前瞻科技
| 综述与述评
2022, 1(4): 55-68
智能化弹药结构技术进展及发展建议
全屏
全屏
作者信息
- 1.西北工业大学机电学院，西安 710072
- 2.西北工业大学无人系统技术研究院，西安 710072
- 3.西安现代控制技术研究所，西安 710065
朱继宏，教授，博士研究生导师。西北工业大学发展规划处处长、国家机械基础实验教学示范中心主任。国家级科技创新领军人才、青年拔尖人才、国家优秀青年科学基金获得者。比利时列日大学航空航天技术实验室博士、英国伦敦玛丽女王大学客座教授、《航空学报》编委、中国首次火星探测项目“天问一号”技术审查专家。主要从事飞行器新概念整体结构技术、高速飞行器防热－承载一体化、智能结构与机器人技术、复合材料增材制造技术研究。获国家自然科学奖二等奖、第十六届中国青年科技奖、陕西省科学技术奖一等奖、中国航空学会青年科技奖、邓稼先青年科技奖、钱令希计算力学青年学者奖等。电子信箱：jh.zhu@nwpu.edu.cn。
Advances and Suggestions on Intelligent Ammunition Structural Technology
Affiliations
- 1. School of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
- 2. Unmanned System Research Institute, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
- 3. Xi’an Modern Control Technology Research Institute, Xi’an 710065, China
出版时间: 2022-12-20
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.04.004
文章导航
摘要
收起
近20年来智能化弹药结构技术快速发展，形成了轻量化、抗高过载、可变构型等结构技术特点。文章面向多任务敏捷响应、集群协同打击、单体能力提升、远程快速抵达、火力延伸等现代化战争任务，充分考虑智能化弹药结构技术发展需求，梳理了国内外智能化弹药结构技术的发展现状和关键技术创新。针对未来作战对智能化弹药发展的需求，明确了通用化、系列化、模块化的结构设计，小型化、轻量化集成的结构设计，低扰动、高动态、集束抛撒及分离，结构多功能一体化设计，抗高过载、高可靠的弹药结构设计及验证5个方面的技术发展方向，以期为未来智能化弹药火力打击体系的构建提供支撑。
智能化弹药
/
结构技术
/
多功能一体化设计
/
变构型设计
/
低成本设计
The past two decades have seen the continuous development of structural technology in intelligent ammunition. As a result, the structural technologies characterized by the lightweight, high-overload resistance, variable configurations for intelligent ammunition have been formed. This paper is targeted at modern combat missions such as multi-task agile response, collaborative swarm attack, individual capacity improvement, long-range rapid arrival, and fire extension. It systematically summarizes the development status and key technical innovation of structural technologies for intelligent ammunition both at home and abroad after fully considering their development demand. After that, given the development requirements of future combats for intelligent ammunition, we clarify the technical development trends in five aspects to support the construction of the intelligent ammunition fire attack system in the future. These development trends are as follows: general, serial, and modular structure design, miniaturization and lightweight integrated structure design, low-disturbance and highly dynamic cluster dispersion and separation, multifunctional integrated structure design, and design and verification of ammunition structure with high reliability and high overload resistance.
