活性破片战斗部系统技术介绍

活性破片是弹药新材料应用的一个重要代表，其军事需要源于打击和摧毁巡航导弹和杰达姆（JDAM）联合攻击弹药等精确制导武器，因为巡航导弹和JDAM一般为防区外投射，制导精度高，爆炸当量大，是严重的空中威胁，难于拦截和摧毁，这些弹药具有很厚的外壳，普通惰性破片材料难以侵入其内部并引爆装药，因此，难以达到拦截并摧毁的目的。

由于导弹装药普遍采用的是钝感推进剂，传统破片即使打中该类弹药，也仅仅是穿肠而过，留下一弹孔而已，除非精确打击到其敏感部件，否则不会引起导弹的爆炸及销毁。为了对抗该类弹药，研究人员研发了新型含能材料，以解决穿透厚重的壳体并引爆主装药问题。

活性破片是指用活性材料（金属-氟化物，金属间化合物）作为破片，在高速撞击下发生燃烧或爆炸，所以国外也称为“撞击引发的含能材料”。

活性破片由反应性亚稳态材料组成，当其碰撞和侵彻目标时，活性材料发生化学反应释放出所含化学能，产生快速燃烧甚至爆炸作用，从而对目标产生显著的燃烧甚至爆炸毁伤效应。活性破片的毁伤能量除动能外，还有数倍于其动能的活性材料化学能，对目标的毁伤是动能侵彻毁伤和内爆毁伤耦合作用下的高效复合毁伤，活性材料通常有铝热剂、金属间化合物、金属/聚合物、亚稳态分子间复合材料和金属氢化物等。活性破片的毁伤机制主要有以下几个方面及相互累积效应：活性破片穿孔时产生的化学反应，在目标内部产生高温毁伤效应；爆炸产生的冲击波或爆炸波在目标内部产生增强冲量毁伤；超压；反应生成物对电子元件的短路破坏；活性材料与关键组件的反应。通过活性破片的应用，可革命性地提升防空反导战斗部的毁伤威力，突破惰性破片难以“引燃航空燃油、引爆屏蔽低易损炸药”这一瓶颈。

活性破片在打击导弹目标时，如果导弹装药足够钝感，即使破片能量足够大，可以穿透弹体，也基本不影响导弹的继续作用。而目前按照欧美国家的钝感弹药的标准，导弹的装药可以很钝感，能够抵御子弹的侵入而不发生爆炸，但活性破片侵入后，除了引发自身的燃烧，还会在密闭空间内造成爆炸效应，进而引发主装药的爆炸，达到命中并毁伤的目的。目前，活性破片仍处于研发阶段，但也有不少成果显现，美军研制的典型的高密度活性材料（HDRM）具有铝的强度、钢的密度，能量为1.5倍TNT当量。美海军水面作战中心于2011年12月对该高密度活性材料进行了演示验证试验，用该材料代替传统战斗部的钢壳，提升了爆炸威力及对敌目标的毁伤能力。所演示的高密度活性材料已经展现了增强的爆轰、多相及活性破片效果。

其关键的技术是如何保证破片材料既具有足够的强度以实现侵彻载荷并保证穿深，又能保证穿透目标时材料强度足够低，确保穿透一定程度后可以可靠引发反应释放化学潜能，因此，该技术的两大关键为侵彻能力和反应控制能力的匹配。

美国高度重视活性材料的研究，美国国家科学研究委员会（National Research Council）将“活性材料”技术列入其“高级含能材料”（Advanced Energetic Materials）计划中。美国面武器研究中心（NSWC）在海军研究所（ONR）的主导和支持下设立了先进活性材料研究项目（Advanced Reactive Materials Program），在活性破片制备工艺、活性破片撞击诱发条件和机理、活性材料的能量释放规律、活性破片综合毁伤机理等方面均进行了深入的研究。在活性破片毁伤机理和毁伤评估方面，NSWC采用了直接撞击、间接撞击、两步撞击等试验方法，以研究活性破片在不同的撞击条件和撞击速度下的反应情况，并建立了标准的排气容器量热法（Vented Chamber Calorimetry，VCC），以研究活性破片的反应条件、反应机理、能量释放规律、毁伤机理及毁伤威力评估。

