)彈而言,其飛行軌跡修正頻率較低,修正次數(shù)少,因此每次修正都需要非常精確。而該制導(dǎo)子彈的固有頻率約為30 Hz,也就是每秒可以校正30次,因此不需要每次都進(jìn)行精確校正,從而與微型舵機(jī)微調(diào)方向的作用相得益彰。據(jù)其實(shí)驗(yàn)表明,由于受到外界條件影響,普通子彈每飛行800 m至少偏離目標(biāo)8.96 m,而制導(dǎo)子彈則只偏離0.2 m[4]。

3.4 子彈殺傷力受限

該制導(dǎo)子彈初速僅為730 m/s,與相應(yīng)口徑的軍用槍彈速度存在差距,由于其自身沒有動力系統(tǒng),在飛行過程中還需要改變前進(jìn)方向,勢必會消耗部分動能,即使可以飛行1.6 km準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo),其落點(diǎn)能量及作用效果也將有限。

3.5 實(shí)戰(zhàn)中應(yīng)用受限

由于該制導(dǎo)子彈采用激光制導(dǎo),在實(shí)戰(zhàn)中,子彈需要與激光指示器一同使用,如果直接采用激光束指示目標(biāo),那么就容易使作戰(zhàn)人員暴露,造成適用性受限。目標(biāo)如何有效標(biāo)示將成為其大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)的關(guān)鍵問題之一。

4 結(jié)束語

本文概述了美軍制導(dǎo)子彈的研制動態(tài),并對美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室公開的激光制導(dǎo)子彈進(jìn)行了較為詳盡的解析,在對其整體結(jié)構(gòu)介紹的基礎(chǔ)上,分析了其工作原理和工作過程,并進(jìn)一步提出了現(xiàn)階段該制導(dǎo)子彈的優(yōu)缺點(diǎn)。該制導(dǎo)槍彈的出現(xiàn),揭開了槍彈技術(shù)一個新的發(fā)展方向。

[1] 孫曉棕,國海廣,張宏光.美國新型制導(dǎo)子彈[J].輕武器快訊,2012,（2）：134.

[2] 張宏光,曹曉東,王麗靜,齊文娟.突破性研究：槍彈也制導(dǎo)[J].輕兵器,2013,（4）：26-27.

[3] 李旭光,何旋,王國棟.激光制導(dǎo)：讓子彈自己飛[N].解放軍報,2012,23（12）.

[4] 劉虎.激光制導(dǎo)子彈問世[N].海峽都市報,2012, 27（2）：A22.

Analysis of the New Laser Guided Bullet for US Army

YAO Xue-feng, LI Ping
（National Key Laboratory of Mechatronics Engineering and Control, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）

Comply with the military requirement of modern war,the widespread use of the precision guided weapon has become an important characteristic of the information war. It is not surprising for guidance technology application in the field of missiles,shells,etc. But it is almost blank for guidance technology application in the field of bullets.The combat pursuit of non-contact,zero casualty make the long-distance fired become the new requirement of the bullets battle mission.With the development of the microelectronics technology, micro control technology and the new materials technology,use the guidance technology for bullet.The US army has first began the research and achieved certain results.This paper mainly introduces the new laser guided bullet for US army,analysis the structure principle and the characteristics of this bullet.

laser guidance；structure；principle

E932.1

A

1671-0576（2014）02-0011-03

2013-10-30

要雪峰（1982-）,男,碩士研究生,主要從事信息感知與對抗技術(shù)研究。