intelligent ammunition
/
structural technology
/
multifunctional integrated design
/
variable configuration design
/
low-cost design
朱继宏, 肖和业, 张永励, 王若冰, 孙锋.
智能化弹药结构技术进展及发展建议.
前瞻科技,
2022
, 1
(4)
: 55
-68
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.04.004
Jihong ZHU, Heye XIAO, Yongli ZHANG, Ruobing WANG, Feng SUN.
Advances and Suggestions on Intelligent Ammunition Structural Technology[J].
Science and Technology Foresight,
2022
, 1
(4)
: 55
-68
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.04.004
正文
收起
智能化弹药是陆战场火力打击体系中的关键武器。智能化弹药结构技术作为其关键核心技术之一，是满足智能化弹药在运输、贮存、飞行等多维度、复杂环境使用工况约束下，将各分系统可靠连接以匹配总体性能，为部件提供良好的力学、热学等物理环境，实现弹药需要的气动外形，落实弹药智能化的基础载体。
面向现代化战争多任务敏捷响应、弹体分布式柔性制造任务，未来导弹需实现模块化分布生产以及战时阵地级的快速换装，通过模块重构匹配不同打击任务需求，成为未来发展的趋势，而柔性可重构的结构形式也将成为导弹结构的一个标志性特点；针对智能化弹药未来集群协同打击、单体能力提升的要求，需减轻弹药重量并实现弹药多速域飞行，以满足集群作战时的大规模投放及察打一体、一弹多用的需求，因而轻量化、变构型的结构设计以及高可靠的动态抛撒分离技术是集群化弹药性能提升的关键；面向智能化弹药远程快速抵达、高速突防的任务需求，长时间高速飞行让热防护和隐身成为其结构设计的新热点，结构防隔热、隐身等多功能一体化结构设计成为智能化弹药远程化发展的必然趋势；为构建智能化弹药多平台通用、火力延伸的火炮打击体系，弹体装药量、发射初速度不断提高，适配不同口径火炮的通用性需求不断增长，对弹药结构的抗高过载性能、通用化水平提出了更高的要求，因此，抗高过载、通用化的结构设计将是智能化弹药结构设计的特点及研究热点。文章将从以上几个方向，提出智能化弹药结构技术的未来发展建议，以期为智能化弹药在未来跨域联合作战及跨平台、大规模作战中成功运用提供支撑。
1 智能化弹药发展对结构技术的需求
收起
1.1 导弹模块化
现代战争是一种高消耗、高投入的战争，对导弹也提出了更高的要求。首先，实际战场形势瞬息万变，打击目标和打击形式随时可能发生变化，弹药需求多样，要求导弹类型齐全，以满足战场形势不同需求；其次，在满足使用要求前提下需降低导弹系统复杂度，以期缩减研发、生产、使用、维护等方面的时间和费用。这两方面的需求使得导弹武器的装备趋于柔性化，因此，通过导弹模块重构实现对不同需求的匹配，对于提升应对战争灵活性具有十分重要的意义。
模块化是一种现代结构设计方法，是在对导弹系统清晰层次分解的基础上，进行模块化封装，使导弹最终由一系列具有特定功能和通用接口的独立模块组成，如图1所示。模块化结构设计以分解和组合为原则，以通用化的舱段接口设计为基础，以求通过最少的导弹模块组成尽可能多的导弹类型，最大限度满足战场需求。同时，导弹的模块结构设计更容易实现导弹弹族化，使导弹发展更具多样化、系列化前景。
导弹舱段部件的装配是其制造过程的重要阶段，对产品的最终性能、可靠性等方面有重要影响，目前主要的组装形式还是以人工合作，手动为主，生产效率和质量都还有很大提升空间。随着新型武器装备逐渐朝着批量化、多品种、高技战术指标的方向发展，对产品研制效率、装配精度、质量一致性提出了越来越高的要求。柔性装配系统作为一项高效、高可靠的自动化装配工程，成为导弹装配技术发展的必然趋势。它充分结合计算机、数字控制、通信等先进技术，利用各种自动装配工具，通过非人工的方式实现高度装配自动化和装配柔性化。图2为导弹柔性装配过程概念图，通过各种辅助传感元件，自助识别外部环境，并且在产品装配过程中能够适应各种尺寸、质量、工艺、数量、时间、空间的变化，具有一定柔顺能力，让自动装配更加智能化和高效化。
1.2 高空高速空面导弹轻质化
