第13章-制导炮弹

第十三章制导炮弹§1概述§2制导炮弹的结构与组成§3制导炮弹的作用原理§4制导炮弹的制导技术1§1概述炮兵的任务是集中大量的炮弹来压制一定面积内的目标，但是对于一些点目标，尤其是一些活动的点目标（如坦克等）炮兵炮弹的作用效果较差，对远距离活动目标的射击，炮弹若能首发命中是最理想的，但是对于普通炮弹是很难首发命中的，而采用制导的炮弹则能实现。制导炮弹（末制导炮弹）是提高炮弹命中精度的最有效的弹种之一，它的发展使身管火炮成为首发命中远距离目标的有效反坦克武器。

末制导炮弹是由火炮发射，在弹道末段上实施搜索、导引、控制，使其能够直接命中目标的一种灵巧型弹药。末制导炮弹的研制工作开始于20世纪70年代，其典型代表是美国的155mm“铜斑蛇”半主动式激光末制导反装甲炮弹和前苏联152mm“红土地”半主动激光末制导杀伤爆破火箭增程弹。由于在作战时需要使用外部激光器照射目标，使用不便，因此，从20世纪80年代初，各国开始研制“打了不用管”的第二代末制导炮弹。2§1概述美国“铜斑蛇”155mm俄罗斯“红土地－M2”155mm3§1概述俄罗斯“红土地-M”2K25式152mm

