底排——火箭复合增程弹优化方案

底排—火箭复合增程弹是一种新型远程弹，采用了底部排气减阻和固体火箭发动机增程的复合增程技术，从而可以达到更大的射程。

底部排气技术和火箭助推技术是已被人们所熟知的两种有效的增程技术，已分别在多种口径弹上得以应用。然而，将两者同时应用到同一弹丸上，却是许多国家弹药设计人员近几十年来致力探索的一种使弹丸打得更远的新的增程途径。

法国在20世纪80年代率先研究了这种底排—火箭复合增程技术。一种是155TLP式155 mm远程炮弹。它将火箭助推发动机放置在卵形部，弹底部加底部排气装置。另一种是155PAD式远程炮弹。其底排装置和火箭推进装置均放在弹底部，两者的装药构成中空的同轴圆柱，里层为底排药柱，外层为火箭推进剂装药。据分析，将火箭放在卵形部有利于提高弹丸的稳定性和终点效应，但缺点是增加了全弹结构设计的复杂性。将底排和火箭均放在底部的方案使得结构紧凑，但由于底排药柱不能太长，又受限于弹径，所以增程率不会很高。俄罗斯曾在20世纪70年代末在152 mm火炮上开发了一种底排—火箭复合增程炮弹。该弹的两药柱在轴向呈串联式结构，位于弹底的底排装置先工作，位于战斗部与底排装置之间的火箭发动机后工作，其最大射程可达40 km。

南非和美国也是较早开展复合增程技术研究的国家。南非迪那尔公司索姆切姆分公司研制了一种新型155 mm增速远程炮弹（VLAP），采用了底排和火箭的复合增程技术。VLAP为标准的带有焊接定心块的细长形弹体，底排装置与增程火箭发动机采用串联方案（但不同于俄罗斯的串联方案）。该弹配用于南非LIW公司的G5牵引式和G6自行式155mm榴弹炮。其射程及与全膛增程弹（ERFB）和全膛底排增程弹（RFB—BB）的对比情况列于表3-17中。

表3-17　南非155mm增程弹射程对比　km

（1）底排—火箭复合增程原理

底排—火箭复合增程弹能够获得更大射程的理论依据：弹丸出炮口后在空气密度很大的低空飞行时，空气阻力大，底阻占全部空气阻力的比例也大，因此采用底部排气减阻增程。当弹丸进入空气密度小的高空时，再用火箭发动机加速，以获得更高的增程率。

由底排减阻机理及规律可知，底排装置最佳的点火工作时机是弹丸出炮口即工作，这时弹丸空气阻力最大，底阻最大，减阻效率最高。由火箭助推原理可知，火箭助推装置不宜一出炮口即点火工作。其原因有3个：一是炮口扰动大，经火箭助推会加大横向散布；二是炮口附近弹丸阻力最大，火箭助推能量损失大，增速效果较差；三是炮口附近弹道区段是底排工作的最佳时域。所以，底排—火箭复合增程弹正常的工作时序应该是底排在先、火箭在后。

火箭药是高速燃烧型，其工作时间极短，一般在2 s以下，而底排药则是缓慢燃烧型，其工作时间较长，一般在20 s左右。若采用底排—火箭同步工作方式，在火箭结束后底排还有较长一段的工作时域。可见，底排—火箭采用不同的工作方式，其弹道特性也不同。

对于底排—火箭同步工作方式，底排—火箭复合增程弹的飞行弹道可分为四元弹道。

①底排前期工作弹道，即炮口至火箭点火时刻，底排减底阻效果最佳的工作时域。

②底排与火箭同时工作弹道。在该弹道段以火箭助推增程为主，当然两者同时工作会产生一定的干扰，有可能导致底排药剂终止燃烧或药柱破坏，甚至掉落。

③底排后期工作弹道。理论计算与试验结果表明，这一阶段底排效果还较明显。

④弹丸自由飞行弹道。

对于底排—火箭异步工作方式，底排—火箭复合增程弹的飞行弹道可分为三元弹道：底排工作弹道、火箭工作弹道和弹丸自由飞行弹道。

（2）总体布局形式

在底排—火箭复合增程弹总体结构布局设计时，底排装置总是置于弹丸的最底部，而火箭装置可以放置于弹体的不同部位。依据火箭装置与底排装置的相对位置，底排—火箭复合增程弹的总体结构布局主要有如下3种基本形式。

①前后分置式布局。前后分置式布局，即在弹体头弧部放置火箭装置。图3-44所示的美国155 mm XM982型底排—火箭复合增程子母弹属于此种布局形式。由于前置火箭发动机完全按照弹丸头部形状来设计，有效地利用了弹丸头部空间，使弹丸的有效载荷装载空间不致减小太多，既可达到一定程度上的增程效果，又确保了弹丸一定的威力性能。这种布局形式特别适合于子母弹。由于这种布局形式的火箭装置与底排装置的排气通道不重叠，可以实现两个装置的异步工作（即底排结束后火箭开始工作）或工作时段部分重叠的同步工作（即底排工作的同时火箭也工作），但火箭点火序列设计难度较大，弹丸结构比较复杂，并且火箭发动机的推力有一定损失。

图3-44　前后分置式布局

1—弹体；2—火箭发动机；3—喷管；4—炸药；5—底排装置。(www.xing528.com)

②弹底并联式布局。弹底并联式布局，即火箭药柱在内圈，底排药柱在外圈，同处一个装置内，并共享同一个排气口。图3-45所示的法国OERAP-H3型155 mm的底排—火箭复合增程弹采用的就是此种布局形式。这种布局结构最为简单，也可能是威力牺牲最小的，但经计算与试验表明，其复合增程效率有限。另外，火箭药柱点火的一致性难以保证，并且只能实现先底排、后火箭的异步工作。

