中大口徑艦炮跨介質(zhì)水下防御技術(shù)研究

魏 錦，李世紀(jì)，陳 亮

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

現(xiàn)代魚(yú)雷攻擊性強(qiáng)、防御難度大，然而水面艦艇魚(yú)雷防御主要以規(guī)避和干擾、誘餌、氣幕等軟殺傷手段為主，現(xiàn)有硬殺傷手段較少，中近程硬殺傷防御手段以反魚(yú)雷深彈為主，使得現(xiàn)役海軍艦艇缺乏有效地自衛(wèi)措施[1-3]。因此水面艦艇編隊(duì)面臨的水下威脅越來(lái)越大，急需加強(qiáng)中遠(yuǎn)程水下硬殺傷防御能力。

艦炮具有的反應(yīng)快、初速快、射速快、持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)的特點(diǎn)[4-5]，本文首次提出了中大口徑艦炮跨介質(zhì)水下防御技術(shù)，該技術(shù)應(yīng)用于中大口徑艦炮可有效提高水面艦艇的水下防御硬殺傷能力，具有重要的軍事價(jià)值。

1 火炮水下防御技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

火炮水下防御方面，典型代表有美國(guó)的機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)（RAMICS）和采用自適應(yīng)水下高速?gòu)椝帲ˋHSUM）的全水下火炮系統(tǒng)，以及挪威DSG公司研制的“多環(huán)境彈藥”（MEA）[6-7]。

1）美國(guó)機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)和全水下火炮系統(tǒng)

機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)主要裝備于直升機(jī)機(jī)載火炮系統(tǒng)中，由30 mm速射炮發(fā)射超空泡脫殼穿甲彈，在空氣和水中穩(wěn)定飛行，用于消滅水面及水下40 m的水雷；同時(shí)美軍曾計(jì)劃將該火炮系統(tǒng)部署到水面艦艇甲板上，形成超空泡射彈型近程武器系統(tǒng)，用于防御尾流自導(dǎo)魚(yú)雷。全水下火炮系統(tǒng)則使用自適應(yīng)水下高速?gòu)椝帲ˋHSUM），將裝備在潛艇、水面艦艇等，用于對(duì)魚(yú)雷、UUV或水雷等的水下防御。

圖1 美國(guó)機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)（RAMICS）Fig. 1 U.S. airborne rapid mine system

2）挪威“多環(huán)境彈藥”

挪威DSG公司的“多環(huán)境彈藥”（MEA）是將超空泡技術(shù)應(yīng)用到輕武器上，但其彈頭尺寸與常規(guī)槍彈相近，因此無(wú)需對(duì)已裝備的槍械進(jìn)行任何改動(dòng)就可直接發(fā)射，并且能夠以非常低的射角從水面進(jìn)入水中穩(wěn)定飛行，其口徑序列有5.56 mm、7.62 mm、12.7 mm、30 mm、40 mm[4]。DSG公司還宣稱進(jìn)行了更大口徑的MEA彈的研制，如30 mm，57 mm，76 mm甚至155 mm口徑的超空泡炮彈，從而用于水面艦艇對(duì)魚(yú)雷等水下目標(biāo)的防御。

圖2 挪威DSG“多環(huán)境彈藥（MEA）”Fig. 2 Norwegian DSG "multi-environment ammunition"

2 中大口徑艦炮跨介質(zhì)水下防御技術(shù)分析

2.1 毀傷能力分析

對(duì)魚(yú)雷的硬殺傷手段主要采用水下爆破毀傷，相關(guān)研究表明要使來(lái)襲魚(yú)雷殼體破裂，水中爆炸沖擊波峰值壓力要達(dá)到15.54 MPa[8-9]。

若以沖擊波強(qiáng)度來(lái)衡量對(duì)魚(yú)雷的破壞威力，針對(duì)球形TNT裝藥水中爆炸，適用范圍較廣的沖擊波壓力計(jì)算公式為：

式中：Pm表示沖擊波壓力峰值，MPa；ω表示裝藥TNT當(dāng)量，kg；r表示距離炸點(diǎn)的距離，m。

由此得出現(xiàn)有中大口徑彈丸水下爆炸沖擊波壓力峰值隨距離的變化關(guān)系，如圖3所示。彈丸水下爆炸時(shí)，沖擊波壓力峰值隨著距離的增大衰減較快，現(xiàn)有中大口徑彈丸水下爆距5 m時(shí)可產(chǎn)生16.1 MPa的沖擊波壓力，可對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行有效毀傷。通過(guò)進(jìn)一步需增大彈丸裝藥量，可提升彈丸的毀傷半徑，提高對(duì)魚(yú)雷的毀傷能力。

圖3 沖擊波壓力峰值隨距離變化關(guān)系Fig. 3 Relationship between shock wave pressure peak and distance

