中大口径舰炮跨介质水下防御技术研究

魏 锦，李世纪，陈 亮

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

0 引 言

现代鱼雷攻击性强、防御难度大，然而水面舰艇鱼雷防御主要以规避和干扰、诱饵、气幕等软杀伤手段为主，现有硬杀伤手段较少，中近程硬杀伤防御手段以反鱼雷深弹为主，使得现役海军舰艇缺乏有效地自卫措施[1-3]。因此水面舰艇编队面临的水下威胁越来越大，急需加强中远程水下硬杀伤防御能力。

舰炮具有的反应快、初速快、射速快、持续作战能力强的特点[4-5]，本文首次提出了中大口径舰炮跨介质水下防御技术，该技术应用于中大口径舰炮可有效提高水面舰艇的水下防御硬杀伤能力，具有重要的军事价值。

1 火炮水下防御技术发展现状

火炮水下防御方面，典型代表有美国的机载快速灭雷系统（RAMICS）和采用自适应水下高速弹药（AHSUM）的全水下火炮系统，以及挪威DSG公司研制的“多环境弹药”（MEA）[6-7]。

1）美国机载快速灭雷系统和全水下火炮系统

机载快速灭雷系统主要装备于直升机机载火炮系统中，由30 mm速射炮发射超空泡脱壳穿甲弹，在空气和水中稳定飞行，用于消灭水面及水下40 m的水雷；同时美军曾计划将该火炮系统部署到水面舰艇甲板上，形成超空泡射弹型近程武器系统，用于防御尾流自导鱼雷。全水下火炮系统则使用自适应水下高速弹药（AHSUM），将装备在潜艇、水面舰艇等，用于对鱼雷、UUV或水雷等的水下防御。

图1 美国机载快速灭雷系统（RAMICS）Fig. 1 U.S. airborne rapid mine system

2）挪威“多环境弹药”

挪威DSG公司的“多环境弹药”（MEA）是将超空泡技术应用到轻武器上，但其弹头尺寸与常规枪弹相近，因此无需对已装备的枪械进行任何改动就可直接发射，并且能够以非常低的射角从水面进入水中稳定飞行，其口径序列有5.56 mm、7.62 mm、12.7 mm、30 mm、40 mm[4]。DSG公司还宣称进行了更大口径的MEA弹的研制，如30 mm，57 mm，76 mm甚至155 mm口径的超空泡炮弹，从而用于水面舰艇对鱼雷等水下目标的防御。

图2 挪威DSG“多环境弹药（MEA）”Fig. 2 Norwegian DSG "multi-environment ammunition"

2 中大口径舰炮跨介质水下防御技术分析

2.1 毁伤能力分析

对鱼雷的硬杀伤手段主要采用水下爆破毁伤，相关研究表明要使来袭鱼雷壳体破裂，水中爆炸冲击波峰值压力要达到15.54 MPa[8-9]。

若以冲击波强度来衡量对鱼雷的破坏威力，针对球形TNT装药水中爆炸，适用范围较广的冲击波压力计算公式为：

式中：Pm表示冲击波压力峰值，MPa；ω表示装药TNT当量，kg；r表示距离炸点的距离，m。

由此得出现有中大口径弹丸水下爆炸冲击波压力峰值随距离的变化关系，如图3所示。弹丸水下爆炸时，冲击波压力峰值随着距离的增大衰减较快，现有中大口径弹丸水下爆距5 m时可产生16.1 MPa的冲击波压力，可对鱼雷进行有效毁伤。通过进一步需增大弹丸装药量，可提升弹丸的毁伤半径，提高对鱼雷的毁伤能力。

图3 冲击波压力峰值随距离变化关系Fig. 3 Relationship between shock wave pressure peak and distance

在增大弹丸装药量的基础上，通过多发射弹的同时起爆，形成爆炸冲击波的叠加，利用弹丸水下爆破合成效应，可进一步增大对鱼雷的毁伤能力。利用理论与仿真相结合的手段，得到不同装药量的弹丸在不同间距下同时起爆时，爆炸冲击波压力随爆距的变化规律如表1所示。

表1 多发射弹不同爆距条件下爆炸冲击波压力合成变化规律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，通过匹配多发射弹水下爆破的间距、提高单发射弹的装药质量等，可实现水下防御射弹不同水下爆炸能量释放及传播规律，从而为确定对鱼雷目标最优的毁伤模式提供依据。

2.2 内外弹道兼容匹配分析

现有中大口径舰炮为全自动火炮，弹丸装药量的增大虽为终点弹道对目标的高效毁伤创造了条件，但后坐长必须控制在一定范围才能使舰炮完成自动循环，同时弹丸内弹道压力又必须满足现有中大口径舰炮炮身强度设计。需通过与外弹道的相互匹配，才能最终确定水下弹丸的基本参数。

现有中大口径舰炮射程为5 km时的弹道轨迹如图4所示。由计算可知，现有弹药射程为5 km时，存在高射角和低射角2种外弹道路径。低射角时，飞行时间在8 s以内，针对目标的反应时间短，末速度相对较大；但入射角仅为3.26°，对弹丸跨介质入水不利。高射角时，入射角为86.49°，弹丸接近垂直入水，对弹丸跨介质入水有利。但弹丸射高达16 km，飞行时间接近120 s，弹丸空中飞行时间长，无法发挥火炮反应速度快的特点。

