小型低成本精确制导弹药技术现状及发展趋势

摘要：针对小型低成本精确制导弹药技术发展中遇到的关键问题，从技术途径、成本工程以及产业发展等角度分析影响该类弹药产品发展的主要因素，重点从射程能力、机动能力、打击精度、毁伤能力和成本控制等方面对该类武器的发展现状和趋势进行分析，研判出成本低廉、杀伤可控、作战灵活、打击高效将是小型低成本精确制导弹药的发展方向，最后针对该领域的技术现状给出该类武器的技术发展建议。可以看出，在关注技术指标发展的同时，应兼顾弹药的低成本化和综合性价比，从市场需求和质量控制两方面把控弹药总体性能，以满足未来小型精确制导弹药的国际市场需求。
 

随着世界多极化和军事斗争复杂化的发展，在以中东以及东南亚等地区为代表的局部地区冲突和反恐战争中，无人机及其挂载的小型空地导弹成为被大量使用和消耗的武器产品。早期，参与空袭的无人机数量和空袭次数有限，随着时间的推移，这种局面逐渐发生变化，尤其是在阿富汗和巴基斯坦边境地区空袭次数明显增加。2004～2005年间，无人机系统空袭只发生1次，2006年和2007年分别发生了3次和5次。而随后几年，无人机的空袭次数突然增多，到2016年中东的空袭次数就达到了12896次，2017年这一数据则上升到了17861次，如图1所示。

图1 世界局部冲突中无人机空袭次数

另一方面，2013年至2018年3月31日，美军在阿富汗的作战行动中累计投射至少1,2954枚空地弹。2012年~2016年，无人机导弹市场价值总共达到595亿美元，在此期间市场总额稳定增加。市场的巨大需求促生了小型低成本精确制导武器的爆发式发展。先从弹药本身性能对世界主流国家代表产品进行分析和对比，在此基础上，从成本工程和产业发展角度对该领域进行简要分析，分析未来发展趋势。

调研了包括美国AGM-176、AGM-114、GBU12、宝石路，中国AR系列、飞腾系列、蓝箭系列和天雷系列等，结合军贸销量、市场占有率、综合性能等多种因素考虑，甄选国内国外代表产品进行对比。

国内相关主要产品信息如表1所示，对应外形如图2所示。

表1 国内小型空地反坦克导弹信息表

(a) AR-1

(b)蓝箭-7

(c) AR-2

(d)TL-2

图2 国内四款典型空地反坦克导弹

同类型产品国际上以美国的AGM-114和AGM-176最为成功。其主要特征参数如表2所示，外形如图3所示。

(a)  AGM-114

(b)AGM-176

图3 两款典型空地反坦克导弹

表2 国外典型小型空地反坦克导弹信息表

01 打击精度

导弹打击制导精度是描述制导控制回路制导准确度的量，它是衡量导弹武器作战效能的重要指标。导弹的命中精度首先取决于导弹制导系统的精度，在导弹制导技术充分发展的同时，采取各种措施减小脱靶量、发展中制导技术（射程范围超过导引头工作范围时，如图4所示）和末制导都是提高导弹命中精度的重要途径。影响制导精度的因素主要含两类：一类是导引律不同引起的，另一类是制导系统误差、制导时间常数等系统偏差，噪声、天线罩瞄准误差斜率、目标机动、干扰等随机误差引起的。减小小型精确制导弹药脱靶量，提升导弹的命中精度，主要方法是总体把控导弹精度链分配，研制高精度高稳态导引头，严格控制质心偏移，选择适当的静稳定裕度等。

