鱼雷战斗部技术研究现状及发展趋势

郭 涛, 吴亚军



鱼雷战斗部技术研究现状及发展趋势

郭 涛, 吴亚军

(海军装备部驻东风仪表厂军代表室, 陕西 西安, 710065)

鉴于鱼雷战斗部技术的研究现状, 通过以下5方面分析并展望了提高鱼雷战斗部爆炸威力的途径: 研究新型战斗部结构, 实现定向聚能爆破; 研究新型高能炸药, 提高战斗部的毁伤威力; 加大鱼雷口径, 大幅度增加装药量; 采用先进工艺, 提高炸药的装填密度; 在必要情况下, 采用核装药。提出了改进建议: 在逐步提高研究手段和加强条件保障建设基础上重点开展鱼雷战斗部数值仿真研究和水下爆炸试验研究。

鱼雷战斗部; 水下爆炸; 毁伤威力; 数值仿真

0 引言

鱼雷作为海军的主战武器, 问世至今的100多年中, 历经各次海战, 均发挥着重要的作用。随着科学技术的发展, 鱼雷的性能不断改进和完善, 可以打击潜艇、水面舰艇、岸基设施, 也可以伏击、封锁港口和航道, 成为一种具有威慑力量和有效打击敌方的进攻性武器, 受到各国海军的高度重视。

与此同时, 现代舰艇的防护能力大大加强。一方面舰艇采用高强度合金钢等材料做固壳, 另一方面采用双层壳体和多舱室结构。普通的爆破型鱼雷战斗部已不能对这些目标形成重大毁伤。战斗部作为鱼雷的有效载荷, 如何提高战斗部的毁伤能力已成为鱼雷武器研制的主要目标之一。为了给目标毁灭性的打击, 总是希望鱼雷的装药量越多越好, 但在鱼雷的总体布局上却难以满足这个条件。当鱼雷装药量不能大量增加时, 单条鱼雷命中目标时, 往往不能给敌方目标以致命的打击, 因而必须大力开展新型鱼雷战斗部的研究, 充分利用战斗部中有限的装药量, 使战斗部发挥最大的毁伤效能。

本文力求通过对鱼雷战斗部技术研究现状的阐述, 来认识这一技术领域存在的不足以及应采取的措施, 同时提出鱼雷战斗部技术的发展趋势和目标, 以及提高鱼雷战斗部爆炸威力的途径和促进鱼雷战斗部技术发展的建议。

1 鱼雷战斗部技术研究现状

鱼雷战斗部通常采用的是中心起爆的爆破型战斗部, 其爆炸后的爆轰能量是沿鱼雷径向均匀分布的, 作用于目标起毁伤效果的能量偏低, 能量利用率较差。随着鱼雷打击目标的多样化和目标结构强度的不断加强, 单一的鱼雷战斗部装药种类和装药结构已无法满足现代战争的需要。

由于鱼雷战斗部对目标的作用是在水介质中爆炸, 炸药在水中的爆炸与在空气中爆炸呈现出明显不同的现象[1], 同时水中爆炸的破坏机理也与空气中存在很大区别。与地面和空中武器战斗部的研究相比, 鱼雷战斗部研究还存在着一些不足, 主要表现在以下3个方面。

1) 观念陈旧, 重视不够。目前还有一部分人把鱼雷战斗部比作“炸药包”。战雷头是鱼雷的主要部分之一, 就其实质而言, 设计与制造鱼雷雷身及其各种装置、仪表和机构, 都是为了将战雷头中的炸药准确地送达目的地, 并使之爆炸, 以达到摧毁敌方目标的目的[2]。

2) 试验测试手段不完善。在战斗部的研究过程中, 由于鱼雷战斗部在水中爆炸的特殊性, 配套的试验测试条件不完善, 缺乏相应的性能检测手段, 使许多先进的设计思想得不到及时实施和充分验证, 鱼雷战斗部的研究一直停留在预先研究的理论分析阶段, 缺乏有效的试验数据, 在一定程度上制约了研制水平的发挥和新型战斗部的研制。同时鱼雷战斗部的发展由于受到试验条件的制约, 缺乏创新能力。