20世纪70年代中期，欧美装备了第一代反坦克导弹，典型产品包括欧洲“霍特”、美国“陶”式等，除发动机壳体采用钢材外，弹体其余部件大多采用铝合金制成，导弹存在质量重、体积大等缺点。20世纪90年代，美国、英国、以色列等国家开发飞行平台挂载的反坦克弹药，为了提升空面导弹射程及整弹刚度，将比强度更高的材料逐渐应用于导弹结构中，以减轻导弹重量并提高结构承载能力。例如，美国1995年研制的“标枪”导弹，其弹体采用镁铝合金制成。21世纪以来，各国开展了新一代空面导弹的研制工作，如美国“海尔法”导弹、英国双模“硫磺石”导弹及中国的“蓝箭”系列导弹等，其特征是具有远程自主作战能力，能够满足多平台发射需求。由于导弹的结构重量直接关系到导弹射程、机动性、平台的载弹量等多方面性能，因此，轻量化的导弹结构设计变得愈发重要，碳纤维等复合材料逐渐被应用于导弹结构之中[1]。
国内外导弹发展历程中的典型型号、特点及轻质化材料应用见图3，可以看出导弹结构中逐渐增加了质轻、高强度材料的应用，这些材料在降低整弹结构质量的同时可提升整体结构抗过载能力，以此满足导弹发展过程中射程增加、发射平台多样化等需求。
1.3 巡飞弹集群化
然而，目前单一巡飞弹在探测范围、制导性能和毁伤能力等方面依然存在局限性，一对一的作战形式应对性能日益提高的精确打击需求变得十分困难，并且随着防御技术的发展，极大限制了单一巡飞弹的突防能力，编队化多弹协同攻击作战模式则显得愈发重要。巡飞弹集群以独特的作战优势得到了各国广泛的关注，集群自助系统协同作战成为了重要发展方向。例如，美军正在研制的空射可回收低成本无人机群项目“小精灵”[4]，通过大型母机把机群巡飞弹搭载到作战空域的边界再进行集群发射和回收，从投送能力和协同攻击两方面提升了巡飞弹药的作战效能。图4展示了巡飞弹投送能力与发射平台的关系。为实现大型运输机对巡飞弹的大规模、远距离、快速、准确的投送，低扰动、高动态、集束抛撒技术成为该领域的热点研究方向，通过低扰动、低过载的抛撒机构设计结合高动态抛撒数值仿真技术，保证抛撒过程中子弹与母弹的安全有效分离，提升弹药突防打击能力。
1.4 制导火箭远程化
高超声速武器由于突防能力优秀，一直是各军事强国的发展重点。随着新材料、新技术的快速发展，超高速武器研制发展速度加快，并形成初步作战能力。制导火箭作为陆军火力压制、打击体系主要力量，缺乏超远程突防能力。超高速、超远程制导火箭的发展，有助于建立、完善综合打击体系。自1997年开始，美国便开展远程制导火箭研究，已研制出“APKWS”系列制导火箭弹、直接攻击制导火箭弹（Direct Attack Guided Rocket, DAGR），以及基于“海玛斯”多管制导火箭炮系统发射的“GMLRS XM30”70 km火箭弹、300 km远程火箭弹等型号[1]。中国已发展了多型号系列化的远程制导火箭炮，如“AR”系列，并以此为基础先后研制出适配的制导火箭弹，其中包括适配“AR1”远程火箭炮的300 mm火箭弹、钻地弹，适配“AR2”的300 mm制导火箭弹，以及适配“AR3”的300、370、750 mm“火龙”系列制导火箭弹等，射程从70 km提升到280 km，甚至更远。美国和中国制导火箭远程化发展示意图如图5所示。
系列化发展的制导火箭不但射程覆盖范围越来越广，机动性也越来越高，随之而来的是其结构设计过程中需充分考虑跨速域飞行带来的隔热、防热等需求。近年来，防热材料合成制造技术及隔热结构创新设计方法不断发展，并与抗高过载设计、低成本制造等技术相结合，形成了多功能一体化的结构设计方法，为远程化制导火箭的发展奠定了坚实基础。此外，随着现代防御技术的持续发展，部分国家已逐步建立起对超声速武器具有拦截能力的防空反导体系，高超声速武器的安全突防未来会受到越来越严重的挑战与威胁。为了进一步提升制导火箭末端突防能力，大机动飞行、雷达隐身性能提升也成为了制导火箭未来发展的另一个方向。因此，在远程制导火箭研发中，要突破高超声速气动外形设计、热防护、超音速大机动飞行控制等关键技术，同时推进高超声速、超燃冲压火箭研发，并在超燃冲压火箭研发中进行隐身设计，才能实现超远程制导火箭的进一步发展。
1.5 炮射弹药通用化
炮射弹药射击精度高、威力大、射程远，是精确火力打击、覆盖的主要手段之一，炮射智能化弹药目前已发展了两代产品[5]，第一代产品以美国155 mm“铜斑蛇”和苏联152 mm“红土地”为代表，仅能够对地面定点和移动慢目标进行打击。第二代以美国155 mm“神剑”系列制导炮弹为代表，采用GPS（Global Positioning System，全球定位系统）/INS（Inertial Navigation System，惯性导航系统）制导体制和减阻增程技术，实现打击精度和射程的飞跃[6]。中国现有火炮平台较多，有155、152、122 mm等口径，以适应战场不同作战需求。此外，电磁发射技术的应用也是对传统火炮发射方式的一项重大突破，其具备初速高、隐蔽性好、反应迅速、成本低等优点，目前美国研制的超高速制导炮弹炮口初速最大可达7 Ma[7]。随着电磁炮的发展，炮射弹药发射过载可达25000 g，因此在炮射弹药结构设计过程中要着重考虑各结构元件的抗高过载能力，对于机械、电子通信等连接接口也应考虑通用化的高可靠结构设计，以保证炮射弹药零部件在高过载环境下可无损正常工作，提升炮射弹药整体性能。炮射弹药射程及发射过载示意图见图6。
此外，炮射弹药弹翼展开机构、舵机等关键零部件的品质均对炮射弹药的性能产生重要影响。目前不同类型炮射弹药零部件尺寸约束及性能变化要求较高，生产装配过程复杂，因此，需对不同系列、不同弹径的零部件进行统型，优化结构设计布局，研究具有柔性化、通用化特点的零部件设计方案，以此提升炮射弹药产能及装配效率，满足现代化战争弹药消耗规模大的需求。
2 智能化弹药结构技术发展现状
收起
