1.   引言

作为导弹的有效载荷，战斗部是对目标实现终端毁伤的核心组成部分，其毁伤效率决定着武器系统的作战效能。随着现代航空航天技术的不断发展，固定翼飞机、战术导弹和武装直升机等空中目标的威胁不断升级。由于这些目标均具有速度高、机动性强、无重型装甲防护的特点^[1]，因此，为了弥补导弹命中精度方面的不足，提高杀伤面积，空空导弹通常使用破片杀伤为主的战斗部结构。另一方面，将定向毁伤技术和破片杀伤模式相配合，可以进一步提高对空导弹的终端威力^[2]。定向战斗部可以根据具有识别目标或目标要害部位脱靶方位能力的引信选定方位，通过转动、形变战斗部或者对战斗部装药起爆实施定向控制等方式控制其威力诸元在弹体径向和周向上的集中飞散，从而提高战斗部的杀伤威力和毁伤概率^[3]。定向战斗部技术的研究起源于20世纪60年代末，20世纪70年代初期Talley^[4]提出了多列雷管偏心引爆定向战斗部，通过导线与控制盒来连接近炸装置进行起爆雷管的选择，来实现定向杀伤；Kempton^[5]首次采用二次起爆技术，提出了外装药内壳体的设计方案，以此增加目标方向的破片密度；1991年Menz等人^[6]提出爆轰成型定向战斗部，同样利用二次起爆技术，获得了较大的定向飞散破片流，增强了对目标的攻击威力。到目前为止，偏心起爆式、破片芯式、可变形和随动式等类型的定向战斗部在国外已经得到了应用^[7-8]，已经服役的型号包括俄罗斯的P-77、美国的AIM-120C-5/7以及欧洲国家的“天闪”、“西北风”、“米卡”等空空导弹^[1]。我国对定向战斗部技术的研究起步相对较晚，直到20世纪80年代末才陆续开始，20世纪90年代初冯顺山等人^[9]对偏轴心起爆破片初速的径向分布规律进行了研究；龚柏林等人^[10]采用Lagrange算法研究了D型双层壳体预制破片战斗部的破片飞散特性，并于2009年至2010年间利用变形面理论模型，准确地预测了分析弹体的变形型面^[11]。然而，这些研究主要集中在偏心起爆和爆炸变形定向战斗部方面，破片数目增益也远远小于国外水平^[12-13]，关于新型定向战斗部的研究则较少。近年来，李向东等人^[14]提出了滑块式定向战斗部技术，通过驱动火药引燃产生气体，推动破片滑块向目标方向集中，从而增加目标方向上的破片数目增益。其实早在1976年，David等人^[15]便提出了一种可变形战斗部，通过机械展开动作使破片全部位于目标方向上，我们称之为展开式定向战斗部，其较高的破片利用率正是解决空空导弹在结构尺寸与质量等限制条件下提高终端毁伤威力的有效技术，对缩小我国与国外在定向战斗部技术上的差距有着重要的意义。

本工作根据展开式定向战斗部的作用原理及结构组成，设计加工实验原理样机，并进行战斗部实验研究，利用高速摄影技术记录主装药部分在爆炸载荷作用下的定向展开过程，研究驱动药加载量对战斗部展开时间的影响以及不同驱动药加载方式与主装药部分展开状态的关系，验证展开式定向战斗部原理样机设计的合理性与可靠性，以期为展开式定向战斗部实现定向展开与破片毁伤一体化设计和进一步优化驱动药加载方案提供参考。

2.   展开式定向战斗部的作用原理

展开式定向战斗部由主装药、固连装置、破片层及上下端盖等部分构成，其作用原理如图 1所示，毁伤过程可以概述如下：4个主装药由4组固连装置连接为一体，引信确定目标方位后，起爆控制系统引爆固连装置中小型装药，切断与目标方向相反方向的一组固连装置，使相邻战斗部断开位置呈无约束自由端，同时引爆控制主装药展开动作的驱动药，推动4个主装药以剩余3组固连装置为轴朝目标方向定向展开，当主装药展开角度到达90°时起爆主装药驱动破片集中朝目标方向高速飞散，实现对目标的高效毁伤。通过对展开式定向战斗部毁伤原理的分析，可以看出，主装药在爆炸载荷作用下能否实现定向展开以及在展开过程中结构是否完整是影响战斗部终端毁伤效果的关键因素。

