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战斧式巡航导弹
战斧式巡航导弹
摘要:
20世纪70年代初期,因微电子、小型航空发动机及隐身技术等高科技的进步,巡航导弹开始进入新的发展阶段。
又因为当时,美苏签署了限制洲际弹道导弹“第一阶段限制战略武器条约”,为巡航导弹发展提供了条件后,两国大力发展巡航导弹。
在这个时间段,美国发展出了海基,空基与陆基版的“战斧”巡航导弹。
关键词:
战斧式、弹翼结构、机构原理
1.战斧式巡航导弹概述
1.1战斧式巡航导弹特点
BGM-109巡航导弹(英文:
BGM-109Cruisemissile),绰号“战斧”(英文:
Tomahawk)是美国研制的一种从敌防御火力圈外投射的纵深打击武器,能够自陆地,船舰,空中与水面下发射,攻击舰艇或陆上目标,主要用于对严密设防区域的目标实施精确攻击,是美国现役最主要的巡航导弹和远程打击力量之一。
BGM-109在1970年由通用动力公司推出,1972年开始研制,1976年首次试飞,1983年装备部队。
该导弹飞行速度快,在航行中采用惯性制导加地形匹配或卫星全球定位修正制导,可以自动调整高度和速度进行高速攻击。
导弹表层有吸收雷达波的涂层,具有隐身飞行性能,是美国军械库中最有威力的“防空区外发射”导弹。
具有低空飞行、命中率高等特点。
如图1所示图1战斧式巡航导弹
1.2战斧式巡航导弹分类
战斧式巡航导弹是一个系列的导弹名称。
其外型尺寸、重量、助推器、发射平台都基本相同,不同之处主要是弹头、发动机和制导系统。
在美国三军通用编号当中,BGM-109为陆射型,AGM-109为舰射型,U/RGM-109则是舰射反舰型,一般统称为BGM-109,它们的基本构型都是相同的。
其最大时速891公里,最大高度30公里,陆上平坦地区为60米以下,山地为150米,具有很强的低空突防能力。
弹头命中精确度10米(后经改进精确度为1米)。
因发射的母体不同,发射方式也有所区别。
如图2所示。
图2战斧式巡航导弹分类
1.2.1BGM-109A对陆核攻击型战斧
该导弹属舰(潜)对陆型,1984年6月部署,计划产量1000枚,其中190枚部署于水面舰艇,194枚部署于攻击潜艇,用以执行全球战区对地面目标的核攻击任务,并作为战略后备力量执行核大战后期打击任务。
该弹制导系统采用麦道公司研制的以地形匹配修正的惯性导航系统(TAINS),控制系统采用全数字化自动驾仪和AN—194型雷达高度表,发射指挥系统为MK117火控系统,动力装置采用固体火箭助推器和涡轮风扇发动机。
导弹射程2500千米,巡航高度15~152米,巡航速度0.72马赫,战斗部重122.5公斤,内装当量可调的20万吨级的W—80-1型核弹头。
如图3所示。
图3BGM-109A对陆核攻击型战斧
1.2.2BGM-109B反舰巡航导弹
该导弹属舰(潜)对舰型。
1981年开始作战试验和鉴定,1983年11月潜射型初具作战能力,1984年3月舰射型初具作战能力。
它主要用来装备洛杉矶级攻击型核潜艇、新泽西号战列舰和斯普鲁恩级驱逐舰。
1980年计划总产量为243枚,1986年增至593枚。
导弹外形尺寸与BGM-109A相同,助推器采用固体助推火箭。
中段制导采用捷联式惯性制导系统,由三个速率陀螺和一个加速度陀螺组成姿态参考系统,由计算机/自动驾驶仪控制导弹飞行姿态,由AN/ADN-194型高度表控制飞行高度;末制导采用PR-53/PSQ-28主动雷达导引头。