3) 缺乏实战经历。目前鱼雷战斗部的研制大多是在陆上进行有限的陆上试验, 由于陆上与水下战斗部的爆炸作用机理存在很大差异, 陆上试验测试结果有很大的局限性, 大多只能证明战斗部爆轰的完全性, 不能对鱼雷战斗部的威力性能进行全面的考核, 战斗部威力性能中可能存在的问题还没有暴露出来, 真正的威力性能得不到检测和评估, 鱼雷战斗部对水中目标的毁伤结果更是无法进行客观准确的评定。

综合来说, 鱼雷战斗部技术领域的研究还有待发展, 在水中爆炸现象的基础理论研究方面虽然已进行了大量的研究工作, 但还没有形成系统化的研究体系, 对于水中爆炸现象的细节问题研究还有待深入, 还需要采用当今先进的研究手段和研究方法。

2 鱼雷战斗部技术发展趋势

鱼雷最终的作战威力及对目标的毁伤效果取决于战斗部的爆炸威力, 为了提高战斗部的爆炸威力, 采用新型战斗部结构是提高战斗部毁伤水中目标能力的重要手段。世界各国竞相采用了先进的新型战斗部技术, 在提高爆炸威力方面, 各国除继续研制新型的高能炸药以外, 重点是研究新的装药结构及起爆方法, 充分利用炸药能量。受鱼雷结构的限制, 通过增加装药量或提高装药当量来提高鱼雷战斗部威力的效果极为有限, 而采用定向战斗部技术和聚能战斗部技术是增大鱼雷作战威力的现实可行的技术途径, 定向战斗部、聚能战斗部及高能装药是鱼雷战斗部技术的主要发展趋势。美国研究的水下定向战斗部技术可以使相同装药量的战斗部威力增加4~7倍。法国的“海鳝”鱼雷装药45 kg左右, 利用聚能战斗部技术可穿透厚度约4倍装药口径的钢靶, 在模拟攻击具有双层壳体的潜艇试验中, 该战斗部的金属高速射流, 在着角为50º时, 穿透了20 mm厚的外壳, 2 m厚的压载水舱和40 mm厚的压力壳, 并且还能穿透300 mm厚的壳体。当攻击潜艇最佳部位时, 1枚“海鳝”鱼雷就能击沉目标, 至少也能迫使其浮出水面。

目前鱼雷战斗部的发展正在由中心起爆的爆破战斗部向聚能战斗部、聚能聚爆战斗部、随机定向战斗部和多模态多功效战斗部发展。

2.1 鱼雷战斗部技术发展目标

鱼雷战斗部技术的发展应根据鱼雷武器的发展思路和型号研制的需求, 跟踪先进技术, 创新提高, 实现跨越发展。重点解决关键技术, 充分利用鱼雷战斗部有效的装药空间, 采用新技术、新机理、新含能材料, 大幅度提高鱼雷战斗部的爆炸威力, 显著增加对目标的毁伤效果, 能对包括航母在内的大中型水面舰艇和核潜艇形成单雷致命重创效果, 使鱼雷战斗部对水中目标的破坏效能上一个新的台阶, 以适应未来战争对鱼雷武器装备的需求。

2.2 提高鱼雷战斗部爆炸威力的途径

1) 研究新型战斗部结构, 实现定向聚能爆破

利用现有平台, 在总体尺寸不变, 不对其他系统提过高要求的情况下, 挖掘潜力, 充分利用有限的装药量, 在战斗部的设计过程中应以提高鱼雷战斗部的能量利用率为设计准则, 使战斗部的爆炸能量向目标方向会聚, 产生定向打击的效果, 实现大幅度提高对不同水中目标在不同雷目交会姿态下的毁伤效果。目前有3种实现途径, 一种是改变装药形状, 如采用锥形、抛物线形、半球形、球面对称形等方式装药, 爆炸时, 爆炸气体产物沿着目标方向形成一股聚集的高能射流, 产生很强的穿透作用; 一种是双重装药, 到达目标后, 先引爆一部分炸药冲破目标外壳, 延迟几微妙后, 沿着第一次爆炸方向, 引爆另一部分炸药击穿目标内壳, 达到聚能爆炸的目的; 还有一种是定向能量方式, 装药分两部分, 一部分是炸药, 一部分是金属弹丸或金属碎片, 炸药引爆后, 使金属碎片以相当大的动能射向并击沉目标。