图  1  展开式定向战斗部毁伤原理

Figure  1.  Damage principle of spreadable aimed warhead

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3.   展开式定向战斗部的结构设计及实验方法

3.1   结构设计

设计的展开式定向战斗部的结构模型如图 2所示。主装药部分为不规则五边形壳体，壳体两直角边设计有片状驱动药装药槽，内部掏空作为主装药槽。为了避免驱动药起爆时引起主装药殉爆，驱动药装药槽与主装药槽之间的壳体具有一定厚度。壳体上、下端面以端盖密封，壳体外侧为金属破片。作为战斗部展开过程中的主要连接控制部件，固连装置不仅要保证主装药部分在展开过程中的连贯性与完整性，而且还要限制展开角度。因此固连装置设计为双页片铰链机构，两页片轴向分别刻以凹槽与凸槽，并由铰链轴串联，以限制轴向位移；并且凹凸页片固连于相邻壳体同侧，当主装药部分展开角度达到90°时，两页片发生碰撞，实现角度控制功能。

图  2  展开式定向战斗部模型

Figure  2.  Spreadable aimed warhead model

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主装药壳体与上、下端盖的加工材料选用LY12高强度铝合金。由于该材料具有密度较低、韧性好、且易加工的特性，不仅可以降低战斗部总质量，避免导弹质量超载，而且还可以通过恰当设计有效地降低驱动药起爆引起的主装药的殉爆几率。作为主要的连接部件，铰链结构需要选择强度大、硬度高且不易变形的材料，实验时采用45钢，以保证铰链结构在剪切或拉伸状态下不发生断裂。传统的预制破片一般选用高强度的钨合金球或钢球，但是，由于本实验不考虑破片的毁伤效果，故可以采用一定厚度的45钢板代替。材料的主要参数见表 1，其中σ_0.2为有效屈服极限，σ_b为拉伸强度，δ为伸长率。

表  1  材料参数

Table  1.  Material parameters

Material	ρ/(g/cm3)	σ0.2/(MPa)	σb/(MPa)	δ/(%)
LY12 Al	2.71	≥265	≥410	≥12
45 steel	7.85	≥356	≥600	16

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展开式定向战斗部实验中使用的原理样机如图 3所示。由于实验主要研究主装药部分的定向展开过程，因此只装配有3组铰链，剩余一端设置为自由端，上、下端盖与铰链通过螺钉与壳体紧固。主装药以等效质量的木粉、沙子和石蜡加热混合而成的配重替代。驱动药填充于图 3(a)中左右两个装药槽中(实验过程中上下装药槽未填充驱动药)，并且装药量可以根据实验需要进行调节。为了表述方便，定义靠近自由端的装药槽为外部装药槽，另一端为内部装药槽。驱动药由导爆索连接8号雷管同步起爆。实验样机的直径为160 mm，轴向高度为220 mm，装配完成后的总质量为14.7 kg。

图  3  展开式定向战斗部原理样机

Figure  3.  Prototype of spreadable aimed warhead

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3.2   实验方法

高速摄影技术是爆炸撞击等实验研究中最常用的诊断方法之一。与一般摄影技术相比，高速摄影技术具有较高的时间分辨本领，能够对拍摄目标的快速变化过程进行跟踪和记录^[16-17]。由于高速摄影技术在摄影频率、曝光时间等方面的优越性，目前该技术已经广泛应用于各种常规战斗部实验中，如常规战斗部的穿甲、弹道和飞行姿态的研究，并获得了良好的效果^[18]。为了准确地观察与分析展开式定向战斗部的动态展开过程，实验中使用奥林巴斯Ⅰ-speed 3高速摄影仪进行观测。该摄影仪的最高分幅率为150 000幅/秒，实验中分幅率设定为10 000幅/秒，即拍摄精度为0.1 ms。所录制画面以数据文件格式储存于计算机内，可以通过专门的软件对图像进行读取和分析。实验装置布局如图 4所示，高速摄影仪放置于一定高度的支撑平台上，与战斗部的间距为10 m。这种布局一方面可以保证主装药部分的展开方向与镜头保持水平，另一方面也可以避免由于地面摩擦而引起的结果失真。此外，为了保证拍摄过程中图像的清晰度，在距离战斗部2 m处还放置了高速鼓风机。

图  4  实验布局

Figure  4.  Experimental setup

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4.   实验结果分析

根据内、外装药槽中装药质量的不同，共进行了3组实验，实验结果如表 2所示。其中m_total为驱动药总质量，t为展开时间。可以看出，实验中战斗部的展开时间均在15 ms内，并且随着驱动药质量的增加而减小，最短的展开时间为8.7 ms。根据战斗部引信延迟时间的要求^[19]，迎头攻击状态下，展开时间需控制在0.461~13.484 ms；追尾攻击状态下，展开时间需控制在0.657~21.521 ms。由此可见，3组实验均满足引信对展开式定向战斗部延迟时间的一般要求。

