舰炮也疯狂(二)

2020-09-21 08:35:27 兵器知识 2020年9期

涂林峰

远程对陆支援、打击,是大中口径舰炮的一个重要作战使命,而舰炮利用炮射制导弹药进行精确打击,也是发展趋势。在以前,为了精确打击远距离的岸上重要目标,许多国家的海军不得已而使用反舰导弹,如印巴战争中印度海军舰艇就曾用反舰导弹对巴方岸上重要设施进行突袭作战,并取得了战果。不过,导弹虽然射程远、威力大,但成本也很高。而且,水面舰艇装载反舰导弹的载弹量非常有限(一般只装载不到10枚,还要兼顾反舰作战)。美国人甚至考虑过专门设计一种“标准”导弹用于对陆攻击(即“标准”4,可用于近海火力支援。该项目最终无果而终)。而当大口径舰炮与远程制导炮弹的组合出现后,用于远程对陆精确打击时的效费比非常高。

从目前的发展现状看,舰炮用于对陆攻击的制导弹药包括三大类:弹道修正弹、制导炮弹和炮射巡飞弹。其中,弹道修正弹是在上世纪80 年代中期发展起来的一种新型制导弹药,结构和技术相对简单,效费比较高。

美国“标准”4导弹的末端俯冲弹道

常规炮弹引信

弹道修正弹是怎么回事?

弹道修正弹,就是指炮弹在发射之前,根据探测到的炮位坐标(己方舰炮的位置)、目标的位置坐标等信息预先为炮弹装定好初始弹道信息。炮弹在发射后,舰炮系统通过传感器探测弹丸在空中的飞行姿态(包括方位、高度和速度矢量信息),获取弹丸的实时飞行弹道,将此弹道与预先装定的理想弹道进行比较(理想弹道就是指当弹丸沿此弹道飞行时即可准确命中目标,可通过火控系统计算后获得),然后根据两者的偏差,发出指令通过弹上的修正机构进行距离或方向的修正,使弹丸沿着理想弹道飞行。为了简化修正难度,这种弹道修正在炮弹的全飞行弹道上可以只进行数次修正,这与导弹和制导炮弹等其它制导武器有较大的区别。后者在各个制导段一般都可以连续控制,都具备持续不断的“弹道修正”能力。由于弹道修正弹对飞行中的弹丸只能进行有限的弹道修正,因此它不像导弹那样能实现对目标的“百发百中”,只是可以减小弹丸的散布,使连射的多发炮弹能够落在以目标为中心的一个较小的范围内。因此弹道修正弹的攻击对象是“面”目标,它仍然需要同时发射多枚炮弹来覆盖目标区域,只不过相比传统的常规炮弹,弹道修正弹需要的射弹数量要少。

弹道修正弹的概念早在上世纪70年代就已经提出。随着微电子技术和导航器件的发展,特别是GPS装置的小型化和成本降低,上世纪90 年代起,国外掀起了低成本弹道修正弹的研制热潮,美国、俄罗斯、英国、法国、德国、意大利、以色列等国均对弹道修正弹给予了足够的重视。弹道修正装置能完全装在原来炮弹的引信腔内,普通炮弹只需将引信拆下,换上弹道修正模块即可变为弹道修正弹。这种弹道修正模块也被称为“弹道修正引信”,原理与普通炸弹通过增加制导组件而成为精确制导炸弹的方法非常相似。

弹道修正弹可分为一维弹道修正弹和二维弹道修正弹。一维弹道修正技术只能对炮弹进行纵向距离的修正,二维弹道修正技术既能进行距离的修正,又能进行方位的修正。通俗点就是,一维弹道修正只能对炮弹的射程远近进行修正,不能改变炮弹的飞行方向;二维弹道修正既能改变炮弹的射程,又能改变炮弹的飞行方向,在纵向和横向二维弹道上都能进行修正。