激光末制导炮弹美制155mm神剑制导炮弹4§1概述5§1概述6§1概述俄罗斯“捕鲸者-2”１２０毫米激光半主动制导炮弹

美国陆军XM395式120毫米精确制导迫击炮弹7§1概述第二代末制导炮弹：德国采用毫米波制导的155mm“伊夫拉姆”（EPHRAM）反装甲制导炮弹、英国利用毫米波制导的“灰背隼”反装甲迫击炮弹、瑞典采用双色红外制导的“Strix”末制导反装甲迫击炮弹等。末制导炮弹主要采用榴弹炮、火箭炮和迫击炮等武器系统发射，除了具有常规炮弹的射程远、威力大和精度高的特点外，由于在弹道末段采用制导技术，能越过地形障碍命中静止或行进中的坦克、装甲车辆、舰艇以及掩体、工事等目标，是一种集常规炮弹的初始精度和末制导于一体的经济型、具有首发命中概率高的精确制导弹药。末制导炮弹具有战术导弹的射击精度，但比其结构简单、成本低。末制导炮弹的这些特点，使常规炮弹的精度有了质的飞跃，已成为现代派兵重要的组成部分，具有广阔的发展应用前景。8§2制导炮弹的结构与组成制导炮弹一般由制导段、战斗部段、控制段三大部分组成。美国155mm“铜斑蛇”制导炮弹制导炮弹发射后开始阶段与普通炮弹相同，首先沿曲线弹道飞行，当制导炮弹进入制导段瞬间，导引头就立即获取目标信息，经信号变换、处理、辨识和选择，得出目标的坐标和运动参数，然后与弹丸运动参数相比较，形成导引指令，传输给控制系统，最终通过舵机带动舵面来控制末制导炮弹的飞行，使它命中预选目标。对于带有助推装置的制导炮弹，还有助推增程飞行阶段。美国研制的XM712炮弹又称“铜斑蛇”，是首先研制成功的末制导炮弹，采用激光半主动式制导方式，主要用于攻击集群坦克或装甲目标。弹径155mm，弹长1372mm（长径比8.85）弹重62kg。该弹用美M198、M109A1火炮发射，射程为2000m时，精度为0.3～1m。“铜斑蛇”的主要缺点是需要由前沿观察员用激光器指示目标，并且要与火炮发射阵地保持不间断的联系才能引导炮弹命中目标，一旦受到干扰，就会使弹丸失去控制而不能寻找目标。因而使用受到限制。9在“铜斑蛇”末制导炮弹的中部有4片弹翼呈十字形，尾部有4片尾翼（控制舵）亦呈十字形。弹翼是提供升力的主要部件，主要目的是提高制导炮弹的射程。尾翼是由冷气式气动舵机驱动的旋转振动舵，主要是用来提供控制力以改变飞行弹道，并保证稳定作用。气动舵机的压力源是高压冷气瓶。弹翼和尾翼都是可以折叠的，发射时收入控制段弹身的缝隙内，发射出炮管后尾翼首先展开，并保证飞行稳定，在达到最高点时，弹翼展开以增加滑翔距离（20%）。该弹由制导段、战斗部段和控制段三部分组成，见右图，图中A为制导段、B为战斗段、C为控制段。10光学系统采用单透镜，视场为±12.5°。滤光片置于平行光路中，探测器是光电二极管，它与前置放大器制成一个组件。探测器位于透镜的后主点附近，稍离焦点以获得线性信号。该弹长细比为8.85，弹头为圆头锥形，有利于减小飞行时的头部阻力。激光导引头由位标器和电子舱两部分组成，在位标器中有光学系统、探测器及其前置放大器，还有陀螺及其驱动的元件。电子舱中有信息处理电路、陀螺驱动电路、解码电路和程序控制电路。位标器为陀螺—光学耦合形式，结构简单，性能良好。光学系统的主要部分和探测器均固定在弹体上，陀螺只稳定一小块反射镜。探测器固定在光学系统的后主面上。导引头输出视线角速率信号和支架角信号。在电子舱中装有8块圆片形电路板，其间用一条电缆连接。在电子舱前壁上，固定有横滚速率传感器。电路中央留有战斗部爆炸后形成的金属破甲射流通道。11该弹采用破甲战斗部。战斗部为圆柱形，在壳体内装有成型装药，前部有铜制药型罩，后部有引信和保险装置。控制舱为圆柱型外壳，前部设置4片弹翼，后部设置4片尾翼。舱中前部装有高压冷气瓶作为舵机的动力源，后部装有舵机和电池组。在控制舱的后部设有弹底外套滑动闭气环，用以承受发射时的火药气体压力，并起密封作用，同时使弹体微旋(6~18转/秒)。炮弹发射时最大加速度为9000g，为了不损坏陀螺转子，采用了负载转移轴承、发射时陀螺暂时“固化”。导引头壳体上装有陀螺旋转驱动线圈、陀螺进动线圈、陀螺电锁线圈和补偿线圈。旋转线圈和进动线圈配于陀螺转子上的环形磁铁，是陀螺旋转和进动以跟踪目标。电锁线圈和补偿线圈用于输出电锁信号和导引头支架角信号。12§3制导炮弹的作用原理制导炮弹所用的工作信息有激光、红外线、毫米波等；所用的工作方式有主动式、半主动式和被动式三种。因此，制导炮弹的制导方式有激光半主动式寻的制导、红外或毫米波被动寻的制导、激光与红外组合寻的制导等。一、主动式末制导炮弹工作原理在膛内，炮弹靠发射时的冲击作用激活工作程序电池，工作程序开始工作。同时滑动闭起弹带密封火药燃气，降低弹丸转速。主动式末制导炮弹是根据侦查通信指挥系统或C4I系统提供的目标位置和运动状态检查弹药、装定工作程序和发射诸元、装弹、发射。以正常式布局的末制导炮弹为例，末制导炮弹飞出炮口后，首先张开舵翼，引信解除保险，进入无控制段飞行。在接近弹道顶点时，激活弹上热电池、滚转速率传感器和舵机，开始滚转控制，约在1s时间内停止弹体转动，在飞过弹道顶点后，导引头解锁启动，弹翼张开，进入滑翔飞行。13§3制导炮弹的作用原理在距攻击目标只有2~3km时，导引头开始搜索、捕获目标，末制导炮弹按导引规律跟踪目标，控制末制导炮弹飞向目标，引爆战斗部，毁歼目标。简化步骤：获取目标信息检查弹药装定装弹发射工作程序用电池激活出炮口舵翼展开引信解保无控飞行弹道顶点，热电池、滚转速率传感器、舵机激活滚转控制弹体停止转动导引头解锁弹翼张开滑翔飞行导引头搜索、捕获目标按导引规律跟踪目标飞行导向目标引爆、毁歼目标获取目标信息检查、装定发射无控飞行滚转控制滑翔飞行寻的有控飞行引爆、毁歼目标14§3制导炮弹的作用原理15§3制导炮弹的作用原理英国“灰背隼”末制导迫击炮弹装有主动毫米波导引头，能在大多数气象条件下用来探测运动/固定目标。由主动毫米波制导系统。舵面、电子仪器、成型装药战斗部、保险和解除保险装置及尾翼组成。其工作过程是：当末制导迫击炮弹飞出炮口后便展开尾翼，战斗部解除保险、弹出舵面，制导系统进入寻的状态。导引头扫描有效作用范围300m×300m，在此范围内的任何装甲目标一旦被发现就被锁定，成型装药战斗部能攻击坦克和装甲目标的顶部。其结构及飞行弹道示意图见下页。16§3制导炮弹的作用原理17二、激光半主动式末制导炮弹工作原理