战斗部采用“小斗犬B”半穿甲战斗部,重454公斤。
其改进型为BGM-109E,射程460千米。
如图4所示。
图4BGM-109B反舰巡航导弹
1.2.3BGM-109C常规对陆攻击导弹
该导弹属舰(潜)对地型,1981年初开始研制,1982年初装备潜艇,1983年6月装备水面舰船,主要用来装备攻击型核潜艇和护卫舰级以上的水面战舰,以攻击敌方海军航空兵基地指挥中心、桥梁、油库等陆上重要目标。
导弹计划总产量为2643枚,制导系统为惯性导航加地形匹配加数字式景象匹配区域相关器(DSMAC)末制导。
导弹配备高能弹头,射程1300千米,巡航高度15~150米巡航速度0.72马赫,命中精度小于10米。
如图5所示。
图5BGM-109C常规对陆攻击导弹
1.2.4BGM-109D布撒型对陆攻击导弹
该导弹属海对地型,于1988年装备部队,射程875千米,巡航高度15~150米,巡航速度0.72马赫,配备子母弹头,装有近166枚BLU-97B小口径炸弹。
其改进型为BGM-109F。
1.2.5BLOCK3对陆攻击导弹
该导弹属舰(潜)对陆型,以BGM-109C/D为基础加以改进,1993装备部队。
采用先进的F107-WR-402型发动机,射程为1667公里(舰射型)或1127公里(潜射型),巡航速度0.72马赫,命中精度3~6米,战斗部采用WDU-36B钝感炸药高效战斗部,采用惯性和GPS+DSMAC2A制导。
1.2.6“战术战斧”Block4型导弹
该弹从“战斧”Block3型发展而来,由雷锡恩导弹系统公司研制,已于2004年进入美国海军服役。
其主要特点是:
具备双向卫星信号传输功能,指挥官可以在导弹飞行途中改变攻击目标,转而打击预先输入的后备目标或者按外部提供的目标GPS坐标重新瞄准;导弹还能够在战区上空长时间徘徊,以等待接收攻击“高价值目标”的指令;此外,“战术战斧”还可将飞行状态和精确打击情况反馈给作战人员,并能将部分战场损坏图像传回作战舰艇,而导弹系统本身还综合了改进型反干扰全球定位系统。
美海军计划耗资16亿美元采购超过2200枚“战术战斧”导弹,采购期为5年。
每枚“战术战斧”导弹的售价大约为72.9万美元,仅仅为当前装备海军的“战斧”Block3型导弹售价的一半。
图6“战术战斧”Block4型导弹
1.3战斧式巡航导弹战斗性能
导弹飞行速度快,在航行中采用惯性制导加地形匹配或卫星全球定位修正制导,可以自动调整高度和速度进行攻击。
美国历次海外战争行动都可见其身影,而且美军开战时多次先发射战斧巡航导弹攻击敌方高价值的军事目标,如军事指挥中心,空军基地,导弹发射基地等。
该导弹的优点在于:
在航行中采用惯性制导加地形匹配或卫星全球定位修正制导,可以自动调整高度和速度进行高速攻击。
导弹表层有吸收雷达波的涂层,具有隐身飞行性能,是美国军械库中最有威力的“防空区外发射”导弹。
这种巡航导弹的射程可以超过2500公里。
雷达很难探测到飞行的“战斧”导弹,因为这种导弹有着较小的雷达横截面,并且飞行高度较低。
该导弹的不足在于:
战斧式巡航导弹为亚音速导弹,飞行速度较慢,且飞行高度较低,容易被地面防空炮火击落。
同时由于导弹携带的发动机、制导系统和燃料负载限制了弹头的尺寸,所以“战斧”式巡航导弹打击钢筋混凝土目标时效果不是太好;精确度不如激光制导炸弹,而且容易发生机械故障;造价远高于常规炸弹等。
2.战斧式巡航导弹(舱段、弹翼)结构设计
2.1BGM-109C常规对陆攻击导弹舱段及弹翼设计
BGM-109C战斧导弹弹长6.24米,弹径0.527米,翼展2.65米。