2) 研究新型高能炸药, 提高战斗部的毁伤威力

采用高能炸药, 有利于提高战斗部在水下产生的爆炸压力, 从而大幅度提高对目标的毁伤能力。早期的炸药以梯恩梯炸药(TNT)为主, 二战中逐步出现了特屈儿、黑索金(RDX)、太安(PETN)、奥克托金(HMX)等炸药。其中, 奥克托金是目前应用的爆速最高的炸药。二战后, 出现了塑胶炸药(PBX系列)和含金属粉的混合炸药(HBX系列), 目前水下炸药最新技术的代表是美国使用的合成物PBXN-1O3, PBXN-105和 PBXN-115等。正在进行研究的有高泡能量炸药及燃料空气炸药等。例如, 甲基二硝基苯脱胺(ADN)炸药, 它的气泡能量将比目前最常用的水下炸药(PBXN-103)增加50%。环氧乙烷气体炸药, 其爆破威力可达2.7~5倍TNT当量。一些新的燃料和氧化剂也正在研究中, 如硼、铅、镀层金属(镀镁铝和镀钛硼)等燃料和NF2硝酸盐等氧化剂。采用高能装药技术战斗部, 可以使在具有同样威力的前提下, 减小装药量和装药体积, 实现武器系统的小型化, 特别在反鱼雷鱼雷战斗部设计上有很大帮助[3]。

3) 总体尺寸变化, 加大鱼雷口径, 大幅度增加装药量

鱼雷的装药量越大, 对舰船的破坏程度就越大[4]。增加战斗部装药量, 采用新型高能炸药也是提高战斗部爆炸威力的一条重要途径[2]。

4) 提高炸药的装填密度

采用先进的工艺, 可减少药柱中的空泡、裂缝。将最早使用的注装法改为塑装法, 装药密度可由1.67~1.68×103kg/m3提高到1.7×103kg/m3以上。目前又发展成压装, 使在限定的容积内多装一些炸药, 将进一步提高爆炸威力[5]。

5) 采用核装药

为了给目标毁灭性的打击, 总是希望鱼雷的装药量越多越好, 但在鱼雷总体布局上难以满足这个条件。当鱼雷装药量不能大量增加时, 单条鱼雷命中目标时, 往往不能给敌目标以致命的打击, 由于核装药战斗部比常规装药战斗部具有更大的爆炸威力和更强的威慑力, 要大幅度增强战斗部毁伤威力, 在必要情况下, 采用核装药战斗部将是一种较好的选择。鱼雷采用核装药战斗部技术能够使鱼雷增强对目标的爆炸威力, 显著增加对目标的毁伤效果, 但从鱼雷使用安全性、接口匹配性等角度考虑, 采用核装药装备鱼雷战斗部尚需解决一系列的技术问题。

3 几点建议

为了促进鱼雷战斗部技术研究的发展, 加快鱼雷新型战斗部的研制进程, 必须大力开展水中目标特征及易损性分析研究、鱼雷战斗部设计准则以及战斗部类型与目标适应性研究、鱼雷战斗部性能评估方法以及毁伤标准研究等。在战斗部设计时, 应考虑针对不同目标采取不同的毁伤方式, 同时应逐步提高研究手段和加强条件保障建设, 努力开展以下工作。

1) 数值仿真研究

近年来, 随着计算机科学及仿真技术的发展, 计算仿真方法的研究在规模和深度方面都取得了很大的进展[6]。数值仿真程序可以较为真实地对水中爆炸现象和作用毁伤过程进行仿真, 已成为战斗部技术领域中的一个非常重要的研究手段。开展数值仿真研究可为鱼雷战斗部的研究工作提供技术和理论支撑。