作用原理：用激光器指示目标，制导炮弹上的导引头则通过从目标反射回来的激光确定目标的位置，并进控制舵修正其飞行弹道，从而最终将炮弹导向目标。由于末制导炮弹上并不携带用于指示目标的激光器，故称为半主动式。18二、激光半主动式末制导炮弹工作原理指示目标的方法有：

1、前沿观察员指示目标前沿观察员（单兵）携带激光指示器，当发现目标后照射目标，并将地形特点、目标方向和运动速度通知火炮，要求发射制导炮弹。当弹丸飞行在弹道下降段时，一般在10~15s之间即可击中目标，这种方法简单易行。通常用一辆吉普车，同时搭载几名警戒通信兵，在距目标3km左右的位置处选择视界开阔的制高点，并隐蔽地安置激光器，它可以有效地配合处于20km后方的火炮攻击坦克或装甲目标。

2、无人驾驶飞机指示目标无人驾驶飞机上安装激光指示器，同时装有电视摄像机，红外线监视装置等。无人驾驶飞机由后方控制车上人员远距离控制，当飞机到达目标区上空时发出激光束照射目标，由于目标指示器的光轴与电视摄像机的光轴平行，因而发现目标后即可发射制导炮弹。鉴于无人驾驶飞机的体积小、飞行速度高，不易被敌方炮火击毁，同时炮兵的指挥人员可通过电视和红外检测装置直接观察目标，因而比采用前沿观察员的方法好。19二、激光半主动式末制导炮弹工作原理

3、直升机指示目标在攻击型直升机上安装激光器，同时安装光学和红外检测装置等。因为直升机较无人驾驶飞机易于受到敌方高射火炮的攻击，所以直升机应处于敌方火炮的有效射程以外的上空照射目标。当激光指示器瞄准目标后给出信号，火炮发射炮弹。在末制导炮弹飞向目标的过程中，激光指示器不断向目标发射激光。弹上激光导引头接受到从目标反射回来的激光能量后，制导装置便产生控制指令，并通过舵机使制导炮弹的控制舱偏转，从而改变其飞行方向，纠正弹道，引导制导炮弹飞向目标。20编码和定时器。然后将炮弹装入炮膛发射。利用弹体向前运动的加速度使弹上惯性开关和电源接通，开始工作。定时器启动并同时释放尾翼。此时，由于作用在尾翼上的加速度负载使尾翼仍拢在尾翼槽内，弹上的滑动闭气弹带嵌入膛线，炮弹与滑动弹带之间做相对滑动，“铜斑蛇”炮弹以20r/s左右的旋转速度飞出炮口，然后，在离心力的作用下打开尾翼，进入无控弹道飞行。当它飞越弹道最高点附近时，定时器将弹翼展开，转入滑翔段和末制导段飞行。

“铜斑蛇”末制导炮弹的工作过程：先由激光指示器照射目标，炮手根据激光指示器编码和目标距离，通过弹上的激光编码选取孔和定时器开关装定激光在该弹进入目标区域后，定时器启动激光导引头开始工作，导引头接受目标反射的激光回波，陀螺测出弹体在飞行中的偏移量，再由传感器将偏移量转换成相应的比例导引指令送给舵机，操纵尾翼，控制“铜斑蛇”末制导炮弹飞行，使其最终准确命中目标。21§4制导炮弹的制导技术通常，把末制导炮弹中能够克服飞行中的各种干扰因素，引导和控制炮弹根据目标的运动情况，按选定的导引规律飞向目标的全部装置和软件称为制导系统。制导系统以末制导炮弹体为控制对象，包括导引子系统和控制子系统。其中，导引系统通常由弹体、目标位置运动敏感器和导引计算机组成，其功能是测量相对目标的运动偏差，按照预选设计好的导引规律，由导引计算机形成导引指令。该指令通过弹上控制系统控制末制导炮弹运动。控制子系统一般由姿态敏感元件、控制计算机和伺服机构组成，其主要功能是保证末制导炮弹在导引指令作用下沿着要求的弹道飞行，保证末制导炮弹的姿态稳定，不受各种干扰影响。末制导炮弹是一种集常规炮弹与制导弹药特点于一体的新型弹药，其制导系统中的导引技术对提高弹药的性能有着重要的作用。下面介绍末制导炮弹常用的几种导引技术。22