图4 中制导精度计算示意

小型低成本精确制导弹药的打击精度分析有其特殊性，由于武器规模、成本、重量尺寸的限制，在导引头体制选择和硬件设计上需总体协调硬件性能水平与成本的限制。当前世界发达国家正在进行一系列科研试验设计工作来改进精确制导武器的光学、光电和雷达导引头。主要途径包括:继续探索和研发精确制导武器导引头的新型技术和结构方案，开发新的元器件和工艺技术，完善导引算法及软件，优化弹载导引设备的质量、尺寸特性和价格指标。国外先进国家精确制导武器导引头的主要改进方向可归纳为:研制能在多个红外波段工作的红外成像导引头，其中包括采用不需要深度冷却的光学接收器的导引头；主动激光探测装置的实际运用；采用带有平面或共形天线的主、被动雷达导引头；研制多模式复合导引头等。目前100kg级以下的小型导弹（以空面导弹为主）主要采用红外成像导引头、毫米波雷达导引头和半主动激光导引头等。如中国与彩虹无人机搭配外贸销售的AR-1导弹就是采用半主动激光导引头，该导弹在中东和北非战场取得了巨大成功，其命中精度达到了CEP 1.5m，在制导过程中需要弹药载机或支援单元（支援飞机或地面指示源）的激光目标指示器发出激光，对目标进行照射，导引头探测到目标反射的激光光斑，进行制导并命中目标，这种方式的优点是在保证需用探测、识别精度以及可靠性的同时降低成本，其缺点是不能实现发射后不管。采用该导引头的产品还有天雷系列以及美国的AGM-114R。

为了实现小型精确制导弹药的自动寻的功能，进一步加强导弹的智能化，世界各国发展了成像型导引头。因为可靠性高、成本低，红外成像导引头及在红外成像导引基础上实现的自动目标捕获或自动目标识别末制导方式被先进精确制导武器所广泛采用。国外精确制导武器研发机构也进行了红外成像导引头的相关研究，致力于开发相对廉价的带有非制冷光学探测器的红外成像导引头。这种光学探测器可运用于导引头、相关修正和空中侦察系统。其优点是具有较高灵敏度和较小空间分辨率、抗红外干扰能力强、扫描视场大，从而为导弹智能化的实现提供了支撑。

美国的响尾蛇导弹采用红外成像导引头，具有多目标和全向攻击能力。其头罩用蓝宝石材料。该导引头与具有180°的跟踪视场，最大离轴发射角达到±90°。导引头的目标截获距离在蓝天背景下为13~16km，在地面杂波背景下为6.4km，可与联合头盔提示系统配合使用。为了进一步扩大视场扫描范围，各国均不断提升扫描单元数。如以色列的怪蛇4空空导弹采用100元线列扫描成像导引头，德国IRIS一空空导弹采用128元线列扫描成像导引头，南非的Avarter空空导弹则采用2×100双色线列扫描成像导引头。此外，美国开发出Damask目标红外成像导引头，应用于新一代联合制导空地导弹。

为了提升导弹的全天候、全天时工作能力和对地面强地杂波的抗干扰能力，从20世纪70年代开始各国发展了毫米波雷达导引头技术。长弓-海尔法导弹（AGM-114D）是世界上最早采用雷达导引头制导的空地导弹，1998年正式进入装备。相比之下，雷达制导型的防空、反舰导弹大多在20世纪60年代都已经进入装备，其中导引头技术是制约雷达制导型空地导弹装备的根本原因。1991年9月6日Hercules公司在EglinB-70靶场发射了第一枚毫米波制导Maverick导弹，这是毫米波雷达导引头首次在空地导弹上应用。与厘米波雷达相比，毫米波雷达要求具有更高的分类识别能力和剔除虚假目标的能力，但是技术难度也远大于前者。

为了进一步提升导弹的精确制导打击能力，复合制导技术被进一步发展，提高工作频率能够有效提高导引头方位分辨力。因此，为了提高雷达导引头对地面小尺寸装甲目标或海面小型舰艇等目标的分类识别能力，通常采用毫米波雷达/红外成像复合制导技术。借助红外二维高分辨成像，使导引头获得较高的方位分辨力。利用数据链将目标红外图像回传给载机，通过人在回路中进行目标识别。例如美国的先进近程联合空地导弹(Joint air-ground missile，JAGM)的三模复合导引头，如图5所示，充分利用了海尔法导弹的半主动激光制导和长弓海尔法的毫米波制导技术，并借鉴了幼畜空地导弹的红外成像制导技术。