由于水中爆炸试验费用昂贵, 水中的爆炸作用毁伤试验以及目标制作成本很高、试验工作量大、测试过程复杂、影响因素多、试验场地要求复杂, 因而试验工作的开展是非常困难的, 甚至不可能进行1: 1比例的爆炸试验。在这种情况下, 充分利用现代化技术, 有效利用已有的战斗部数据库和程序库, 利用现代化的数值仿真程序, 对鱼雷战斗部各种爆炸方式和对目标的毁伤作用过程进行数值仿真。仿真的过程和结果可以在一定程度上取代实际水中鱼雷战斗部的爆炸试验, 研究在实际试验中不能实现的现象和问题, 演示试验所不能演示的过程, 通过对鱼雷战斗部数值仿真系统的建立和对鱼雷战斗部的仿真研究, 预计战斗部对目标的毁伤效果, 及时暴露设计缺陷, 选择最佳匹配参数, 可以大大提高鱼雷战斗部的研制效率, 更重要的是还可以节省大量科研经费, 缩短研制周期。

2) 鱼雷战斗部水下爆炸试验研究

战斗部技术研究是一门试验性很强的学科[7], 许多问题及性能指标都需要依靠试验来解决和验证。对于鱼雷战斗部来说, 为了增加爆炸威力和使用的安全性, 无论是在方案论证阶段、研制阶段还是定型阶段, 试验研究都是必不可少的, 试验测试是鱼雷战斗部研究和设计的必要条件, 通过对试验结果的分析判断是改进和优化战斗部结构设计最重要、最可靠的依据。因而, 必须建立一套完善的鱼雷战斗部水下爆炸试验系统, 用来开展深入细致的试验研究工作, 进行爆炸过程的观测和研究, 进行水下目标毁伤过程、毁伤机理和毁伤效果评估的研究, 以取得真实、有效、可靠的试验数据, 为鱼雷战斗部研究提供水下爆破规律和爆炸威力及毁伤效果评估试验测试数据和性能数据, 为鱼雷战斗部数值仿真研究提供建模和验模数据, 为研究新型的、先进的鱼雷战斗部提供必要的研究手段和条件保障, 促进鱼雷战斗部技术的发展。

[1] Goldwasser J. Undersea Warheads and Explosives[R]. A- rlington: Office of Naval Research, 1996.

[2] 孟庆玉, 张静远, 宋保维. 鱼雷作战效能分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[3] An Assessment of Undersea Weapons Science and Techno- logy[R]. National Academy Press Washington D.C., 2000.

[4] 沈哲. 鱼雷引信与战斗部技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[5] 石秀华. 水中兵器概论(鱼雷部分)[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1995.

[6] Marcue M H. The Response of a Cylindrical Shell to Bulk Cavitation Loading. DTIC ADA130030[R]. 1983.

[7] 步相东. 鱼雷聚能战斗部新型起爆技术研究[J]. 鱼雷技术, 2003, 11(3): 25-27. Bu Xiang-dong. A Study of the New Type Initiation for the Shaped Charge of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2003, 11(3): 25-27.

Perspective of the Technologies about Torpedo Warhead

GUO Tao, WU Ya-jun

(Military Representative Office, Naval Armament Department Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China)

In view of the present situation of the technologies about torpedo warhead, five aspects in the research of explosive effect enhancement of torpedo warhead are prospected. 1) developing new type of torpedo warhead structure to realize shape charge explosion; 2) developing new type of high energy explosive to enhance damage power; 3) enlarging torpedo diameter to substantially increase the maximum charge; 4) adopting advanced technology to increase charge density; and 5) using nuclear charge if necessary. Moreover, it is suggested that more attention should be paid to numerical simulation and underwater explosion test of torpedo warhead on the basis of improving research methods and supporting conditions.

torpedo warhead; underwater explosion; damage power; numerical simulation

TJ410.33; TQ56

A

1673-1948(2012)01-0074-04

2011-05-12;

2011-07-10.

郭 涛(1971-), 男, 工程师, 主要从事鱼雷总体技术研究.

(责任编辑: 许 妍)