超空泡射弹火炮武器应用现状研究

姚 忠 ，王 瑞 ，徐保成

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

超空泡射弹火炮武器应用现状研究

姚 忠 ，王 瑞 ，徐保成

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳712099)

超空泡减阻技术作为一种革命性减阻技术，应用于火炮武器领域后，可使火炮武器系统具备水下作战能力。通过分析国外超空泡射弹火炮武器的发展现状，对超空泡射弹火炮武器反水雷作战的技术优势及其应用前景进行了探讨，分析了超空泡射弹火炮武器研制过程中的关键技术。超空泡减阻技术将实现火炮武器水下作战跨越式发展，对未来水下近程防御作战方式和装备发展产生革命性作用。

超空泡射弹火炮武器；超空泡减阻技术；反水雷

随着新技术的发展与应用，现代海战对海军各类攻防武器装备提出了新的要求，大量的弹箭武器打击范围已经从空中、水面延伸到水下。水下高速弹箭武器隐蔽性好、突击能力强，该类武器己成为各国海军武器装备的发展重点。由于水的密度远大于空气密度，常规弹丸在水中运动时所受到的阻力是空气中的800倍左右，因此常规弹丸在水中航行时速度衰减很快，同时常规弹丸无动力系统和控制系统，弹丸难以达到预期攻击效果。另外，弹丸高速入水是一个跨介质过程，常规弹丸入水后一般是不稳定的。

俄罗斯“暴风雪”超空泡鱼雷航速是传统鱼雷的3～5倍，最大航速可以达到200m/s，它的问世震惊了世界。该型鱼雷就是利用超空泡减阻技术成功实现水下高速航行，该原理的成功应用为常规弹丸水下减阻航行提供了新的发展思路。

1 组成及原理

超空泡射弹火炮武器一般由探测系统、火力系统、弹药系统、火控系统及辅助系统等组成，它与常规火炮武器最大的不同点是其弹药系统。常规火炮发射的弹丸仅能在空中稳定飞行，难以在水中形成有效的射程；而超空泡射弹火炮武器发射的超空泡射弹能够高速稳定入水，入水后形成超空泡，利用超空泡在水中减阻航行，实现水中高速、远距离航行，有效摧毁水下目标。

超空泡射弹实现水下减阻的基本原理是超空泡技术。根据伯努利原理可知，当物体在水中高速航行时，围绕物体流动的液体压力会降低。随着速度的增加，液体的压力降低至水的饱和蒸汽压时，液体发生相变，由液体变为气体，形成空泡[1]。物体速度进一步增大时，空泡发展成为超空泡，将物体大部分包裹。在空化理论与应用研究中，通常利用空化数σ来描述空化现象的起始和状态，是空泡流动的一个重要的相似参数，其定义为

(1)

式中：p∞为来流压力;pc为空泡内压力;ρ为液体密度;v为物体速度。

根据超空泡形成方式不同，分为自然超空泡和通气超空泡，自然超空泡主要是通过增加物体航行速度或减小来流压力的方法实现，通气超空泡主要是通过增加空泡内压力实现。超空泡鱼雷就是利用通气超空泡实现减阻航行，而超空泡射弹是利用自然超空泡实现减阻航行，其水中航行速度可达到1000m/s量级，空化数可达到10-4量级。针对常规火炮弹丸进行特殊的外形设计，使弹丸在水下航行时快速生成自然超空泡，超空泡将弹丸大部分包裹，只有弹丸头部和部分表面与水接触，如图1所示。

在这种航行状态下，与弹丸接触的介质由水变为气体，由于气体的密度仅为水的1/800，因而弹丸的航行阻力将大幅度降低，总阻力系数降低约一个数量级。相关研究表明，带空泡航行模式下，弹丸将获得90%以上的减阻量，使弹丸在水中能够持续高速航行，实现较大的水下航程，具备水下作战能力[1-3]。

2 发展现状研究

由于超空泡射弹火炮武器的技术优势和军事应用前景，世界主要海军强国都在发展基于超空泡减阻技术的超空泡射弹武器，主要集中在大尺度的超空泡鱼雷和小尺度的超空泡射弹火炮武器，在超空泡鱼雷方面，俄罗斯已研制了100m/s量级的超空泡鱼雷，美国、德国也正在开展超空泡鱼雷研制工作。

在超空泡射弹火炮武器研究方面，最典型、最成功的是美国诺斯罗普·格鲁门公司研制的机载快速灭雷系统(RAMICS)，如图2所示。该系统由蓝绿激光探测系统、30mm火炮分系统、弹药分系统、火控分系统和辅助支援分系统组成，安装在MH-60S直升机上，发射一种特殊的尾翼稳定超空泡穿甲弹，弹丸斜射入水形成超空泡，利用动能破坏目标水雷。