表  2  战斗部展开时间

Table  2.  Spread time of the warhead

No.	mtotal/(g)	t/(ms)
1	15	14.7
2	16	12.6
3	21	8.7

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图 5为第1组展开实验中高速摄影设备记录的图象，记录总时长为17 ms。取中间铰链为中轴线，并将4个主装药体分别标定为1、2、3、4号，如图 5(i)所示。实验过程中，驱动药起爆后产生大量能量并发出强烈黄光，在爆轰产物的作用下，主装药部分关于中轴线对称展开。在6 ms之前，2、3号主装药的展开动作较为明显，而1、4号主装药则基本保持初始位置，展开动作并不明显，如图 5(a)~5(b)所示；在6~17 ms，1、4号主装药发生明显的展开，而2、3号主装药则基本保持稳定，如图 5(d)~5(i)所示；最后，战斗部完全展开，壳体外侧的破片层处于同一平面，展开动作停止。由此可见，4个主装药部分的展开动作是相互协调进行的，爆轰载荷下战斗部的定向展开是一个复杂的过程。

图  5  展开式定向战斗部定向展开过程

Figure  5.  Directed spread process of spreadable aimed warhead

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观察自驱动药起爆到战斗部完全展开整个过程，各组成部件没有发生分离，且在一定时间内保持了完全展开状态，由图 6中的实验回收结构也可以看出，壳体与铰链机构没有发生破坏，各个主装药部分之间的展开角度控制在90°左右，说明铰链机构不仅保证了战斗部在展开过程中的完整性，还实现了对展开角度进行控制的功能。

图  6  实验后回收的结构

Figure  6.  Recycled experiment structure

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3组实验分别采用了3种不同的驱动药加载方式，将1号与2号主装药的夹角定义为α，2号与3号主装药的夹角定义为β，由于对称关系，3号与4号主装药的夹角也为α。因此，1、4号主装药的展开状态由α决定，而2、3号主装药的展开状态由β决定。图 7为战斗部一般空间位置，由于各主装药关于x轴对称，故只需分析y轴正方向即可，其中L₁为两相邻铰链轴之间的直线距离，L₂为铰链轴到上端盖标定点的距离，这两个数据通过对原理样机测量得到；a、b分别为L₁、L₂在y轴上的投影长度，相关数据通过高速摄影记录图像获取。根据图 7中的几何关系，可以得到α和β的表达式如下

图  7  战斗部的一般位置

Figure  7.  General position of warhead

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式中:θ=arcsin(a/L₁)，γ=arcsin(b/L₂)。

设m_inside和m_outside分别为内部和外部装药槽中的驱动药质量，根据m_inside和m_outside取值的不同可知，3组实验分别对应于等药量、外多内少、外少内多3种加载状态。由(1)式和(2)式计算得出α和β的变化情况，并对结果进行曲线拟合，如图 8所示。分析可得，不同加载方式下，战斗部的展开过程如下。

图  8  角度变化曲线

Figure  8.  Variation curves of spreading angles

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(a) 等药量加载

根据α、β曲线斜率的变化情况，可以将展开过程分为3个阶段，并且两曲线的阶段划分基本一致。3个阶段α的增幅分别为37.2°、13.4°、42.4°，平均角速度分别为130、47、146 rad/s。β的角度增幅分别为21.3°、46.1°、22.6°，相应的平均角速度分别为74、161与84 rad/s。等药量加载下，α曲线呈“S”型，β曲线呈反“S”型，第1、第3阶段与第2阶段的角度变化差别较大。

(b) 内多外少加载

仍然可以将展开过程划分为3个阶段，但是两曲线的阶段划分不一致，如图 8(b)所示。3个阶段α的增幅分别为63.9°、7.9°、18.2°，平均角速度分别为185、46及88 rad/s。β增幅分别为14.8°、72.1°、3.1°，相应的平均角速度分别为80、171与34 rad/s。由此可知，相比于等药量加载，该加载方式下第1阶段的α角和第2阶段β角的变化最明显，使得主装药展开过程分段明显。

(c) 外多内少加载

可将展开过程分为两个阶段，其中α、β曲线分别以α=62°、β=88.8°为分界点。两个阶段中，α的平均角速度分别为180与162 rad/s；β的平均角速度分别为194和21 rad/s，且在第1阶段基本线性增加。该加载方式下，两条曲线上升趋势基本一致且速度相差不大，即各主装药近似同步展开。

为了同时起爆主装药，降低起爆触发装置的设计难度，理想展开方式应为4个主装药部分同步展开，即α、β具有相同的增幅和角速度。根据上述分析，驱动药外多内少的加载方式最好。

5.   结论

通过对展开式定向战斗部原理样机的展开实验测试及高速摄影记录数据分析，得到了以下结论：(1)所设计的展开式定向战斗部原理样机结构合理可靠，实现了在爆炸载荷作用下主装药部分的定向展开动作，并且保证了良好的结构完整性与角度限制功能；(2)水平加载驱动药可以实现主装药部分的完整展开，且随装药量增加展开时间不断缩短；(3)外部装药槽中驱动药多于内部装药槽的加载方式更有利于各主装药的同步展开，还可以有效降低起爆触发系统的设计难度。