弹头为钝圆形,弹体呈柱形。
采用二组控制翼面,第一组在弹尾、4片呈“X”形安装,前缘后掠,第二组在弹体中部,2片对称弹体安装,翼展较大,呈梯形。
其气动布局之所以采用面对面翼面布置是因为这一对较大的弹翼为导弹提供了较大的升力,升阻比大,减少了燃料的消耗,相对减轻了导弹的质量,并有效保证了导弹的航程。
而且采用这种设计使导弹雷达反射面积达到最小,有力的保证了导弹的突防能力和生存能力,这是巡航导弹所必须具备的。
尾翼采用“X”便于载机悬挂和地面发射,并且保证了升力的大小和作用点与导弹绕纵轴旋转无关,这一点对于掠海飞行十分重要。
其次保证了导弹的操纵性,并且由于各方向升力都有快速响应的特点,简化了控制与制导系统的设计。
战斧导弹的面对称布局决定了它采用BTT式转弯,这种转弯方式首先要做滚转运动,因而响应慢,过渡过程时间长,将会导致较大的制导误差,对控制系统要求较高,不适合高机动。
之所以采用是因为,巡航导弹对机动性要求不高,其大部分时间处于巡航状态。
其次,BTT转弯提供了较大的向心力,保证了各个方向都有较大的需用过载。
与STT转弯相比,在改善与提高导弹的机动性,飞行速度,作战射程和命中精度等方面均有优势。
从翼面沿弹身纵轴的布置形式来看,战斧式巡航导弹采用了正常式布局,这也是设计中最常见的。
一方面,正常式导弹的横滚稳定性要比鸭式布局要好,简化了控制的难度。
另一方面,正常式导弹纵向和横向静稳定性较好。
同时正常式布局还有不必再弹翼上安置副翼的优点,可以简化操纵机构。
其舵偏角与导弹攻角方向相反,可增大可用攻角,提供升力大,间接增大了巡航导弹的射程。
其响应特性较慢,但对巡航导弹来说,影响不大。
如图7所示。
图7BGM-109C常规对陆攻击导弹结构
3.战斧式巡航导弹采用的机构原理、特点
3.1BGM-109C常规对陆攻击导弹推进系统
BGM-109C战斧导弹采用涡轮风扇发动机+固体火箭助推器的动力设计,经济性较高。
主发动机采用F-107-WR-450涡扇发动机,推力267公斤,助推器为固体火箭发动机,推力3110公斤。
战斧燃料代号为RJ-4是一种比重较大的复杂烃类化合物,称为高密度烃。
具体未知,但应该是一种高效能燃料。
涡扇发动机最适合400-1000公里时速的飞行器,符合战斧的要求。
采用它是因为推力大、推进效率高、噪音低、燃油消耗率低,飞机航程远。
适合巡航导弹应用。
其燃料采用RJ-4,有效减轻了导弹的质量和大小,提高了射程,便于运输。
并且在制造时就封存在导弹里了,可长期贮存,无需另行检查,安全性可靠性高,减少了发射准备时间,能立即投入战斗,具有很强的实战能力。
通过采用新的发动机和助推器,BGM-109C战斧导弹的射程不仅得到了提升,而且它的末端机动飞行能力也得到增强,是导弹可以采用突防能力更好的跃升俯冲攻击弹道,能更好的完成战术目标。
同时由于采用模块化设计,攻击不同目标或采用不同发射方式时,仅需更换弹头就可以。
减小了后勤的压力,增大了武器系统一体化。
3.2BGM-109C常规对陆攻击导弹战斗部系统
BGM-109C战斧导弹战斗部为高爆战斗部,整体形状为圆锥形,外壳为钛合金结构材料,内装钝感炸药和程控延迟引信。
与第二批次战斧导弹相比,BGM-109C战斧导弹的战斗部重量虽然由454kg下降至320开关,但由于换装了BPXNI07钝感高能炸药,爆炸威力并未减弱,相反由于采用了更为坚硬的钛合金结构材料,他的穿甲能力反而得到提升。