图5 联合空地制导弹药（JAGM）

打击精度的提升不仅与导引头的目标捕获识别能力相关，还与卫星导航精度与惯性导航精度相关，由于定位卫星完善的组网、器件制造工艺的成熟和成本的下降，GPS/INS技术现已大量应用于小型精确制导弹药。目前包括美国“JAGM”导弹、 “雷石-6”制导炸弹（如图6所示）在内的众多型别的小型精确制导弹药都具备GPS/INS组合制导能力，在导引头未开机前，GPS/INS可保证一定的位置精度和角度精度，保证导弹按要求进入预定的中末制导交班点。随着惯性仪表技术发展，陀螺仪和加速度计的硬件水平和精度不断提升，高精度MEMS器件的研发和使用在保证制导精度的基础上，使硬件成本不断降低。

图6 雷石-6

02 机动能力

在获得较高精度的目标指示信息的基础上，制导姿控系统以给定精度把导弹引向目标。导弹的制导控制环节一般包括三个回路：导引回路、稳定回路和制导回路。导引回路对目标进行探测，通过测量跟踪误差以实现对目标的稳定跟踪；稳定回路使导弹保持良好的动力学特性并按照期望的弹道进行飞行；制导回路以一定的导引规律消除跟踪误差，实现导弹对目标的攻击。

近年来，导弹所针对的地面目标具有越来越高的反探测和机动规避能力，地方武装的机械化和信息化特征愈发明显。在一些地区，无人机愈发频繁的被当做武器发射平台使用。在越来越多的情况下，目标机动车辆可以在无人机发射导弹前就进行规避逃逸，甚至有些情况下导弹发射后的一段时间内目标仍可探测到来袭信息并进行规避机动，从而加大了导弹脱靶量；另一方面，先进的单兵或兵组反导系统被越来越多地使用，导致传统的小型精确制导弹药的生存几率被不断降低。因此导弹机动能力逐渐成为区分现代精确制导弹药综合性能的重要标志。

影响导弹机动能力的关键因素是导弹的操稳特性，它取决于弹体的稳定性和操纵性。稳定性反映了导弹在偏离平衡位置后返回平衡位置的能力，操纵性则反映了导弹改变原来飞行状态的能力和反应快慢的程度。这里不能单纯讨论弹体的静稳定性，因为静稳定性是指干扰消失的瞬间产生的力矩指向，如式（1）所示。

可见，静稳定性不关心以后的动态过程；而弹体动力学的稳定性是指干扰消失后动态过程的稳定性。由式（1）同时可知，静稳定度越大，改变原来飞行状态所需的操纵机构对质心的力矩越大，因此静稳定性与操纵性是有矛盾的，设计时必须合理折中。现代小型精确制导弹药的设计中均使用自动驾驶仪，为了追求更高的机动能力以满足愈发苛刻的作战需求，在设计上应倾向于临界稳定，但由于弹药的质心随发动机燃料的消耗发生变化，压心随马赫数变化，很难准确预测静稳定度与操纵性能，通常需多次迭代计算。

影响小型精确制导弹药操稳特性的一个重要因素是气动外形，当前国内外小型精确制导弹药较为常用的气动布局主要有以下三种：“尾翼+弹体”的无尾式布局（如蓝箭7，图7(a)）、“弹翼+尾翼+弹体”的正常式布局（如地狱火，图7(b)）、“鸭舵+尾翼+弹体”的鸭式布局（如“响尾蛇”系列，图7(c)）。