2.1 模块化、系列化、通用化弹药技术
单一作战目的智能化弹药已无法适应复杂、多变的战场环境，多用途作战、模块化换装、系列化使用智能化弹药成为战场需求产品。这同时也赋予了产品能够多平台兼容挂装的能力，也使得弹药面临更复杂的飞行情况。
美国“标准”系列舰空导弹、欧洲“紫苑”系列面空导弹和俄罗斯的“C-300B”“C-400”等防空导弹已经具备了模块化、系列化设计雏形。随着技术的不断发展，弹药模块化设计不断成熟，已应用到多个弹药的型号装备中。欧洲导弹集团（MBDA）英国公司通过模块化设计研制了3种型号的通用防空模块化导弹，即空射型通用防空模块化导弹、陆射型通用防空模块化导弹和海射型通用防空模块化导弹，以满足英国海陆空三军目前和未来防空作战需求。该型导弹通过零部件模块化、软件通用化达到成本最小化的目的，既降低作战成本，又提高维护效率。美国联合直接攻击弹药（Joint Direct Attack Munition, JDAM）尾部装置采用模块化设计，作为通用模块与不同的战斗部连接，形成了不同型号的JDAM制导炸弹，如图7所示。增程型联合直接攻击弹药（JDAM-ER）在原有构型基础上，通过模块化设计，加装钻石背弹翼组件，炸弹的滑翔距离可以超过60 km，大大提高了载机的生存能力。美国JADM通过模块化设计形成了系列化产品，缩短了研发时间，降低了研制成本。
中国研制的机载空地导弹、“AG”系列多用途导弹、“蓝箭”系列导弹等项目逐步实现了模块化、系列化、多平台兼容。随着新技术的不断突破，智能化弹药会向系列化程度更高、模块化换装更简便、多平台适应性更强的方向发展。
2.2 轻量化结构技术
如前所述，轻量化是先进导弹武器发展的一个重要趋势，复合材料具有比强度好、比刚度高等优良特性，可有效减轻结构重量，提高武器作战效能。国外早在20世纪80年代就开展了导弹结构复合材料应用的相关研究。早期主要应用在非承力结构上，如美国海射“战斧”巡航导弹的天线罩、整流罩、进气道等均为复合材料结构；近年来，复合材料已被广泛应用于导弹的各类主要承力结构件，如雷锡恩公司采用树脂转移成型技术（Resin Transfer Molding, RTM）和纤维缠绕技术，制成了石墨纤维增强双马来酰亚胺（Gr/BMI）复合材料弹体；麦道公司采用低成本的非热压灌工艺制造了石墨纤维增强热塑工程塑料（Gr/PBI）复合材料导弹尾翼；美国空军材料试验室采用S玻璃纤维R-15制造了近程空空导弹（Short-Range Air-to-Air Missile, SRAAM）的复合材料弹体和弹翼。
2.3 动态抛撒与折叠翼技术
巡飞与集群飞行器从平台中分离抛撒的过程具有高动态、可靠性分离要求高等特点，目前先进的巡飞弹集群协同作战多采用大型运输机抛撒，如图10所示。现有的巡飞与集群飞行器抛撒方式大多采用子母弹分离的抛撒方式，可分为机械力分离抛撒、惯性动能抛撒、活塞式抛撒、爆炸抛撒、燃气囊式抛撒和中心燃气式抛散，许多学者针对不同子母弹机构做了大量研究。张成等[10]设计了一种金属材质（304不锈钢）的抛撒气囊，从承压强度和对子弹抛撒姿态的影响两方面验证了金属气囊用于机载布撒器抛撒系统的可行性，解决了橡胶/芳纶材质的外燃式子弹抛撒机构气囊承压强度较低、耐氧化性较差的问题。陶如意等[11]对有活塞最大行程限制的子母弹活塞式抛撒机构空中抛撒内弹道过程及子弹外弹道初始条件计算方法进行了探讨，为活塞式抛撒机构的结构设计、结构优化及空中抛撒散布效果分析提供了理论指导。高欣宝等[12]针对大口径干扰弹分散性差、成烟面积小等问题，围绕子母式干扰弹进行结构设计，并基于内弹道理论，分析建立了抛撒过程模型，通过静态抛撒试验测试，验证了战斗部结构设计的合理性与抛撒策略的可行性，为干扰弹设计提供了理论支撑。田斌[13]采用理论分析、数值模拟和实验研究相互结合的方法，在充分研究了爆炸冲击波传播理论、材料理论、装甲与反装甲技术理论等的基础上，提出了能够防止子母弹内密集排置的子弹相互殉爆的方法，为子母弹结构设计提供一种思路。
此外，小尺寸贮运发射与大翼展飞行的矛盾也是巡飞弹结构设计的一个难点。为解决此问题，国内外科研人员进行了大量的变形机构设计。美国“Quicklook”巡飞弹采用充气翼，展开前为Z折叠结构，如图11（a）所示[14]。“弹簧刀”巡飞弹采用前后折叠的串联翼结构，发射前在贮运发射筒内为折叠状态，发射离筒后迅速展开弹翼，如图11（b）所示[15]。国内研究方面，席渊明等[16]提出了旋转式弹翼展开机构，采用扭簧作为弹翼展开机构的动力源，锁紧机构也采用小线径压缩弹簧作为动力源。王竟等[17]针对炮射折叠弹翼机构进行分析、设计及优化，设计的微型伺服机构折叠弹翼能满足炮射情况的安全展开要求。张玲等[18]提出了一种基于形状记忆合金（Shape Memory Alloys, SMA）驱动方式折叠弹翼的设计，在不改变弹翼外表的条件下，采用形状记忆合金丝的折叠机构能够很好地实现弹翼的展开运动。
虽然上述工作使巡飞弹得到了长足发展，但面向未来远程作战任务的巡飞弹，还需要能够根据飞行环境、战场环境、作战任务等需求自适应主动改变飞行器构型，实现变速度、高机动以及长航时、大空域、经济飞行，提高巡飞弹的航程和机动能力。从国内外发展趋势来看，智能变形结构技术主要有两个方向：第一，采用新型轻质机构、新材料以及高效驱动技术对刚性变形结构进行改进升级，使其达到工程应用水平；第二，研究变体飞行器结构，基于智能材料的智能变形结构，实现轻质柔顺的变形。只有将两者相互结合，取长补短，才能使其尽快实现工程应用。