弹道修正引信组件

幾种不同外观形式的阻力器结构示意图

弹道修正引信阻力修正机构打开前后示意图

一维弹道修正弹

一维弹道修正技术是弹道修正弹的初级发展阶段。它的工作原理是“打远修近”,即瞄准离目标更远的一个点,炮弹在发射后,当需要进行弹道修正时,通过改变弹丸的飞行阻力从而对纵向弹道进行调节,使修正弹道后的炮弹落点比最初设定的瞄准点更接近目标。可见,一维弹道修正弹是通过牺牲一定的射程来实现对炮弹的纵向弹道进行修正的,即射击瞄准点需要超出目标一定的距离。而瞄准点的选择也是有讲究的,如果距离目标过远,不但炮弹的射程损失更大,而且需要修正的量也过大,对控制机构要求更高;如果距离目标过近,则进行距离修正的余量就更小,可能会使修正精度下降甚至无法进行修正。

一维弹道修正弹的关键气动部件是阻力器。阻力器可以有多种外观形式,包括环形阻力器、桨形阻力器、伞形阻力器、花瓣式阻力器等。在炮弹发射和飞行的初期阶段,此时不需要弹道修正,弹丸的飞行弹道与常规炮弹无异。这个时候的阻力器被锁定机构锁住,还未展开,炮弹弹丸的气动外形也与常规炮弹一致。当需要对弹丸飞行弹道修正时,控制机构发出指令,释放并展开阻力器,使弹丸的飞行阻力增大,从而可以由远往近对弹丸进行射程上的修正,提高对目标的命中精度。需要注意的是,阻力器展开的时机是非常关键的,将直接影响弹道修正的效果和精度。阻力器展开后是无法再收回去的,一旦展开就会一直对飞行中的弹丸产生阻力效应,直到弹丸落地。因此只有当阻力器在最合适的时机展开时,才能保证弹道的修正能够达到最高的精度。

那么,应当如何确定阻力器的最佳展开时机呢?弹道修正,需要实时测量炮弹弹丸在空中飞行的实际弹道,然后与预先装定的理想弹道比较,根据偏差大小,命令弹上的修正机构进行距离或方向上的修正。获取理想弹道,关键在于对目标坐标的精确探测和测量,这主要通过其它的外部作战平台或设备实现,如侦察机、无人机、侦察卫星,或前线作战人员的目标定位侦察等等,与舰炮系统本身的关系不大,通常情况下舰炮系统只需要具备接收外部信息的能力即可。获得了目标的具体位置信息,舰炮的火控系统就可以计算出理想弹道。但对于炮弹弹丸的飞行弹道进行实时测量,通常需要依靠发射舰艇平台上的传感器和火控设备来实现,由舰上跟踪雷达对发射后的炮弹弹丸进行实时跟踪和数据处理,从而测出炮弹弹丸的实际飞行弹道。舰上火控系统将弹丸的实际弹道参数与理想弹道参数进行比较,计算出修正指令,通过指令发射装置将修正指令发送给飞行中的炮弹弹丸,使炮弹弹丸在一个最合适的时机展开阻力器,从而对纵向弹道进行修正。为了使舰炮系统在连发射击时,也能对空中飞行的多枚炮弹同时发送指令,并且多个指令不会被其它炮弹误接收,还需要对发射的不同指令信号进行编码,并确定连射时的指令识别方案。

现代海军舰艇上通常配备了各种功能齐全的探测装置和火控设备,舰上跟踪雷达往往还具备同时跟踪、测量多发炮弹弹丸的飞行弹道的能力,并可同时对多发弹丸发送修正指令,其在持续测量时间、弹道参数测量误差、弹道跟踪距离等指标上都非常出色,这可以很好地保证弹道修正的效果。