美国自上世纪80年代就开始进行机载快速灭雷系统的单项技术研究工作。2000年，美国海军在阿伯丁试验中心进行了超空泡射弹水弹道试验。2002年，美国在海上固定平台开展海上实弹射击试验，试验表明：武器系统成功命中水下12m水雷目标后，能够立即将其毁伤；命中13～46m水深的水雷目标后，目标约在4min内失效并开始下沉；对于47～61m水深的水雷也能够击沉。2003年，该武器进行了初步的摸底试验。2004—2005年，美国完成了机载快速灭雷系统的系统集成演示验证，探测系统探测到水雷后，机载火炮发射的超空泡射弹成功摧毁试验水雷。美国海军已于2007年进行了机载快速灭雷系统装备部队使用和评估，形成初始作战能力[4-5]。

除了研制RAMICS以外，美国还在研制一种使用自适应水下高速弹药(AHSUM)的全水下火炮系统，用于水面舰艇近程防御，如图3所示。该系统由火炮在水下发射AHSUM，可装备在水面舰船的水下部分或潜艇上，构成水下“密集阵”系统，保护舰船和潜艇免于鱼雷或水雷的威胁。

挪威DSG防务公司主要开展了超空泡射弹弹药研究。在2012年火炮年会上，展示了一种超空泡射弹，其口径序列有5.56、7.62、12.7、20、30、40mm，其部分口径的弹药外形图如4所示，并计划发展到155mm，以获得更有效的杀伤。该超空泡射弹对发射系统没有特殊要求，使用制式装备即可发射，最小稳定入水角可以达到2°左右，并且这种超空泡射弹还可以利用水下火炮武器从水下向空中发射。DSG防务公司利用30mm次口径超空泡射弹进行了反鱼雷测试，鱼雷采用324mm口径的MK46鱼雷，射弹在水中航行125m，成功命中毁伤水雷，击中情况如图5所示。

国内相关单位也开展了超空泡射弹火炮武器技术研究，在超空泡射弹火炮武器火力系统方面，针对火力系统进行了发射超空泡射弹适应性和可靠性改进。在超空泡射弹研究方面，研究了超空泡射弹流体动力特性与弹道特性，并利用超空泡射弹火炮武器火力系统及超空泡射弹开展了相关试验研究。目前还没有见到超空泡射弹火炮装备的报道。

3 反水雷作战的技术优势及应用前景

超空泡射弹火炮武器发射的超空泡射弹，材料一般为钨合金，根据穿甲经验公式计算，超空泡射弹穿透8mm的铝合金水雷壳体临界速度约为100m/s，从美国的毁伤试验来看，超空泡射弹水中航行一定距离后能够保证足够的存速来毁伤破坏水雷，使其失去战斗力。

超空泡射弹火炮武器作为一种新概念武器，将其安装在直升机上，可对水雷进行直接命中毁伤，形成一种新原理反水雷武器，可弥补扫、猎、破、炸等传统反水雷手段反应速度慢、作战效率低、安全性差等不足，从而提高我海军对漂雷、浅水水雷的扫除能力与效率。除机载安装平台以外，未来超空泡射弹火炮武器还可以安装在大型舰艇舰面、水下无人潜航器和遥控扫雷艇的水线以下，遂行舰艇编队航行及重要区域巡视时执行反水雷任务。总之，超空泡射弹火炮武器可为我航母编队等海上机动编队提供建制式反水雷装备，有效弥补水面舰艇编队建制式反水雷的能力不足。还可与其他扫雷、猎雷装备一同使用，以快速、安全清除浅水水雷为主要使命任务，取长补短，形成体系作战能力。与我海军目前的反水雷装备相比，其技术优势主要体现在以下几个方面[6]。

3.1反水雷作战响应速度快

直升机良好的机动性可以提高反水雷快速反应能力，既可配装于专业反水雷部队在岸基或舰基对沿海重要水域实施快速反水雷作业，也可作为建制反水雷装备由舰艇平台搭载，伴随水面舰艇编队跨海区机动作战。在战时紧急情况下具备开辟应急通道的能力，从而在一定程度上满足“反制水雷封锁”及“登陆破障”等反水雷作战需求。

3.2反水雷作业安全性高

反水雷舰艇在浅水海域对定深较浅的水雷目标实施作业时，舰艇自身受水雷威胁风险较大。机载超空泡射弹火炮武器系统具备在浅水区快速毁伤水雷的能力，是一种非接触作业方式，反水雷的安全性大大增强。

3.3反水雷效费比高

一枚水雷的价格在数万到数十万美元，而一具大型灭雷具的价格在100～600万美元，因此无论是扫雷舰艇还是灭雷具，被水雷毁伤的成本都很高。目前部分水雷已经增加了新型传感器，在探测到灭雷具后会自动起爆，更进一步降低了灭雷装备的效费比。新型的一次性灭雷具虽然价格可下降到几万美元，但效率较低。根据水下目标特性分析与超空泡射弹毁伤能力计算，超空泡射弹对60m水深处的水雷目标命中概率约为20%～40%，可靠命中并消灭一枚水雷仅需要十多发超空泡射弹，成本不过万元人民币；一架直升机可携弹量数百发，可连续执行反水雷作业，大大提高了灭雷的效费比和效率。