利用激光获得导引信息或传输导引指令，使末制导炮弹按照一定得导引规律飞向目标的导引方法。激光波束方向性强，波束窄，所以激光制导精度高，抗干扰能力强。它通过激光器向目标发射激光波束之际，同时用对激光敏感的探测器敏感目标反射回来的激光束，导引末制导炮弹飞向目标。激光的波长是毫米波的千分之一，激光束的散角是毫弧度级，因而目标分辨率很高，导引终点误差可达0.5~1.0m，能同时分别命中两个相隔仅10m甚至靠的更近的目标。已装备的激光制导武器多数采用半主动制导，少数采用驾束制导。如美国的“铜斑蛇”激光半主动末制导炮弹、前苏联的“红土地”等，都是采用半主动激光制导的末制导弹药。它们在弹道末端由弹上的激光导引头自动搜索从目标反射回来的激光编码信号，经信号处理，在自动识别、跟踪并锁定目标的同时，将导引指令传输给控制系统，使末制导炮弹进入自动跟踪状态，直至与目标遭遇。一、激光导引技术23

利用毫米波获得导引信息或传输导引指令，使末制导炮弹按一定的导引规律飞向目标的导引技术。毫米波是波长为1~10mm的电磁波，用于末制导炮弹的毫米波波长为8mm和3mm（或2mm），介于微波和红外线之间。毫米波器件尺寸小，质量轻，抗干扰能力强，制导精度高，并能比较容易地实施对多目标的攻击。末制导炮弹采用毫米波导引的原因是全天候性能好，有较强的穿透云层和雾的能力；战场环境适应性好，可以在尘埃和浓烟下工作；毫米波传感器不仅能测得目标的方位，还能测得目标的距离和速度。由于末制导炮弹内的天线直径通常会被限制在6~15cm内，传感器的尺寸同样也受到很大限制，却又要求很高的探测目标的空间分辨率（波束宽度要求小到0.5~2°之间）；再加上探测坦克等目标时又呈低空下视状态，地物杂波和多径效应会产生相当大的干扰，只能通过窄波束降低这种干扰。毫米波导引的主要模式有主动式、被动式和主—被动复合式。主动式即是指利用毫米波雷达截获和跟踪目标，已被多数末制导炮弹采用；被动式是利用毫米波辐射计截获和跟踪目标；主－被动式是主动式截获和早期跟踪，最后由被动式跟踪到与目标相遇，常用于远距离毫米波制导武器。但毫米波的分辨率比可见光和红外光低，制导精度和隐蔽性不如红外导引；在全天候性能和作用距离上不如微波导引。二、毫米波导引技术24

利用目标和背景的红外辐射能量的差异，提取目标信息并加以处理，以确定目标对于导引头视轴的角偏移，产生导引信号，将末制导炮弹导向所要攻击的目标。人们通常指的红外制导系统，绝大多数就是指这种被动式自动导引系统。任何物体只要它的温度高于绝对零度，都能辐射红外线，辐射能量随温度上升而迅速增加。对地面坦克目标的探测来说，最重要的是中红外（3~5um）和远红外（8~14um）。红外导引的优点是目标探测分辨率高，可获得较高的制导精度；弹上设备简单可靠，功耗少，体积小，质量轻；以被动方式工作，隐蔽性好。然而，缺点是红外制导的全天候性能和战场烟尘环境的适应性不及毫米波导引。红外导引又分为红外点源导引和红外成像导引两种。三、红外导引技术25红外点源导引又称为红外非成像导引，其特点是把目标看成一个热点源来探测。末制导炮弹通过导引头锁定并跟踪目标的最热部分。其工作原理是：弹上的红外导引头接收从目标辐射来的红外线。当视线与红外导引头光轴重合时，经导引头光学系统聚焦的目标像点落在以一定的角速度旋转或固定的调制盘中心，不被调制；当目标偏离光轴时，像点被调制。从像点投射在调制盘上的位置，可以判断出目标偏离光轴的方位和距离，形成导引信号，控制末制导炮弹飞向目标。①红外点源导引26

利用装在弹头的热成像仪摄取目标图像信息，用数字计算机对目标图像进行处理，形成导引指令来控制末制导炮弹飞行的导引方法。热成像仪的主要部件是光机扫描器件或红外焦平面阵列器件，工作波段分别为：碲镉汞（Hg-Cd-Te）凝视焦平面阵列器件的工作波段是8~12um，利用肖特基效应的焦平面阵列硅器件的工作波段是3~5um。这两个波段