在增大彈丸裝藥量的基礎(chǔ)上，通過(guò)多發(fā)射彈的同時(shí)起爆，形成爆炸沖擊波的疊加，利用彈丸水下爆破合成效應(yīng)，可進(jìn)一步增大對(duì)魚(yú)雷的毀傷能力。利用理論與仿真相結(jié)合的手段，得到不同裝藥量的彈丸在不同間距下同時(shí)起爆時(shí)，爆炸沖擊波壓力隨爆距的變化規(guī)律如表1所示。

表1 多發(fā)射彈不同爆距條件下爆炸沖擊波壓力合成變化規(guī)律Tab. 1 The variation law of explosive shock wave synthetic pressure under the condition of multiple projectiles with different explosion distance

由此可知，通過(guò)匹配多發(fā)射彈水下爆破的間距、提高單發(fā)射彈的裝藥質(zhì)量等，可實(shí)現(xiàn)水下防御射彈不同水下爆炸能量釋放及傳播規(guī)律，從而為確定對(duì)魚(yú)雷目標(biāo)最優(yōu)的毀傷模式提供依據(jù)。

2.2 內(nèi)外彈道兼容匹配分析

現(xiàn)有中大口徑艦炮為全自動(dòng)火炮，彈丸裝藥量的增大雖為終點(diǎn)彈道對(duì)目標(biāo)的高效毀傷創(chuàng)造了條件，但后坐長(zhǎng)必須控制在一定范圍才能使艦炮完成自動(dòng)循環(huán)，同時(shí)彈丸內(nèi)彈道壓力又必須滿足現(xiàn)有中大口徑艦炮炮身強(qiáng)度設(shè)計(jì)。需通過(guò)與外彈道的相互匹配，才能最終確定水下彈丸的基本參數(shù)。

現(xiàn)有中大口徑艦炮射程為5 km時(shí)的彈道軌跡如圖4所示。由計(jì)算可知，現(xiàn)有彈藥射程為5 km時(shí)，存在高射角和低射角2種外彈道路徑。低射角時(shí)，飛行時(shí)間在8 s以內(nèi)，針對(duì)目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間短，末速度相對(duì)較大；但入射角僅為3.26°，對(duì)彈丸跨介質(zhì)入水不利。高射角時(shí)，入射角為86.49°，彈丸接近垂直入水，對(duì)彈丸跨介質(zhì)入水有利。但彈丸射高達(dá)16 km，飛行時(shí)間接近120 s，彈丸空中飛行時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法發(fā)揮火炮反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

圖4 現(xiàn)有中大口徑艦炮射程5 km時(shí)的外彈道對(duì)比Fig. 4 Comparison of external ballistics of existing medium and large caliber naval guns with a range of 5 km

在現(xiàn)有彈藥外彈道計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合彈丸毀傷威力與艦炮自動(dòng)循環(huán)等對(duì)內(nèi)彈道的要求，通過(guò)減小發(fā)射裝藥質(zhì)量和增大彈丸重量（同時(shí)為毀傷威力創(chuàng)造條件），減小了彈丸初速，在保證一定入射速度的情況下增大了彈丸的入射角度。由此計(jì)算優(yōu)化后的彈藥外彈道結(jié)果如圖5所示。

圖5 改進(jìn)前后的結(jié)果對(duì)比Fig. 5 Comparison of results before and after improvement

由計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化后的彈丸初速在500～550 m/s的范圍內(nèi)，低射角時(shí)，飛行時(shí)間在12 s以內(nèi)變化，比優(yōu)化前稍增大，仍舊能發(fā)揮艦炮反應(yīng)速度快的特點(diǎn)；入水速度在385～429 m/s的范圍內(nèi)變化，但仍舊滿足入水速度要求；入水角在6.5°～8.2°的范圍內(nèi)變化，向著有利于彈丸跨介質(zhì)入水穩(wěn)定性的方向變化。因此，對(duì)現(xiàn)有彈藥進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化后，其常規(guī)彈空氣彈道飛行軌跡可滿足跨介質(zhì)入水射彈的相關(guān)要求。

2.3 彈道飛行穩(wěn)定方式分析

彈丸的飛行穩(wěn)定性，是指彈丸飛行時(shí)其彈軸不過(guò)于偏離彈道切線的性能，飛行穩(wěn)定性越好，其射擊精度越高。一般彈丸的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分為旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定和尾翼穩(wěn)定。若要實(shí)現(xiàn)跨介質(zhì)射彈可靠毀傷目標(biāo)，必須保證空氣外彈道、跨介質(zhì)彈道和水中彈道均具有較好的穩(wěn)定性。

旋轉(zhuǎn)彈丸飛行穩(wěn)定性包括螺穩(wěn)定性、追隨穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性3部分。超空泡射彈在水介質(zhì)中航行的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)角速度是空氣中穩(wěn)定飛行所需旋轉(zhuǎn)角速度的近29倍[7]，彈體入水時(shí)要達(dá)到如此大的轉(zhuǎn)速是難于實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)相關(guān)研究表明，旋轉(zhuǎn)彈丸入水過(guò)程中由于自轉(zhuǎn)帶動(dòng)其周?chē)橘|(zhì)流動(dòng)，使其左右受力不均，產(chǎn)生馬格努斯效應(yīng)，從而使彈丸發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，同時(shí)常規(guī)尖拱形炮彈在落角小于10°時(shí)發(fā)生跳彈現(xiàn)象[10]。因此，尾翼穩(wěn)定形式更加適合跨介質(zhì)射彈。

