不同材质预制破片战斗部起爆距离的研究

一、引 言

1.1 研究背景

预制破片精确制导弹药通过预先设计并制造具有特定形状、尺寸及空间分布的破片，结合高精度制导系统，在预定时空节点精确引爆并产生大量高速破片，从而实现对目标的高效毁伤。在现代战场，这类弹药有着重要的战略价值，能够极大增强作战效能。无论针对地面装甲车辆、人员集群或空中飞行目标，均可实现高效杀伤。同时，由于其有效减少弹药消耗量，降低作战成本，也契合了现代战争对高效、精准、经济的作战需求，因此成为关键的战场效能倍增器。

预制破片精确制导弹药的毁伤效能主要取决于战斗部与引信系统。战斗部通过预制破片的几何参数（形状、尺寸）、空间分布特征以及高能炸药的性能，直接决定破片的初速、分布密度和覆盖范围，进而主导对目标的毁伤效果。[1]引信系统则精确控制炸药的引爆时机，其精度与可靠性决定了破片能否在最优空间位置及时刻释放，以实现毁伤效能最大化。现代引信的制导原理不止于引导弹药直接撞击目标，而是根据实际战场环境对弹药引爆的时空参数进行灵活控制。例如，当采用预制破片战斗部时，为最大化破片杀伤效果，选择更适宜的弹目交会姿态、距离、时机实施引爆。

1.2 研究目的及意义

本研究通过经验公式推导和弹目位置几何关系分析，从理论上求取了预制破片精确制导弹药相对目标靶标的最佳引爆距离，通过分析对比不同材质预制破片（以球形为例）对引爆距离的影响，进一步探究了不同材质预制破片弹药在实战场景中的应用。为预制破片精确制导弹药的战斗部和引信的优化提供了理论依据，并为该类弹药的实战化应用提供了指导依据。

二、理论基础

预制破片精确制导弹药的破片杀伤特性包括杀伤区内破片的分布密度和破片对目标或等效靶板的穿透率。该类弹药在最佳炸点引爆时对目标造成最大杀伤，此时穿透目标的破片数及命中目标的破片密度应达到可能的最大值。

战斗部引爆时相对于目标方位的确定。研究发现，破片的分布与战斗部的形状相关。图1 分别是球形、圆柱形、截锥形、圆弧形战斗部爆炸后破片的空间分布示意图。

如图所示，战斗部形状虽然不同，但破片分布区域可以近似为映射到 平面的扇形来方便研究，其中以战斗部质心为顶点所作的包含有效破片90%的锥角，叫做破片的飞散角，用Ω表示

研究发现，弹药由静态到动态，破片飞散角的方位和大小有所变化，而形状几乎不变，如图 2 所示：

由破片飞散角的定义可知，破片飞散角内的破片密度最大，且不同形状战斗部在相对目标速度一定的情况下，破片飞散角的位置和方向是可以确定的，此时，若想使战斗部引爆时有效破片密度最大化，应使破片飞散角正对目标时引爆炸弹。

战斗部引爆时相对目标距离的确定。研究表明，破片的穿透率受弹药破片自身特性（如材料、形状、尺寸、质量、速度、飞行姿态等）、目标特性（包括材料、结构、厚度等）、环境因素（如爆炸距离、飞散角等）以及其他因素（如破片变形、能量传递与耗散等）的影响。因此，在战场环境一定、目标一定的情况下，可以通过研究弹药的某些特性（如破片材质）对最佳炸点的影响。[2]本研究以不同材质破片（以球形破片为例）对铝合金靶的杀伤特性为研究切入点，来分析不同材料破片对最佳引爆距离的影响，进而确定战斗部相对于目标的引爆位置。

三、研究方法

3.1 研究假设为方便计算，提出如下假设：

假设 1：在本研究中，战斗部爆炸后， 散速 弹药自身速度，故破片飞散角内破片向各方向飞散的初速率相等假设 2：不同材质预制破片战斗部的装药量相同。因此，不同材质预制破片的初速度不同。

假设 3：为方便研究，战斗部相对目标静止，且在相对目标的最佳位置引爆，即此时破片飞散角中线垂直于目标靶表面。

假设 4：破片在标准大气压下理想环境中飞散，速度衰减率相同。

3.2 公式和模型

3.2.1 临界速度经验公式

A 为破片飞行方向上的投影面积，取S/4，S 为破片的表面积；R 为飞行距离。[5]

3.3 公式推导

根据球形破片速度衰减公式可知，理想情况下衰减系数 a 为常量，即此时破片的存速仅与距离有关，由此可以计算出破片速度衰减到临界速度的距离，由此进一步计算即可求得战斗部相对目标的引爆距离。