同时，美国积极开展活性破片战斗部技术研究，参与该项目的单位主要有美国海军部（DON）、海军研究所（ONR）、海军面武器中心NSWC-Dahlgren、NSWC-IH Eglin Air ForceBase、ATK-Thiokol Propulsion等。2000年，美国在其国防技术发展计划中，正式将活性破片战斗部技术列为国防重点创新技术进行研究；在国防技术目标（Defense TechnologyObjectives for DTAP）中专门设立了代号为WE-54的活性破片战斗部先进技术演示项目（Reactive Material Warhead ATD）。据文献资料调研和分析，美国活性破片的潜在应用前景为导弹防御系统中的防空导弹杀伤战斗部，进行“标准”-3型和“爱国者”-3型导弹战斗部的活性破片应用，以提高导弹的毁伤威力。2002年12月9日，ONR在“活性材料增强战斗部”项目支持下研发了活性破片战斗部。其活性破片材料是以塑性材料为基体混入一些粉末状金属材料制成的复合材料，活性破片撞击目标时，金属材料和塑性基体发生化学反应，释放能量。根据资料报道，该战斗部的威力是惰性破片战斗部威力的5倍。

俄罗斯也十分重视活性材料技术的发展，俄罗斯科学院（Russian Academy of Science）和俄罗斯基础研究基金会（Russian Foundation for Basic Research）专门下发了多个活性材料研究项目。谢苗诺夫化学物理研究所（Semenov Institute of Chemical Physics）和高能量密度物质研究所（Institute of High Energy Densities）在活性材料相关研究项目的支持下，开展了金属和含氟聚合物，金属、含氟聚合物和高能炸药型等多种活性材料配方设计、制备工艺、毁伤机理和毁伤效应研究。

在现代及未来战争中，大范围、完全摧毁式的毁伤已经不是战争的唯一目标。在有些情况下，在准确命中目标的同时，有效控制毁伤范围与程度，保护临近的非打击目标成为战争的目的。本项目在这一需求背景情况下，提出通过开展高密度惰性金属炸药（Dense Inert Metal Explosive，DIME）及战斗部结构研究，得到有效控制毁伤范围的新型战斗部技术，即高密度惰性金属炸药战斗部技术。

DIME武器的特殊之处在于其终点效应，战斗部作用可以很好地控制其毁伤范围。在现代及未来战争中，精确打击重点军事目标是核心内容之一，既要对打击目标实施有效毁伤，同时又要避免波及临近的非军事目标。例如，在城市作战中，军事目标与非军事目标紧邻，战斗人员与非战斗人员接近。选择能够有效控制毁伤范围的武器可以避免伤及无辜人员及建筑结构。为此，该项目的研究有着较好的军事需求。

在现代及未来战争中，大范围、完全摧毁式的毁伤已经不是战争的唯一目标。在有些情况下，在准确命中目标的同时，有效控制毁伤范围与程度，保护临近的非打击目标成为战争的目的。本项目在这一需求背景情况下，提出通过开展高密度惰性金属炸药（Dense Inert Metal Explosive，DIME）及战斗部结构研究，得到有效控制毁伤范围的新型战斗部技术，即高密度惰性金属炸药战斗部技术。

DIME武器的特殊之处在于其终点效应，战斗部作用可以很好地控制其毁伤范围。在现代及未来战争中，精确打击重点军事目标是核心内容之一，既要对打击目标实施有效毁伤，同时又要避免波及临近的非军事目标。例如，在城市作战中，军事目标与非军事目标紧邻，战斗人员与非战斗人员接近。选择能够有效控制毁伤范围的武器可以避免伤及无辜人员及建筑结构。为此，该项目的研究有着较好的军事需求。

战斗部装药起爆后，碳纤维等材料组成的壳体解体，形成非常细小的纤维丝；炸药中的高密度重金属粉末在炸药产物的裹挟下，向四处飞散，同时被加热，形成高速高温金属粉末粒子流，这些粉末粒子具有很大的毁伤动能；由于炸药中的重金属粉末尺寸非常细小，在空气阻力作用下，速度衰减迅速，由此可控制高速高温金属粉末粒子的毁伤作用范围。图3-2为DIME战斗部作用时，高速金属粉末粒子运动情况。

DIME战斗部毁伤目标主要是人员和高价值装备。DIME战斗部结构具有较高强度，可以侵彻进入一定厚度的防护结构内部，如钢筋混凝土工事、飞机机库等，能够有效打击内部人员与高价值装备。

DIME战斗部的主要毁伤元素是高速高温的高密度惰性金属粉末粒子，这些粒子形成细小的高速粒子流，对人员、结构产生冲击、切割及灼烧等效应。DIME战斗部金属粉末颗粒飞行距离可控制，在作用范围内产生完全毁伤，在作用范围外不产生毁伤。这与杀爆弹及云爆弹等武器作用机理有显著区别。