小口徑水下射彈，大多采用尾翼穩(wěn)定形式，通過(guò)長(zhǎng)徑比較大的箭形彈并輔以尾翼，利用其頭部的銳角在高速入水時(shí)產(chǎn)生空泡，大大降低水阻力，使彈丸在水中可保持比傳統(tǒng)彈藥更好的彈道性能，且尾翼彈有更高的能量密度值，確保對(duì)魚(yú)雷的有效毀傷[11]。

圖6 小口徑尾翼穩(wěn)定超空泡射彈Fig. 6 Small-caliber tail stabilized supercavitating projectile

不同于小口徑射彈的動(dòng)能毀傷，中大口徑艦炮水下防御射彈，通過(guò)水下爆破實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效毀傷，因此彈體結(jié)構(gòu)完全不同于小口徑射彈。同時(shí)，中大口徑艦炮射彈進(jìn)行水下防御時(shí)，射彈跨介質(zhì)入水毀傷目標(biāo)時(shí)入射角度小，因此要實(shí)現(xiàn)彈丸全彈道特別是跨介質(zhì)入水運(yùn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性，需深入研究采用尾翼穩(wěn)定彈丸的小角度入水穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)彈丸相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定水下防御射彈所采用的布局結(jié)構(gòu)，研究彈丸質(zhì)心位置、空化器結(jié)構(gòu)等因素對(duì)彈丸跨介質(zhì)飛行穩(wěn)定的影響，從而可最終確定適合中大口徑艦炮跨介質(zhì)入水的最佳彈體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)中大口徑艦炮射彈小角度跨介質(zhì)入水的穩(wěn)定性。

3 中大口徑艦炮水下防御技術(shù)展望

隨著探測(cè)、信息化彈藥等技術(shù)的不斷發(fā)展，中大口徑艦炮水下防御作戰(zhàn)效能必將不斷提高。

圖7 艦炮射彈跨介質(zhì)穩(wěn)定入水過(guò)程Fig. 7 The process of naval gun projectile entering water stably across medium

1）聲吶技術(shù)、藍(lán)綠激光水下探測(cè)能力的不斷提高，留給艦炮武器系統(tǒng)預(yù)警的時(shí)間增加，將使中大口徑艦炮水下防御的射程不斷增大；

2）以彈道修正、末端導(dǎo)引等技術(shù)為代表的信息化彈藥技術(shù)的發(fā)展，可使中大口徑水下防御射彈的飛行彈道更加優(yōu)化，跨介質(zhì)穩(wěn)定性提高的同時(shí)，射彈的落點(diǎn)精度可大大提高；

3）結(jié)合彈藥智能毀傷技術(shù)，優(yōu)化水下防御射彈引戰(zhàn)配合模式，從而提高中大口徑艦炮水下防御射彈的毀傷能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)中大口徑艦炮進(jìn)行跨介質(zhì)水下防御具有較強(qiáng)的可行性?；诂F(xiàn)有中大口徑艦炮，對(duì)水下來(lái)襲目標(biāo)進(jìn)行中遠(yuǎn)程防御，能夠擴(kuò)展艦炮水下防御作戰(zhàn)能力、開(kāi)拓艦炮使命任務(wù)領(lǐng)域，為艦艇水下防御作戰(zhàn)提供硬殺傷手段。主要結(jié)論如下：

1）現(xiàn)有中大口徑彈丸水下爆距5 m時(shí)可產(chǎn)生16.1 MPa的沖擊波壓力，可對(duì)魚(yú)雷進(jìn)行有效毀傷。通過(guò)進(jìn)一步增大彈丸裝藥量、多發(fā)射彈水下爆破合成效應(yīng)，可進(jìn)一步提升毀傷半徑及毀傷能力。

2）在現(xiàn)有彈藥外彈道計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合彈丸毀傷威力與艦炮自動(dòng)循環(huán)等對(duì)內(nèi)彈道的要求，通過(guò)減小發(fā)射裝藥質(zhì)量和增大彈丸重量，減小了彈丸初速，在保證一定入射速度的情況下增大了彈丸的入射角度。

3）通過(guò)對(duì)彈丸相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定水下防御射彈所采用的布局結(jié)構(gòu)，研究彈丸質(zhì)心位置、空化器結(jié)構(gòu)等因素對(duì)彈丸跨介質(zhì)飛行穩(wěn)定的影響，從而確定了適合中大口徑艦炮跨介質(zhì)入水的最佳彈體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)中大口徑艦炮射彈小角度跨介質(zhì)入水的穩(wěn)定性。

4）隨著探測(cè)、信息化彈藥等技術(shù)的不斷發(fā)展，中大口徑艦炮水下防御作戰(zhàn)效能必將不斷提高。