2.4 防隔热结构一体化设计技术
制导火箭和导弹高速飞行时气动加热剧烈，产生的高温会造成结构外形烧蚀、内部设施无法正常工作等问题，需要进行热防护设计。美国为满足制导火箭等弹药对防热的更高要求，研制了各种隔热结构和材料，如高温特性材料（High Temperature Polymer, HTP）等刚性隔热材料和新型复合柔性隔热毡（Composite Flexible Blanket Insulating, CFBI）等柔性隔热材料，以及新型高温辐射防热材料——超高温陶瓷基复合材料（硼化物+碳化硅），该材料是抗氧化性最强的高温材料，耐热温度高达2200 ℃。英国在碳纤维增强复合材料（C/C）抗氧化涂层方面也取得了进展。欧洲在陶瓷基复合材料包括碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SIC/SiC）方面的研究进展也很快，其中C/SiC具有良好的高温性能[19]。
中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所、西北工业大学、国防科技大学、中国科学院金属研究所等也开展了抗氧化C/C和C/SiC复合材料的研究，发展了如炭布叠层、针刺炭毡等薄壁热结构面板材料，陶瓷纤维棉毡填充的多层反射结构以及防隔热组合结构等。近年来，高速智能化弹药的热防护逐渐走向防热与承载相结合的多功能一体化发展新方向。对此，中国开展了波纹夹芯承载-防热一体化结构的热力耦合分析研究，证明了此类结构在高超声速飞行器中应用的可行性。
2.5 抗高过载结构技术
炮射智能化弹药的特点在于发射初始阶段要经受特别恶劣的高过载环境，因此耐内弹道环境、耐高过载的弹体结构设计技术是炮射弹药发展的重要技术支撑。此外，低阻力尾翼设计技术、弹炮匹配性分析技术以及高过载地面试验技术等也是炮射弹药结构设计过程中的关键技术。
中国现有研究主要从炮射弹药部件抗过载平台、导带环、装药衬垫、发动机装药结构等方面开展了抗高过载结构设计技术探索。魏晓凯等提出了一种滚转稳定平台抗高过载结构设计优化方法，通过该方法设计的高过载结构能进一步增强炮射导弹环境下滚转稳定平台的稳定性，增强其抗干扰与抗过载能力（图13）[21]。刘猛等对线膛火炮发射弹药的三圆孔式滑动导带环结构形式、作用原理进行分析研究，提出了滑动导带体强度与铜制导带强度的计算方法，通过计算与仿真，得出该滑动导带环的结构强度满足设计要求，减旋与闭气效果满足设计要求的结论（图14）[22]。章森[23]开展了炮射导弹通用行为模块研究，对展开机构进行了零部件行为模块的研究，进行了行为模式分析，对弹体弹簧中径进行了参数扰动模块研究，利用风速进行了环境扰动模块研究，为炮射导弹部件与结构的可靠性提供了依据。隋欣等[24]分析了衬垫材料变化对装药抗过载能力的影响，以及衬垫厚度和发射过程中炮射弹药过载持续时间对装药内部等效应力的影响。李天翊[25]构建了本构模型用于发动机装药结构的完整性分析，研究了不同弹性模量及厚度的缓冲垫对装药力学响应的影响。通过采用抗高过载冲击试验及计算仿真迭代技术，使用精密加工制作的高抗过载微机电系统惯性元器件以及对弹上各部件进行封装固化、增加缓冲装置等技术手段，中国炮射弹药的耐高过载能力已达到世界先进水平。
3 智能化弹药结构技术发展趋势及建议
收起
新军事变革的不断发展，高新技术特别是智能技术、信息技术的迅猛发展，均推动着战争技术的加速转变，未来作战呈现如下3种趋势：一是一体化联合作战将成为未来局部战争的基本作战形式，陆、海、空等军种基于统一化的互联互通技术，实现战场态势共享，敏捷地对兵力进行配置，对敌方目标实施准确、高效地打击；二是有人/无人协同作战将成为未来主要的作战形式，智能化、无人化成为未来装备发展的趋势和推动战争形态演变的重要支点；三是非接触、非线性、泛化作战使战争更为复杂，未来陆军作战的战场环境日趋复杂和多样化，作战后方的概念淡化，战役、战术的界线将更加模糊。
面向未来作战跨域联合、有人无人协同、非线性化的发展趋势，智能化弹药作为陆战场主要打击火力，将面临作战环境复杂化、多域化，作战使用规模化、敏捷化，功能需求多样化的发展需求。而结构技术作为智能化弹药的关键支撑技术，需推动通用化、系列化、模块化的结构设计，提升弹药多平台挂载、模块可更换配置、大规模制造能力，以支撑智能化弹药的大规模、多平台运用；发展小型化、轻量化集成的结构设计技术，抗高过载、高可靠的弹药结构技术，多功能一体化结构设计技术，以提高智能化弹药适应复杂环境、功能高度集成化的能力；发展低扰动、高动态、集束抛撒技术，实现智能化弹药远距离、大规模集群、快速精准投送能力，以提升智能化弹药在战场使用中的敏捷性、准确性。结合具体的技术路线及特征，智能化弹药结构技术发展趋势及建议为如下5方面。
3.1 通用化、系列化、模块化的结构设计技术
随着未来战争形式、冲突样式的多样化，智能化弹药在未来战场中可匹配的平台类型不断增加，其作战用途也逐步丰富，消耗数量也在进一步提升，而通过种类繁多弹药匹配不同挂载平台和任务用途需求的方式会带来巨大的成本，并对后勤保障及生产制造提出更高的要求。因此，智能化弹药的发展需基于通用化、系列化、模块化设计的思路以及大规模、低成本的一体化制造模式，通过弹族系列化来满足多样化的平台挂载及任务用途需求，通过大规模、低成本的制造模式满足未来作战弹药补给需求，具体可以分为以下4方面。