一维弹道修正弹的典型代表是法国SAMPRASS和SPACIDO项目。法国为现役155毫米炮弹研制了两种不同的一维弹道修正引信,两者采用了相同结构的三片花瓣式阻力器。其中,一种弹道修正引信称作SAMPRASS(“地面火炮精度改进系统”),是一种基于GPS定位的一维距离修正系统。虽然它具备了GPS定位能力,但不能自主工作,因为引信接收到的GPS定位数据必须转发给地面系统的火控计算机,由地面的火控系统进行计算后发出指令,指示弹道修正引信在合适的时机展开阻力器,进行弹道修正。另一种弹道修正引信称作SPACIDO(“采用多普勒测速仪提高精度的系统”)。这是一种非GPS方案,它依靠地面的多普勒雷达测量空中飞行的炮弹弹丸的飞行轨迹和速度变化,然后计算出阻力器展开的最佳时机,并发出指令。这个方案的炮弹弹丸自身不具备任何测量能力,实际弹道的测量工作完全由地面雷达来完成。

安装在105毫米和155毫米炮弹上的美国ATK公司研制的PGK 二维弹道修正引信组件

二维弹道修正弹

二维弹道修正弹,不但要求炮弹弹丸要具备更高的气动控制能力,也对弹丸飞行时的弹道测量和姿态测量提出了更高的要求,除了对弹丸在飞行过程中的位置和速度的测量,还要实时测量弹丸的飞行姿态信息(包括俯仰角、偏航角和滚转角)。这就要求炮弹自身必须要具备一定的测量能力,而不能仅仅依靠地面雷达,这增大了二維弹道修正弹的结构复杂程度。舰炮的二维弹道修正弹的系统组成往往既包括舰上设备,也包括弹载设备,需要两者的合作才能实现二维弹道修正。舰上设备(包括舰炮发射装置和火控系统)的作用主要体现在炮弹发射之前的准备工作上,炮弹在发射之后则主要依赖弹载设备进行实时的位置测量和姿态测量,并由弹上火控解算模块进行计算和修正指令的生成。目前的二维弹道修正的主要技术途径是利用GPS定位技术,通过GPS定位装置来实时测量炮弹弹丸飞行时的空间坐标和速度,并通过弹上控制模块解算出炮弹弹丸的落点偏差,以形成修正指令,然后利用修正机构对弹道横向和纵向落点偏差进行修正,从而提高炮弹的打击精度。炮弹在发射之前需要由舰上火控系统根据获取的目标位置坐标数据以及本舰的位置信息,完成射击诸元的解算,并生成装定信息,通过炮上感应装定装置为炮弹装定信息,炮弹在获取初始信息后即可发射。

基于GPS定位的二维弹道修正技术,弥补了一维弹道修正弹的不足,而且由于弹载GPS定位装置可以在弹丸的全程飞行过程中对空间位置和速度进行测量,速度测量精度高(误差不大于0.15米/秒),因此二维弹道修正技术不仅可以提高弹丸落点的横向密集度,还可以进一步提高纵向密集度。尽管二维弹道修正弹与真正的制导炮弹相比,其精度仍然存在一定的差距,但它的最大优势体现在成本上,因此二维弹道修正弹的发展前景也是非常看好的。此外,与一维弹道修正弹相同,基于卫星定位技术的二维弹道修正组件也可以直接用于对现役大口径常规炮弹的改造,以较小的投入即可使常规炮弹的作战效能获得较大幅度的提高,这对于各国海军来说无疑是一大利好消息。

不过,光有GPS定位装置还不够,它只能给飞行中的弹丸提供位置和速度信息,却不能提供飞行姿态信息。而获取弹丸的实时飞行姿态信息也是二维弹道修正弹的关键技术之一。弹丸的姿态信息主要包括俯仰角、偏航角和滚转角。其中,滚转角是姿态信息中变化相对最为显著、也是最重要的一种信息。因为炮弹的弹道修正机构需要确定弹丸的滚转角度后才能进行正确的操作,否则弹丸的飞行轨迹将在三维空间内产生严重的偏差。一种最常见的姿态测量装置就是IMU(惯性测量单元),它通常与GPS同时使用。其中,GPS负责预测弹丸的落点,与目标的坐标进行比较后得到弹道偏差信息;IMU负责对弹丸的飞行姿态进行测量,得到弹丸的姿态信息后,将两者检测到的信息传给弹上火控模块生成修正指令,再通过控制装置对弹丸的飞行状态修正。IMU,可以分为加速度计测量技术和陀螺仪测量技术两种,两者通过不同的方式对弹丸飞行状态测量。加速度计和陀螺仪在测量效果上有互补性,配合使用效果更好。