DIME战斗部对人体毁伤极为严重，主要表现为被高速高温粒子流切断肢体及灼伤。DIME战斗部对车辆、舰船、飞机、雷达等高价值目标也具有独特的毁伤效果。

DIME战斗部依据其不同应用平台，如导弹、部分火箭弹及部分榴弹等，可构成不同的系统。就DIME战斗部而言，其结构主要由DIME装药（包括起爆药、粒子驱动装药）和战斗部壳体（结构、材料）组成。

在现代及未来战争中，大范围、完全摧毁式的毁伤已经不是战争的唯一目标。在有些情况下，准确命中目标的同时，有效控制毁伤范围与程度，保护邻近的非打击目标成为战争的目的。在这一需求背景情况下，美国等国家提出通过特殊的结构及装药设计，得到可以有效控制毁伤范围的新型战斗部技术。高密度惰性金属炸药（DIME）及战斗部技术是其典型代表。

DIME武器是一种全新的武器装备。美国洛斯·阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室于21世纪初开始研究，但公开报道的技术信息非常少。DIME武器的使用最早见于2006年10月中旬意大利RAI电视台的报道。报道中称以色列在加沙地带使用了一种DIME新型武器。以色列日报（Haaretz）进行了进一步报道，这种武器是从雄蜂战机发射，对人员引起了“非常严重”的物理伤害。加沙地带的医生也注意到他们所处理的伤口形态不同寻常，在切口处发现严重烧伤但没有金属破片。美国一些网站也有相关报道。

DIME武器是作为小作用范围弹药（Small Diameter Bomb，SDB）的一个特殊的毁伤聚焦弹药（Focused Lethality Munition，FLM）类型来研制的。目前美军已为此项研究安排充足研究经费。

为了增加对飞机、导弹等高速目标的毁伤效率，美国首先提出了定向战斗部概念，即把战斗部炸药能量集中在某一方向，提高炸药能量利用率。

目前常规防空导弹（地空导弹、空空导弹）战斗部主要是针对飞机、导弹等目标发展研制的，大多采用普通杀伤战斗部结构，采用轴心起爆方式，其毁伤元数量和速度沿圆周方向均匀分布，弹药起爆后破片均匀地向四周飞散，在整个杀伤区域内只有小部分的破片分布在目标区，对于单一的空中目标如导弹、飞机等来说，只有小部分的破片能够击中目标，起到毁伤作用，并且破片速度较低，一般在2000m/s左右，战斗部破片利用率和能量利用率较低，对导弹类目标的毁伤存在一定的局限性，达不到高效毁伤目的。如何进一步提高防空导弹的毁伤威力从而实现对多种空中目标的高效毁伤，已成为当前世界各国防空导弹的发展重点和技术关键。定向战斗部就是基于这种需求应运而生的。

定向战斗部是随着防空反导的作战需求而快速发展起来的一种新型高效毁伤战斗部技术，具有炸药装药能量利用率高、在目标方向打击能量集中、毁伤威力大等特点，适宜对多种空中目标的高效毁伤，兼顾了反导和反飞机双重作战需求，成为当前防空导弹战斗部发展的主要方向。

从装药能量利用率角度出发，根据作用方式，定向战斗部可分为波形控制定向战斗部、爆炸变形定向战斗部、可控旋转定向战斗部（机械转动式和机械展开式）和破片内置定向战斗部。

波形控制定向战斗部，也称为偏心起爆式定向战斗部，它利用爆炸逻辑网络实现偏心起爆，使更多破片以更高速度飞向目标区域，偏心起爆式定向战斗部只是起爆方式的改变，反应时间短，在工程上较易实现，是目前研究最为活跃的定向战斗部，是防空反导战斗部发展的重要方向之一；爆炸变形定向战斗部

通过辅助装药（亦称变形装药）爆炸使壳体和主装药发生变形，使目标方向上的破片密度和初速显著提高，爆炸变形战斗部需要两次引爆，对战斗部装药和起爆隔爆系统都提出了苛刻要求，但该战斗部在目标方向的破片密度和初速有较大幅度的提高，被认为是最有发展前途的定向战斗部；可控旋转定向战斗部

仅在战斗部一定扇形区域内排布破片，由机械装置控制将破片区域转向目标，提高破片和炸药能量利用率，但机械转动或机械变形都需要10ms量级的响应时间，在导弹与目标快速运动的情况下，战斗部无法实现快速精确定向，该因素制约了该类战斗部的发展；破片内置定向战斗部将破片放在中心而将装药放在外围，其优点是破片利用率高，但带来的缺点是破片初速将大大降低。