（1）弹架通用化接口设计技术。随着无人化平台，如无人机、无人车、无人船的出现，弹药可挂载平台已由以往的装甲车辆、军用飞机、水平舰艇，拓展到各类的有人、无人平台。同时，在弹药的大规模使用过程中，为避免不同的专用弹架接口使用而导致发射装置与弹药种类增多，设计中应统一弹药与发射装置的机械、电气接口，通过通用化的接口设计，实现多种弹药类型与同种发射装置的匹配，减少弹药维护保障的负担。
（2）弹族系列化协同设计技术。为满足未来战场攻击及毁伤需求不断多样化的发展需求，在单一类型弹药基础上应发展出不同制导模式、不同毁伤方式、不同动力形式的系列化弹族。若仅采用传统的“一弹一方案”设计模式，系列化弹族设计的工作量将成倍增长。虽然弹族存在制导、毁伤、动力上的差异，但还是具有不少共同的部件。因此，应基于弹族内多型弹药的协同布局、多约束下物理量参数匹配等设计方法，通过一次设计获得整个弹族方案，这不仅能够减少设计时间，还能提升通用化部件占比，降低弹族的成本。
（3）模块化弹药机电一体化接口设计技术。未来战场中弹药将以模块的形式存在，通过模块快速地换装组合以敏捷、精确地匹配不同打击需求。由于作战前线的保障、技术条件与弹药生产厂的配套条件差距较大，模块化快速换装组合的便利性将成为作战成败的一项关键因素，而快速更换的模块化弹药接口设计研究就成为实现弹药模块高效组合的有效途径。为了满足弹药机械、电气方面的要求，快速更换接口需要同时实现模块间快速、可靠的连接，通常以机械接口与电气接插件拔插相组合的形式出现，组装效率有限。随着无线传能技术的发展，未来模块化弹药的接口设计将会是机电一体化、高度融合的方案，以提升模块组装效率，增强模块组合的便利性。
（4）面向大规模制造的低成本结构设计技术。针对弹药未来大规模使用的需求，结合弹药有限使用寿命的特点，从结构设计角度出发，研究面向大规模制造的低成本材料与成型工艺集成应用设计技术，通过降低零件制造复杂度，合理选择零件材料、表面防护材料、表面处理要求及热处理工艺环节，降低零件制造成本；基于标准件、开展结构接口设计，降低接口形式成本；设计中考虑自动化、流水线的装配要求，形成适合大规模生产设计方案，提升效率，降低装配成本。由此，通过面向大规模制造的低成本结构设计技术发展，支撑弹药的大规模生产，满足未来战争智能化弹药“打得好、耗得起”的要求。
3.2 小型化、轻量化集成的结构设计技术
未来战场复杂性的提升对智能化弹药的能力提出了更高的要求，如隐身性能、密集挂载集群发射等，这使得智能化弹药需具备内埋式挂装以及密集装填等多种功能。在智能化弹药强尺寸约束及轻量化的要求下，智能化弹药结构小型、轻量一体化设计就成为了必然发展趋势。
拓扑优化技术为典型的轻量化结构设计方法，通过将设计域内的材料分布作为设计变量，可自由设计实体与孔洞的分布、形状、大小与位置，从而最大限度地发掘材料潜力与结构轻量化性能，目前已广泛应用于航空航天等高端装备结构设计中。同时，拓扑优化后的结构形式较为复杂，可制造性无法保证。因此，建议深入研究，考虑多种制造工艺约束的小型结构拓扑优化方法，并结合加工工艺新技术，实现复杂小型轻量化结构快速、低成本制造。
3.3 低扰动、高动态、集束抛撒及分离技术
未来战场前线与后方的模糊导致作战地域的扩大，对抗形式更为复杂多样，这对智能化弹药运用的敏捷性要求更高。为了实现智能化弹药远距离、快速、准确地投送，形成大规模集群化运用，低扰动、高动态、集束抛撒技术将是未来的发展方向。依据整个抛撒流程，可以分为母弹与子弹匹配设计、抛撒机构设计、抛撒分离仿真分析等技术方面，具体如下。
（1）基于数字孪生的母弹与子弹匹配设计技术。为了实现对弹药的密集运载与投放，需要在运载平台内部有限空间尺寸约束下对子弹进行密集布置，设计机械、电气接口，并评估子弹的布置对运载平台物理量参数的影响，构建子弹与母弹协同匹配迭代设计流程。该设计技术主要依赖于数值化建模手段的效率以及模型特征的精细度，而现有基于模型的设计方法，过于依赖设计人员的经验，设计迭代次数多、周期长。随着数字孪生技术的普及和发展，未来在运载母弹、子弹全属性虚拟数值样机的基础上，基于数字孪生的母弹与子弹匹配设计技术将从空间布置、物理量匹配、接口匹配设计等偏总体设计层面，拓展到信号交联、安装构型设计等物理属性层面，设计的效率、周期、精细化程度都会有所提升。
（2）低扰动、低冲击过载的抛撒机构设计技术。抛撒机构是实现子弹、母弹有效分离的关键，抛撒机构设计技术成为影响集束抛撒成败的关键。现有的抛撒机构大多采用火工品作为动解锁，机械或火工推动子弹分离的方式。虽然整个分离过程速度快、可靠性高、子弹分离速度大，但分离带来的上百g横向过载、以及上千g的瞬时冲击响应，将会对子弹电气设备、结构带来致命性的危害。随着新材料、新结构技术的不断发展，压电材料、记忆合金等材料的出现使得高能比、低冲击的新型储能元件成为可能，它与传统的展开机构形式相融合，可形成低扰动、低冲击过载的抛撒机构设计技术，在实现子母弹可靠分离的同时，降低子弹分离时的过载及瞬时冲击，减少其对子弹的次生危害。