同时由于推进系统的改善,导弹在末端能够采用跃升俯冲攻击弹道,通过垂直俯冲来增强导弹的动能,提高导弹战斗部的毁伤效果。
在引战配合方面,针对导弹所攻击的地面目标较高的防爆能力,导弹采用程控延时引信,在导弹命中目标后课延迟引爆时间,以增加导弹对目标的穿透能力,使导弹在目标要害部位爆炸,对加固掩体的破坏能力提高了一倍。
这种程控爆炸方式与准确的命中精度结合起来,使BGM-109C战斧导弹具有对点目标外科手术式打击能力。
导弹作为一种武器,为了保证运输、维护时的安全,防止在小的撞击或震动等意外情况下发生爆炸,BGM-109C战斧导弹采用了钝感炸药和程控延迟引信,使导弹即使在加热或着火的情况下也不会随意爆炸,具有很高的安全性和可靠性。
4.战斧式巡航导弹其他技术应用
4.1BGM-109C常规对陆攻击导弹材料
4.1.1BGM-109C常规对陆攻击导弹弹体材料
导弹弹体主要由2219和7050铝合金制成。
2219合金用于焊接零件,7050合金用于需要更高强度以减轻重量的飞焊接部件。
2219合金除可焊性外,还具有高强度和优秀的抗应力腐蚀能力。
它是容易得到、容易制作、性能良好二被广泛应用于宇航结构的材料。
它具有被实践证实了的可靠性和稳定性。
对于在退火条件下成型的或焊接部分需要高强度的部件选用T62回火。
较高强度的T851回火是规定用于非成型件或可在起初的T351状态下成型的部件。
4.1.2BGM-109C常规对陆攻击导弹弹翼及蒙皮材料
每个悬梁弹翼板结构是由连接在弹体上的带有上、下蒙皮的整体框架所组成。
光甲有7050-T3651合金板加工而成。
它是由放在同一水平面的伸展器,一集一个装配在舱内端部、肋条、弹翼前沿、后沿和末梢上的整体的尾架枢轴所组成。
为了能和翼面外形及弹尾扭曲部分相配合对框架进行机加,蒙皮上还加工了凸槽。
如图所示8为弹翼结构。
弹翼蒙皮是7075-T73合金薄板。
蒙皮是在退火状态下伸展成型,然后热处理加工到T73状态的。
为了减小热处理时产生的扭曲而采用乙二醇退火。
蒙皮是用改进的氰环氧粘接剂(美国氰胺FM-123-5)结合到框架上。
铝框架和蒙皮在结合以前经过清洗、酸洗腐蚀和涂以含防腐蚀的粘接剂的底层涂料。
图8BGM-109C常规对陆攻击导弹弹翼结构
4.1.3BGM-109C常规对陆攻击导弹相关材料
表1BGM-109C常规对陆攻击导弹相关材料
4.2BGM-109C常规对陆攻击导弹制导控制系统
BGM-109C战斧导弹作为射程达到了1700千米左右的远程战术导弹,为了精确打击到目标,它的制导系统采用了惯性制导+GPS+新型数字式景象匹配相关器和红外成像摄像机的复合制导体制。
中制导阶段,BGM-109C战斧导弹采用惯性制导+GPS。
惯性导航不依赖外界的任何信息,不受外界干扰,使导弹在巡航阶段具有更强的抗干扰能力和良好的隐蔽性,并且相对来说该制导方式简单易行,易于实现。
但由于惯性导航系统中的导航信息要经过积分产生,位置误差随时间的增大而增大,且惯性测量元件在工作过程中会发生漂移等现象,使测量结果误差增大,因此在飞行时间较长的巡航段,导弹惯性导航的精度较差。
为了弥补惯性导航的缺点,BGM-109C战斧导弹加装了GPS接收机,使用GPS来获取导弹的空间坐标,从而修正惯性导航系统产生的偏差,从而大大提高了导弹中制导的精度。
在末制导阶段,由于BGM-109C战斧导弹攻击的地面目标背景环境复杂多变,辨识目标难度高。
为了准确识别目标,导弹采用新型数字式景象匹配区域相关器和红外成像摄像机的制导系统。