(a)蓝箭7（无尾式布局）

(b)地狱火导弹（正常式布局）

(c)响尾蛇（鸭式布局）

图7 几种典型气动布局

正常式布局由靠近导弹质心或在导弹前弹体的弹翼与装在弹身尾端处的舵面组成的气动布局形式，其主要特点是舵面的控制力与导弹所需要产生的机动法向力方向相反。舵面处的当地有效气流角小，即α-σ小，在大攻角飞行时舵面不容易失速。弹翼不受舵面偏转时产生的气流影响，气动力系数较为线性。其局限在于舵面由于装在发动机喷管处的周围，其空间有限，舵机体积、功率均受到限制。严格来讲，无尾式布局是正常式布局当中的一种，无尾式布局的特点是结构简单，质量轻，阻力较小，但在飞行过程中，随着发动机燃烧结束，质心前移，静稳定裕度会逐渐增大，对操控效率产生不利影响；鸭式布局由靠近弹身头部的舵面与装在弹身尾端的弹翼所组成，其特点是舵面与弹翼靠近弹身两端，离质心较远，操稳特性易于调整，舵面产生的控制力与导弹机动所需法向力是同一方向，对机动有利，但舵面控制时的飞行气流角与攻角与舵偏角的相加（α＋σ），舵面易达到失速角，因此实现大攻角比较困难。舵面差动时产生的洗流对弹翼的作用使弹翼上产生了与舵面滚转控制力矩相反的诱导滚转力矩，二者相互抵消，因此用舵面差动难以进行弹体的滚转控制。无尾式布局是俄罗斯常用的反坦克导弹和制导炮弹布局，目前国内弹药产品也多采用无尾式布局，如我国的蓝箭7和AR系列反坦克导弹同样都是采用此种布局，该布局一定程度上牺牲了导弹的机动性能，同时降低了硬件要求，从而降低了成本。鸭式布局的典型代表是美国的“响尾蛇”系列导弹，该导弹在20世纪90年代开始在美国和其盟国部署。正常式布局的成功代表是美国的地狱火系列，该导弹在世界范围内取得了巨大成功，迄今为止已经发展近30年，通过各种渠道销售的导弹数量达到数十万枚，地狱火系列导弹不仅可以攻击地面工事、小型建筑物等固定目标，还可有效控制地面高速运动的车辆和水面高速移动舰船。由于其采用了激进的气动布局设计（带有鸭翼布局的特点），极大提升了其弹道调整能力。导弹支持多种发射平台，并可支持垂直发射，如图8，因此极大增强了其战场生存能力和市场受欢迎程度。

图8 AGM-114从船上垂直发射

03 毁伤能力

弹药的高效毁伤能力主要与战斗部类型和控制弹目交会的引信有关。目前，50kg及以下规模的弹药产品主要配备的战斗部类型有3类，如表3所示。

表3 典型制导弹药战斗部装药类型

3.1 杀爆战斗部

破片杀伤战斗部是战斗部的主要类型之一，主要是靠高能炸药爆炸作用下，形成大量高速破片，利用破片的高速碰击、引燃和引爆作用毁伤目标。可以用于杀伤有生力量（人、畜）、无装甲或轻型装甲车辆、飞机、雷达及导弹等武器装备。

根据破片的生成途径，破片杀伤战斗部可分为自然、预控和预制破片战斗部三种类型。自然破片战斗部的破片是在爆轰产物作用下，壳体破碎而成，该类战斗部的特点是壳体既充当了容器又形成杀伤元素，材料的利用率较高，壳体较厚，爆轰产物泄漏之前，驱动加速时间长，形成的破片初速高，但破片的大小不均匀，形状不规则，在空气中飞行时速度衰减快。预控破片战斗部采用壳体刻槽、炸药刻槽或增加内衬等技术措施，使壳体局部强度减弱，控制爆炸时的破裂部位，从而形成破片。这类战斗部的特点是形成的破片大小均匀，形状基本规则。预制破片战斗部的破片预先加工成型，嵌埋在壳体基体材料中或粘接在炸药周围的薄蒙皮上，炸药爆炸将其抛射出去，破片的形状有瓦片形、立方体、球形、短杆等，这类战斗部的特点是杀伤破片大小和形状规则，而且炸药的爆炸能量不用于分裂形成破片，能量利用率高，杀伤效果较好。如图9所示是美国雷锡恩公司的狮鹫导弹，其典型战斗部类型即为杀伤破片战斗部，内填4.5kg战斗部装药，主要依靠爆炸产生的冲击波和高速破片杀伤目标。