（3）高动态抛撒分离仿真分析技术。由于子弹与母弹的速度存在巨大差异，子弹抛撒过程中需要进行有效的分离、减速，以确保子弹正常工作及母弹的安全性。对于这类子、母弹的分离，一般存在主体与分离物以及分离物之间的干扰问题。不仅如此，由于子、母弹抛撒状态的组合外形非常复杂，干扰流场极其复杂，导致分离过程中子、母弹之间的分离过程仿真难度进一步加大。现有常规计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法难以模拟动态分离中的复杂流动干扰问题，并且通过商用CFD软件计算抛撒分离过程，在计算效率、计算结果准确性方面也难以满足要求。由此可见，高动态抛撒分离仿真分析技术将成为未来实现低扰动、高动态、集束抛撒的关键技术，需要重点开展相关研究工作。
3.4 结构多功能一体化设计
随着防御拦截系统性能的不断提升，对智能化弹药的突防能力提出了更高的要求，如高速机动、雷达、红外隐身等能力，为高效满足各项需求，智能化弹药结构承载、防热、隐身等多功能一体化设计成为了必然发展趋势，具体可分为以下两个方面。
（1）承载-防热一体化结构设计。随着制导火箭射程不断延拓，在大气层中高超音速飞行时间也不断增长，使其面临更为严酷的热力环境，对结构承载-防热性能提出了更高要求。承载-防热一体化的结构设计是实现复杂薄壁结构件极端耐热、超高承载和超轻量化的关键。需要从构件系统角度出发，通过多材料细观布局与结构宏观构型的精细匹配，来保证多材料、多尺度结构间热-机械物性的梯度过渡，实现系统承载-防热一体化。因此，针对高性能构件防热-承载性能一体化设计要求，需要开展如陶瓷基复合材料、金属材料与点阵多孔夹芯等的匹配设计研究，建立极端热力耦合服役环境下考虑温度梯度、材料梯度的构件承载、防隔热性能表征计算模型，发展细观尺度下微结构构型、多材料梯度布局优化设计方法，为制导火箭构件的研制提供支持。
（2）承载-隐身一体化结构设计。为了提升智能化弹药生存能力，全向宽频隐身已成为未来飞行器突防至关重要的技术指标。弹药隐身是气动、结构、电磁、红外热学等多学科深度融合的设计技术，因此，需要从气动、结构总体布局、材料、制造等多个维度出发，构建弹药隐身设计技术体系。一方面，需要发展具有异质材料与结构的散射源（Radar Cross Section, RCS）与跨尺度复合材料电磁特征计算模型，建立细观尺度下复材组分、多孔结构构型布局优化设计方法，进行电磁散射源结构与飞行器外形的几何共形设计；另一方面，还需建立以材料-结构承载性能、吸/透波隐身性能、维形刚度性能、动力学性能和减轻重量为核心目标的复合材料多尺度一体化优化设计方法理论及性能评估机制，并在此基础上实现连续纤维复合材料微观梯度组分、随形多孔夹芯结构和宏观骨架结构的匹配优化设计。两者结合以实现智能化弹药承载-隐身一体化设计，提升智能化弹药在未来复杂对抗作战环境下的生存力。
3.5 抗高过载、高可靠的弹药结构设计及验证
炮射弹药作为陆军火力打击主要手段，承担了火力覆盖、精确打击等多种任务，随着未来作战范围不断扩大，炮射弹药的射程也不断提升，由此带来的高过载问题也愈发严重，对弹药结构抗高过载、高可靠的结构设计技术发展的需求也愈发强烈，主要可以分为以下两个方面。
（1）抗高过载弹药结构性能分析技术。高过载弹药领域的结构仿真技术，目前还以静力学分析理论模拟动力学过程、弹药结构与身管结构单独分析为主，但由于高过载弹药的发射过程是强动态作用过程，且存在多种力学环境与多种物理场耦合作用，传统的分析手段存在精度差、分析与试验误差大、设计指导性不强的问题，无法满足炮射弹药结构发射过程仿真分析需求。随着计算机技术与数值计算技术的快速发展，未来结构仿真分析技术将向着更加真实模拟弹药发射过程中存在的多种力学环境综合作用的方向发展，实现由静力学到动力学、线性分析到考虑损伤过程的高度非线性分析、单一部件单一环境分析到多体多物理场的耦合分析转变，以满足高过载弹药研制更加高效的要求。
（2）抗高过载弹药结构性能试验技术。地面试验是高过载弹药结构方案合理性的有效验证手段，试验验证技术目前包含静力试验技术、冲击响应谱试验技术、空气炮试验技术及尾翼机构动态展开性能试验技术等多个方面。然而，高过载弹药结构试验技术目前都基于单一工况进行，同时单项试验技术的能力也逐渐无法满足弹药能力的提升需求。随着高过载弹药性能不断提升及装备研制周期的明显缩短，要求在地面阶段即能够实现对弹药性能的充分考核。为模拟弹药结构在实际工作过程中多方向、多类型、多物理场综合作用下的复杂受力环境，高过载弹药结构试验技术将向着联合试验技术方向发展。随着炮射弹药的射程提升，其发射过载量值已由10000~15000 g，上升到20000~30000 g水平，高过载弹药结构试验技术也将向高量值方向发展。
4 结束语
收起
智能化弹药作为精确打击火力，是整个战场火力打击的重要环节，相关技术的发展一直备受各军事强国关注。结构技术作为智能化弹药总体与各分系统的关键纽带，其对弹药的支撑作用不言而喻，是各军事强国持续重点发展的领域。结合未来智能化弹药发展，其结构技术应面向通用化、系列化、模块化，小型化、轻量化集成，低扰动、高动态、集束抛撒与分离，多功能一体化，抗高过载、高可靠等几个方面不断发展，以满足智能化弹药作战环境复杂化、多域化，作战使用规模化、敏捷化，功能需求多样化的发展需求，推动智能化弹药能力的提升，为未来作战中智能火力打击体系构建奠定基础。
文献
收起
参考文献
引证文献
排序方式：
[1]
凌忆, 苏航, 魏锦萍, 等. 国外典型武装直升机及其机载武器装备手册[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2014.