图4 现有中大口径舰炮射程5 km时的外弹道对比Fig. 4 Comparison of external ballistics of existing medium and large caliber naval guns with a range of 5 km

在现有弹药外弹道计算结果基础上，结合弹丸毁伤威力与舰炮自动循环等对内弹道的要求，通过减小发射装药质量和增大弹丸重量（同时为毁伤威力创造条件），减小了弹丸初速，在保证一定入射速度的情况下增大了弹丸的入射角度。由此计算优化后的弹药外弹道结果如图5所示。

图5 改进前后的结果对比Fig. 5 Comparison of results before and after improvement

由计算结果可知，优化后的弹丸初速在500～550 m/s的范围内，低射角时，飞行时间在12 s以内变化，比优化前稍增大，仍旧能发挥舰炮反应速度快的特点；入水速度在385～429 m/s的范围内变化，但仍旧满足入水速度要求；入水角在6.5°～8.2°的范围内变化，向着有利于弹丸跨介质入水稳定性的方向变化。因此，对现有弹药进行适当优化后，其常规弹空气弹道飞行轨迹可满足跨介质入水射弹的相关要求。

2.3 弹道飞行稳定方式分析

弹丸的飞行稳定性，是指弹丸飞行时其弹轴不过于偏离弹道切线的性能，飞行稳定性越好，其射击精度越高。一般弹丸的稳定结构分为旋转稳定和尾翼稳定。若要实现跨介质射弹可靠毁伤目标，必须保证空气外弹道、跨介质弹道和水中弹道均具有较好的稳定性。

旋转弹丸飞行稳定性包括螺稳定性、追随稳定性及动态稳定性3部分。超空泡射弹在水介质中航行的稳定旋转角速度是空气中稳定飞行所需旋转角速度的近29倍[7]，弹体入水时要达到如此大的转速是难于实现的。同时相关研究表明，旋转弹丸入水过程中由于自转带动其周围水介质流动，使其左右受力不均，产生马格努斯效应，从而使弹丸发生轻微偏转，同时常规尖拱形炮弹在落角小于10°时发生跳弹现象[10]。因此，尾翼稳定形式更加适合跨介质射弹。

小口径水下射弹，大多采用尾翼稳定形式，通过长径比较大的箭形弹并辅以尾翼，利用其头部的锐角在高速入水时产生空泡，大大降低水阻力，使弹丸在水中可保持比传统弹药更好的弹道性能，且尾翼弹有更高的能量密度值，确保对鱼雷的有效毁伤[11]。

图6 小口径尾翼稳定超空泡射弹Fig. 6 Small-caliber tail stabilized supercavitating projectile

不同于小口径射弹的动能毁伤，中大口径舰炮水下防御射弹，通过水下爆破实现对目标的有效毁伤，因此弹体结构完全不同于小口径射弹。同时，中大口径舰炮射弹进行水下防御时，射弹跨介质入水毁伤目标时入射角度小，因此要实现弹丸全弹道特别是跨介质入水运动过程的稳定性，需深入研究采用尾翼稳定弹丸的小角度入水稳定性问题。通过对弹丸相关特征参数进行计算，确定水下防御射弹所采用的布局结构，研究弹丸质心位置、空化器结构等因素对弹丸跨介质飞行稳定的影响，从而可最终确定适合中大口径舰炮跨介质入水的最佳弹体结构，实现中大口径舰炮射弹小角度跨介质入水的稳定性。

3 中大口径舰炮水下防御技术展望

随着探测、信息化弹药等技术的不断发展，中大口径舰炮水下防御作战效能必将不断提高。

图7 舰炮射弹跨介质稳定入水过程Fig. 7 The process of naval gun projectile entering water stably across medium

1）声呐技术、蓝绿激光水下探测能力的不断提高，留给舰炮武器系统预警的时间增加，将使中大口径舰炮水下防御的射程不断增大；

2）以弹道修正、末端导引等技术为代表的信息化弹药技术的发展，可使中大口径水下防御射弹的飞行弹道更加优化，跨介质稳定性提高的同时，射弹的落点精度可大大提高；

3）结合弹药智能毁伤技术，优化水下防御射弹引战配合模式，从而提高中大口径舰炮水下防御射弹的毁伤能力。

4 结 语

通过中大口径舰炮进行跨介质水下防御具有较强的可行性。基于现有中大口径舰炮，对水下来袭目标进行中远程防御，能够扩展舰炮水下防御作战能力、开拓舰炮使命任务领域，为舰艇水下防御作战提供硬杀伤手段。主要结论如下：

1）现有中大口径弹丸水下爆距5 m时可产生16.1 MPa的冲击波压力，可对鱼雷进行有效毁伤。通过进一步增大弹丸装药量、多发射弹水下爆破合成效应，可进一步提升毁伤半径及毁伤能力。

2）在现有弹药外弹道计算结果基础上，结合弹丸毁伤威力与舰炮自动循环等对内弹道的要求，通过减小发射装药质量和增大弹丸重量，减小了弹丸初速，在保证一定入射速度的情况下增大了弹丸的入射角度。

3）通过对弹丸相关特征参数进行计算，确定水下防御射弹所采用的布局结构，研究弹丸质心位置、空化器结构等因素对弹丸跨介质飞行稳定的影响，从而确定了适合中大口径舰炮跨介质入水的最佳弹体结构，实现中大口径舰炮射弹小角度跨介质入水的稳定性。

4）随着探测、信息化弹药等技术的不断发展，中大口径舰炮水下防御作战效能必将不断提高。