正在发射的美国“爱国者”PAC-3反导拦截弹

那么,二维弹道修正弹采用什么控制装置来修正弹丸的飞行姿态呢?目前,二维弹道修正弹主要采用阻力器、脉冲发动机和鸭舵三种执行机构来修正弹丸飞行状态。其中,阻力器前文已介绍,是弹道修正弹最早采用的一种机构,设计相对简单、易于实现,因此被一维弹道修正弹大量采用。但要同时实现纵向和横向的二维修正效果的话,就要采取组合式二维弹道修正技术,这就需要配备多种不同作用的阻力器。这里以美国研制的“弹道修正引信”(CCF)为例。它以M782炮兵引信为基础,加装了三个空气动力修正机构,包括小阻力片、减旋翼片和主阻力片。在炮弹发射后,CCF接收GPS信号,通过弹道解算,在初始段打开小阻力片,进行纵向距离的初始微修正;在弹道中段时打开减旋翼片,进行弹道的方向修正;在弹道末段时打开主阻力片,进行最终的纵向距离修正。该方案不需要对弹丸进行连续不断的制导,只在三个不同时刻分别对弹丸起到减慢转速或产生阻力的作用,并实现对距离和方向的二维修正,效费比较理想。试射后的结果表明,炮弹在使用CCF引信后的射击精度达到了50米以内。虽然这个精度仍不足以对“点”目标进行精确打击,但其精度已远优于目前的常规炮弹。

美军士兵正在为155毫米炮弹安装LR PGK远程弹道修正引信组件,可以看出LR PGK的尺寸要比普通引信大许多,上面还有鸭舵

脉冲发动机,也可以用于二维弹道修正控制,就是在炮彈弹体的质心处(或质心附近)布置若干个微型脉冲固体火箭发动机。这种微型脉冲发动机也可以在导弹和火箭弹上见到,起矢量控制的作用,如美国“爱国者”PAC-3反导拦截弹就配备了180个微型脉冲固体火箭发动机。按脉冲发动机在弹体上布置位置的不同,可分为力操纵方式和力矩操纵方式两种。力操纵方式是将脉冲发动机布置在弹体的质心处,而力矩操纵方式则将脉冲发动机布置在弹体质心前后的一段距离内,在控制力作用的同时产生控制力矩。采用脉冲发动机的弹道修正弹可以在距离和方向上对弹道进行修正,脉冲发动机的大小、个数、布置位置以及工作时间等都对修正能力有影响。脉冲发动机的优点是成本低、结构简单。但由于它在很短的时间内就能改变弹丸的飞行状态,所以对精度要求较高,在高速旋转的弹丸上较难实现。美国、俄罗斯、瑞典、以色列等国,都对采用脉冲发动机进行修正的炮射制导弹药技术抱有极大的兴趣。

第三种控制方案是采取鸭舵结构。鸭舵是通过改变弹丸的气动受力状况来实现弹道修正的,一般安装在引信与弹丸的结合部,可分为升降舵、方向舵和差动舵,分别用于控制弹丸的俯仰、方位和稳定。鸭舵的优点是驱动灵活、适应性强,可以对弹丸进行持续修正,是包括制导炮弹在内的各种炮射制导弹药的重要发展方向。鸭舵舵翼的展弦比越大,就能提供更大的升力和偏航力,也就意味着更好的控制效果。但对于各种类型的制导炮弹来说,其翼面和舵面在发射前都折叠在弹体内,因此又要求将舵面的尺寸和体积控制的尽可能小。这是一个矛盾,必须在设计时加以综合考虑。