图9 AGM-176 Archer“狮鹫”导弹

3.2 聚能破甲战斗部

现代坦克、装甲车是攻、防兼备的武器，有很强的装甲防护能力和强大的火力。要击毁这类带各种装甲防护的目标，首先是穿透装甲，目前的反装甲导弹大量地采用了聚能战斗部，或称成型装药战斗部，利用炸药爆炸时的聚能效应生成一股具有高速、连续、密实的金属射流或成型弹丸，去侵彻毁伤装甲目标。此外聚能战斗部也可用于攻击混凝土、地下工事等坚固目标。“霍特”反坦克导弹战斗部是射流式聚能装药战斗部，爆炸后形成高速射流毁伤坦克目标。该战斗部质量6.08kg，直径136mm，炸药质量3kg。结构如图10所示。主要由风帽(壳体的前半部)、战斗部壳体、药形罩、爆炸装药、传爆药柱、引信和底盖等组成。

图10 “霍特”反坦克导弹

3.3 多功能战斗部

多功能战斗部是把两种以上的单一功能的战斗部结合起来组成的复合战斗部系统。多功能战斗部最初主要应用于对付反应装甲。近年来，在反软硬目标兼备的弹药型号中得到广泛应用。如联合制导弹药JAGM就装备了多功能战斗部，能够一型多能，同时具备打击装甲、机动车辆、人群以及半地下工事等多类目标的能力。

04 成本因素

小型精确制导弹药的未来发展趋势之一是低成本化，由于现代战场变幻莫测，从传感器到射手的精确性和及时性将是最重要的作战能力。但在现实中，难以同时实现有效的作战能力和低成本。在经历了海湾战争和伊拉克战争等几次局部战争后，美国开始关注作战费用问题。早期的精确打击武器十分昂贵，要根据目标的优先等级确定精确武器的使用。目前世界军事大国正通过各种途径逐步实现可对任何目标进行的低成本精确打击。主要通过三类方式完成精确打击武器系统的低成本设计，即强调通用化和联合性、加装低成本改进装置和强调小型化和自主化。

一个既能降低成本又能确保最大作战效能的方法是坚持通用化和联合方案。该技术路径的代表产品有美军的联合直接攻击弹药（JDAM）、联合空对地防区外导弹（JASSM）、联合防区外发射武器（JSOW），这些导弹都由美国多军种联合研制，具有一定的通用性。其中，JSOW导弹在伊拉克战争中大放异彩，美军共发射了100多枚JSOW，在伊拉克战争中，美军又发射了253枚JSOW，对伊重要的军事目标进行了精确打击，取得了良好的作战效果，JSOW如图11所示。

图11 美军联合防区外发射武器

通过加装低成本改进装置提升导弹性价比的主要方式有增加升力组件和风修正弹药布撒器。前者的代表有美军的钻石背，钻石背是MBDA公司研制的低成本翼展装置，该装置的基本功能是使飞机在防区外投弹，增加弹药的投放距离，无需使用涡喷发动机和相关燃料。钻石背适用于大量的载荷上，从907.2kg的JDAM到113.4kg小口径炸弹(SDB，如图12所示)。风修正布撒器的代表产品有洛克希德·马丁公司的风修正弹药布撒器（WCMD，如图13所示），它将惯性制导组件和气动控制组件作为一个尾翼装置加到标准的战术弹药子母弹上，用于克服风的影响，消除发射误差和弹道误差。

图12 钻石背升力组件

图13 美军风修正弹药布撒器(WCMD)

05 结束语

在现代局部战争中，小型精确制导弹药以其成本低廉、杀伤可控、作战灵活、打击高效的作战优势，获得了快速发展机会。近年来，伴随着无人载具平台的大量实战化应用，小型精确制导弹药必将获得更大的发展平台和发展机会。迄今为止，该类弹药在毁伤能力、打击精度、智能化程度、成本控制等方面取得了长足发展。同时，与国际先进产品相比，我国的弹药产品具有一定成本优势，但是在目标控制能力等方面仍存在一定差距。小型精确制导弹药未来的发展趋势包括更强的毁伤能力、更高的安全性、支持更加灵活的发射平台以及更高的智能化和自主化程度。在顺应技术发展趋势的同时，应兼顾弹药的低成本化和综合性价比，从市场需求和质量控制两方面总体把控弹药总体性能，从而满足未来小型精确制导弹药的技术发展趋势。

审核编辑 ：李倩