计算方法如下：

图 3

由图 3 可知，当球形破片由初速度V0衰减至临界速度Vj 垂直射入靶板时，破片可以击穿厚度为h 的靶板，但若想扇形区域内的所有球

形破片都能击穿靶板，应确保沿扇形边缘的破片以入射角β射入靶板时也能击穿靶板，此时靶板的厚度为 l=h/cos β。由于预制破片的速度很大，根据 Lambert-jonas 跳飞临界角经验公式可知，速度越大跳飞角越大，故在本文中计算扇形内以一定入射角

度侵彻靶板的破片的临界速度时，可视入射角远小于跳飞临界角，故不考虑跳飞现象，仅考虑靶板的斜向厚度对破片临界速度的影响。在

工程上也常用修正的THOK 方程计算以一定角度入射靶板的临界速度，也恰好印证了这一处理方法的可行性。基此做如下推导：设Vj为垂直侵彻靶板的临界速度，Vj0为斜射入靶板的临

根据临界速度公式可以导出：Vj0=（1/cos β）bVj；

由速度衰减公式 V=Ve^-aR ，可以推出： =lnV0 =ln（1/cosβ）b，R 为垂直射入靶板时速度衰减到临界速度所经历的距离；

此时垂直射入靶板的破片到靶板的距离为R0，求得R0=cos β*R 1，R0即为战斗部到目标或靶板的最短距离，也是战斗部相对目标进引爆的最佳距离。

3.4 不同材质预制破片最佳引爆距离计算结果的对比分析

目前常用于预制破片制作的材质有钢、钨合金和铝合金等，本研究选取三种典型材料的球形预制破片进行对比分析，由球形破片初速度公式可知，相同体积不同材质的球形破片在相同当量炸药爆炸后形成的初速度比为密度比的开方。具体参数如表 1：

表1

目标靶板选择密度为2700 kg/m³，抗拉强度为310 MPa 的铝合金为材质。铝合金在军事领域应用广泛，可以作为多种目标的等效靶标。

厚度根据模拟的目标的不同而有所不同，具体如表2：

由球形破片极限速度方程，当常数a=4.62，常数b=0.71，入射角θ=0 （垂直入射）时，可以算得以上球形破片击穿靶板的极限速度，如表3：

为了模拟实际情况及方便计算，钨合金球形预制破片的初速设为1500m/s，则相同体积大小的钢、铝合金预制破片的初速度为 963m/s，576m/s，由初速度衰减至极限速度所需的最短距离如表4：

四、结果分析与应用

4.1 结果分析

根据分析结果可知，装载不同材质体积相同的预制破片的弹药相对目标的最佳引爆距离不同，破片密度越大最佳引爆距离越远。

4.2 结果应用

以上文计算结果为参考进行应用分析：

例如，在某场战斗中目标为“重型装甲 严密的防空反导系统，我方制导导弹无法突破防线直接作用目标，只能通过高速破片类毁伤 成 标较远，无法使用穿甲弹直击目标，故可以选择装载密度大于钨合金材质直径 10mm 初速度大于 150m/s 的预制破片制导弹药 在敌方防空范围外在最大杀伤距离内以合适的姿势进行引爆，以达成毁伤目标的目的。

五、结 论

本研究根据球形预制破片的初速度经验公式、空气中球形预制破片的速度衰减经验公式、球形破片击穿某厚度靶板的极限速度经验公式，结合弹目几何位置关系分析，推导出了基于破片杀伤特性的预制破片弹药相对目标的最佳引爆距离，由此进一步计算了三种不同材质预制破片相对不同目标的最佳引爆距离，并进行了比较。研究表明，在一定条件下，相同当量的炸药引爆后，相同体积的球形预制破片密度越大最佳引爆距离越远，大密度破片可以满足更为灵活的战斗需求。

受条件限制，本研究的计算结果暂无法进行试验验证，将在后续研究中逐步通过现场试验、数值模拟试验对研究结果进行验证，并进行更加精准精细化的研究分析，以便战场实战化的应用。

参考文献

[1]符振荣. 某预制破片战斗部对人员目标的毁伤效果研究[D]. 中北大学， 2024. DOI：10.27470/d.cnki.ghbgc.2024.000447.

[2]王树山，马峰，郭勋成，高源等. 武器弹药重点毁伤评估[M].北京：北京理工大学出版社，2021.

[3]于滨，李翔宇，卢芳云. 单破片对导弹舱段毁伤的易损性快速分析方法 [J]. 兵器装备工程学报， 2020， 41 （12）： 82-86.

[4] 毕 伟 新 ， 李 伟 兵 ， 李 军 宝 ， 等 . 不 同 长 径 比 下 圆 柱 套 筒 的 破 片 初 速 轴 向 分 布 [J/OL]. 爆 炸 与 冲 击 ， 1-15[2025-08-20].https：//link.cnki.net/urlid/51.1148.o3.20241227.1148.035.

[5]胡杰，陈桦，冯志威，等. 高速标准破片速度衰减规律试验研究 [J]. 兵器装备工程学报， 2024， 45 （01）： 80-85.