[2]
庞艳珂, 韩磊, 张民权, 等. 攻击型巡飞弹技术现状及发展趋势[J]. 兵工学报, 2010, 31(2): 149-152.
[3]
吕凡超. 小型巡飞弹发展现状与展望[J]. 电光系统, 2018(2): 1-5.
[4]
黄雷. 美军小精灵无人机群项目发展现状综述[J]. 飞航导弹, 2018(7): 44-47.
[5]
白毅, 仲海东, 秦雅娟, 等. 国外制导炮弹发展综述[J]. 飞航导弹, 2013(5): 33-38.
[6]
赵保全, 王绍慧, 邹博安. 美国神剑制导炮弹发展分析[J]. 飞航导弹, 2020(8): 91-96.
[7]
马晓平, 廖欣, 陈兵. 电磁发射超高速制导炮弹国内外研究现状综述[J]. 空天防御, 2021, 4(2): 87-92.
[8]
张德刚, 陈纲. 碳纤维树脂基复合材料在防空导弹上的应用[J]. 现代防御技术, 2018, 46(2): 24-31.
[9]
[10]
张成, 王浩, 江坤, 等. 机载布撒器金属气囊的结构设计与性能分析[J]. 兵工学报, 2017, 38(7): 1451-1456.
[11]
陶如意, 王浩, 黄蓓. 子母弹活塞式抛撒机构空中抛撒模型及仿真研究[J]. 兵工学报, 2009, 30(3): 282-288.
[12]
高欣宝, 李笑楠, 陈浩. 子母式干扰弹战斗部结构设计与抛撒策略[J]. 陆军工程大学学报, 2022, 1(3): 56-61.
[13]
田斌. 子母弹内子弹的殉爆防护技术研究[D]. 太原: 中北大学, 2020.
[14]
李佳, 王昊宇, 房玉军. 柔性充气翼在巡飞弹上的应用[J]. 飞航导弹, 2015(8): 60-64.
[15]
王宏伟. 弹射折叠翼飞行机器人设计与分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.
[16]
席渊明, 宋梅利, 王晓鸣, 等. 弹翼展开机构的设计[J]. 机械制造与自动化, 2017, 46(3): 200-203.
[17]
王竟, 陈永红. 微型伺服机构折叠弹翼设计和优化[J]. 自动化与仪器仪表, 2020(12): 254-258.
[18]
张玲, 张世武, 孟建新. 形状记忆合金驱动的折叠弹翼的结构设计[J]. 航空兵器, 2012(3): 8-10.
[19]
罗楚养, 孙毓凯, 王文博, 等. 空空导弹结构技术的研究进展[J]. 航空兵器, 2019, 26(5): 1-10.
[20]
谢永旺, 夏雨, 许学伟, 等. 航天飞行器热防护系统研究概况及其发展趋势[J]. 空天技术, 2022(4): 73-86.
[21]
魏晓凯, 李杰, 冯凯强, 等. 滚转稳定平台抗高过载结构优化设计与分析[J]. 中国惯性技术学报, 2018, 26(5): 603-609.
[22]
刘猛, 潘明然, 高志斌, 等. 炮射弹药滑动导带环结构设计[J]. 弹箭与制导学报, 2021, 41(3): 39-42.
[23]
章森. 炮射导弹通用行为模块研究[D]. 太原: 中北大学, 2020.
[24]
隋欣, 魏志军, 王宁飞, 等. 炮射导弹发射过程中装药衬垫材料对抗过载能力的影响计算分析[J]. 兵工学报, 2009, 30(6): 709-713.
[25]
李天翊. 炮射导弹用发动机装药结构完整性分析[D]. 南京: 南京理工大学, 2020.
2022年第1卷第4期
PDF下载
5994
3788
引用本文
BibTeX
文章信息
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.04.004
- 接收时间：2022-10-24
- 出版时间：2022-12-20
- 发布时间：2023-01-17
补充材料
相关文章
表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
关闭全屏