随着超空泡技术及其他相关技术的发展，超空泡射弹可具备更高的初速和水下航程，超空泡射弹火炮武器可安装在各种不同空中、水面及水下平台，可担负更多的军事任务。

4 关键技术分析

超空泡射弹火炮武器是一项复杂的系统工程，涉及多个学科和技术领域，其成功应用还亟需突破超空泡弹药技术、水中目标探测与定位技术及武器系统集成技术等[7-12]。

4.1超空泡射弹流体动力外形设计技术

超空泡射弹要完成其作战使命，实现对水下目标的有效杀伤，主要取决于超空泡射弹的弹道性能，与鱼雷、UUV等水下航行器不同，超空泡射弹由发射平台发射后无推进装置提供动力、无控制系统控制其航行状态，其弹道性能的实现很大程度上取决于超空泡射弹的流体动力性能，而流体动力性能最直接、最关键的问题是超空泡射弹流体动力外形设计。

超空泡射弹流体动力外形设计主要从两个方面考虑：一方面是快速性，超空泡射弹从炮口到目标经历空气弹道、入水弹道与水中弹道3部分，超空泡射弹需要完成战术任务，必须具备较大的航程和终点存速，而超空泡射弹自身不带动力系统，因此必须在结构上实现超空泡快速生成并包裹超空泡射弹，保证超空泡射弹在水中带空泡减阻航行；另一方面是稳定性，在超空泡射弹整个弹道过程中，涉及到跨介质飞行，且在整个弹道过程中无控制系统控制射弹姿态，需要射弹具备较理想的弹道性能和多环境飞行稳定性。

超空泡射弹流体动力外形设计基础需要针对不同外形结构的射弹进行流体动力特性和弹道特性研究，并运用理论和试验结果对外形设计进行优化，形成最优外形结构，尽可能获得较大的临界空化数，形成理想的空泡形态，实现超空泡射弹最大减阻效能。

4.2水中目标探测与定位技术

与传统火炮武器不同，超空泡射弹火炮武器攻击目标在水下，传统的雷达火控系统、光电瞄具系统无法完成对水下目标的探测、跟踪与定位。为给超空泡射弹火炮武器提供必要的射击诸元，必须研制新的探测系统对水下目标进行探测、跟踪与定位。目前较为有效的水下探测定位就是采用中高频声纳、蓝绿激光两种方式进行探测定位。在水下目标探测方式上，可采用粗略搜索与精确探测相结合的方法，首先采用续航能力强的中高频声纳对目标区域的可疑目标进行搜索粗定位，然后利用高频声纳探测或蓝绿激光对可疑目标进行确认和排除，可利用机载平台提高工作效率。

4.3武器系统集成技术

超空泡射弹火炮武器的技术性能不仅与超空泡射弹技术性能相关，还与整个武器系统的集成和工程设计有关。在武器系统集成设计中，以超空泡射弹为中心，主要考虑发射平台、攻击目标、海洋环境等方面。超空泡射弹发射平台主要考虑发射平台类型、超空泡射弹发射方式、火控系统及发射平台运动特性等，其中发射平台类型主要有机载平台、舰载平台、水下发射平台等，对不同装机平台的要求进行研究，提取通用要求，通过总体集成与优化研究，使武器系统各单元间针对不同装机平台可相互兼容，具有合理、高效匹配性；攻击目标主要考虑目标的类型、尺度、运动特性、物理场特性和防御能力等；海洋环境主要考虑海域深度、海流、波浪、风力、风向和温度等。

5 结束语

超空泡射弹火炮武器的军事应用前景十分可观，随着一系列关键技术突破，超空泡射弹的水弹道性能将得到极大改善，突防打击能力与续航能力极大增强，必将实现火炮武器水下作战跨越式发展，对未来水下近程防御作战方式和装备发展产生革命性作用。

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ResearchonCurrentApplicationStateofSupercavitationProjectileArtilleryWeapons

YAO Zhong, WANG Rui, XU Baocheng

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

As revolutionary drag-reduction technology, supercavitating drag-reduction technology is applied to the field of artillery, which enables the artillery weapon system possess the ability of underwater operation. Through the analysis of the current application of foreign supercavitation projectile artillery weapons and supercavitation projectile, a discussion was conducted of the technology advantages and application prospect of supercavitation projectile artillery weapon in the field of mine countermea-sure warfare with the key technologies in the process of development supercavitation projectile artillery weapon analyzed. Supercavitating drag-reduction technology will achieve the leap development of underwater combat of artillery weapons, which will have a revolutionary impact on the future of short-range combat mode and defense equipment development.

supercavitation projectile artillery weapons; supercavitating drag-reduction technology; mine countermeasure

TJ301

： A

：1673-6524(2017)03-0092-05

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.03.018

2016-08-06

姚忠(1965—)，男，研究员级高级工程师，主要从事超空泡射弹武器技术研究。E-mail：wangrui293@163.com