前者通过弹上设备拍摄目标区域的景物图象,数字化处理后与预先储存的数字式参照图象进行比较来确定目标位置,减小了导弹在复杂背景环境中丢失目标的可能,提高了最后阶段识别、攻击目标的准确度;后者的全天候工作能力保证了导弹在夜间环境及恶劣气候条件下的命中精度,使导弹能不分昼夜、在各种复杂天气中投入使用。
当然这种制导方式对成像技术要求很高,依赖于美国监视全球的高精度侦察卫星。
5.总结
在前不久CCTV报道C-602反舰导弹的新闻之中,相关专家指阳C-602可以进行航线规划,以提高导弹的突破能力,这表明我国已经掌握了无人飞行器的航迹规划技术。
不久有人曾经询问国产巡航导弹能否达到战术战斧的能力,实际上战术战斧一个重要的技术进步就是快速的航变规划,并且能够通过数据链进行目标的更新,实现这些能力的一个关键就是航迹规划。
战斧巡航导弹早期的航迹规划由美国本土的战区任务规划中心-TMPC完成,这是因为当时载体的计算机难以完成如此海量的数据计算机,TMPC有巨型机完成导弹航迹规划,然后以软盘的方式空运到导弹载体,由后者进行输入,由于当时数据处理能力有限,得到一条比较理想的航线需要数个小时,并且导弹一旦装载数战争戎据,很难再进行更改,因此海湾期间,战斧巡航导弹只能按照有限的几条航线,分批攻击目
随着信息技术的发展,计算机的运算速度和信息处理能力得到飞跃的提高,这样载体上的计算机就可以进行航迹规划,如与战术战斧相配合的舰上规划系统-APS,并且时间可以缩短到10分钟左右,并且载体可以根据不同的设定来得到不同的航线,从而让载体上的导弹采用不同的航迹,如有的导弹采用高空突防航线,有的采用低空渗透航线,从不同的方向攻击目标,增加对方防御的难
我国从上世纪90年代开始研究飞行器的航迹规划系统,目前已经取得了长足进步,从珠海航展相关报道来看,国产C-802A反舰导弹(如图9所示)已经开始运用航迹规划系统,这应该是国产航迹规划系统第一次公开亮相,而稍后我国YJ-62岸舰导弹新闻报道之中,可以看到这样的字眼“记者登上指挥车,综合控制台前,只见号手李炎均飞快地操作着各种仪器设备,电子海图和各类目标参数不停地变换闪烁。
数分钟后,他已完成航路规划,赋予导弹攻击参数。
随着鼠标轻点,转向点、航速等各种数据源源植入导弹芯片。
导弹发射!
”“轰!
”大地颤抖,数枚导弹如利剑出鞘,掠过海平面,按照各自预定的飞行路线呼啸着直扑目标。
记者在电子海图上看到,数条显示导弹飞行轨迹的坐标光点不断向大洋深处的目标移动,它们从四面八方而来,有的超低空绕过岛礁,有的在空中不断转换变向。
”这些都表明我国航迹规划系统已经开始向战术级别的载体普及,并且可以根据不同的约束条件来得到不同的航迹,这个已经差不多相当于战术战斧的AP。
因此对于我国来说,在长剑-10的基础上进行改进,将其提高到战术战斧的水平并不是一件高不可攀的事情,实际上航迹规划系统及数据链等技术的运用,可以显著的提高了我国反舰飞航导弹和巡航导弹的攻击能力,利用航迹规划系统可以充分的利用地形、地理做为掩护,提高导弹的突防能力,并且生成不同的航线,导弹按照不同批次、不同的航线、从不同的方向攻击目标,从而进一步提高导弹的突防能力。
当然进一步提高我国反舰导弹及巡航导弹的突防能力,还需要进一步完善相关设施,例如完善相关地区的数字地图、提高卫星通信能力,对于远程巡航导弹来说,需要卫星数据链的支持,更重要的是进一步加强在相关领域的基础研究,如航迹规划系统的算法、模型。
图9国产C-802A反舰导弹
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