图3-45　并联式布局

1—弹体；2—炸药；3—火箭推进剂；4—底排装置；5—喷管。

③弹底串联式布局。弹底串联式布局，即火箭装置与底排装置同处弹底部，相对弹头而言，火箭装置在前、底排装置在后，呈串联方式排布。图3-46所示的俄罗斯152 mm底排—火箭复合增程弹采用的就是此种布局形式。目前，南非155 mm底排—火箭复合增程弹也采用了此种布局形式。由于火箭装置与底排装置同居弹底，不与弹丸的传爆序列或抛射序列发生干涉，所以使整个弹丸总体结构布局相对简单许多。根据火箭排气通道的设计与安排，这种基本形式可以实现异步工作或同步工作，从而可以演变成同系列的多种结构布局形式。由于底排装置与火箭装置均占居弹丸有效的圆柱段空间，所以会使弹体有效携载空间（即威力性能）大为降低。

图3-46　串联式布局

1—弹体；2—炸药；3—火箭推进剂；4—底排装置；5—喷管。

（3）底排—火箭复合增程弹的最佳弹道匹配

影响底排—火箭弹道匹配效果的因素有许多，底排的点火时间及工作时间、火箭的点火时机及工作时间、弹丸的气动外形及质量的衰减（飞行过程中其质量衰减幅度大于5%）等因素都会对复合增程弹的飞行弹道产生影响，其直接效果就是增程率的变化。在设计底排—火箭复合增程弹的总体方案时必须很好地考虑和协调这些因素，以便获得底排—火箭最佳匹配工作的效果。底排—火箭如何实现最佳弹道匹配的问题，实际上是最大限度发挥火箭增程效率的问题。在火箭推进剂的质量及其比冲等参数一定的情况下，随火箭点火时间的不同，主动段末端的速度及空气阻力加速度也不同。由火箭外弹道学可知，火箭点火工作时机应选择在弹道上升弧段。在接近弹道顶点附近空气阻力加速度最小，火箭推力损失最小，主动段末端速度可最大，但此处的弹道倾角最小。由于越接近炮口，弹道越低，空气阻力越大，所以火箭的推力损失越大，主动段末端速度越小，但弹道倾角越大，弹道倾角的大小决定了弹丸爬高的能力，火箭助推产生的飞行速度增量的大小决定了弹丸持续飞行的能力。对真空弹道而言，其最佳射角为45°，对中、大口径高速弹丸的实际弹道而言，其最佳射角为55°～58°。

实际上，同一底排—火箭复合增程炮弹在同一发射角条件下，存在一个可实现底排—火箭增程效果最佳匹配的火箭点火时间，而且这种匹配效果会随着发射角的减小而减弱。经过对多种底排—火箭复合增程炮弹的弹道诸元计算验证发现，在发射角小于最佳射角55°～58°（地面加农炮的发射角一般在45°）时，底排—火箭要获得理论上最佳的弹道匹配效果，两者必须采取同步工作方式，而这种工作方式并没有最大限度地发挥火箭增程效率。但当发射角大于最佳射角55°～58°（地面榴弹炮和舰岸火炮的发射角可大于70°）时，底排—火箭采取异步工作方式，可以最大限度地发挥火箭增程效率。

（4）底排—火箭复合增程弹的结构组成

图3-47所示的是一种枣核形底排—火箭复合增程榴弹。该弹采用了弹底部串联式总体布局结构，由战斗部、引信、底排装置和火箭装置等构成。底排装置与火箭装置的匹配设计是底排—火箭复合增程弹的关键环节之一。

①底排装置。底排装置一般由底排壳体和底排药柱组成。底排药柱通常采用复合型底排药剂。为了给火箭发动机喷管留出排气通道，底排药柱不采用独立的点火具，而采用目前正在研制的烟火药剂递进式点火方式。

②火箭装置。火箭装置由箭药燃烧室、火箭药柱、火箭空中点火具、喷管、喷堵、堵盖等零部件组成。火箭发动机的壳体通常在上下两端都车制螺纹，分别与战斗部壳体和底排装置壳体相连接。为了承受10 000 g以上火炮发射过载和膛内300 MPa以上高温高压气体的冲击与烧蚀，燃烧室、喷管、喷堵、堵盖等零件必须构成一个抗高过载与抗高速旋转的结构组件。火箭发动机不工作时喷堵、堵盖必须密闭喷管排气通道，而火箭发动机开始工作时喷堵、堵盖则必须被顺利喷出，使喷管排气通道畅通。

目前可用于炮射火箭增程弹的火箭药主要有改性双基型和复合型两种。由于火炮用复合增程弹的总长受到飞行稳定性的限制，弹长设计分配的空间十分有限，希望火箭发动机占弹长的比例小些为好，这就要求箭药的比冲值大些为好。由于复合型箭药要比改性双基型箭药的比冲值大，故复合型箭药可以作为首选。

由于火箭发动机的起始工作时刻是在飞行弹道高空，所以火箭药的点火必须采用延期点传火方式。延期点传火方式一般有两种：一是火药延期；二是电子定时。电子定时在工程实现上要相对复杂许多，故一般采用火药延期点传火方式。

火药延期点传火方式的起始点火能源提供途径一般有两种：一是发射时的高温高压燃气直接点燃火药延期体；二是发射时的弹丸环境力（轴向惯性力或离心惯性力）击发火帽产生火焰，进而点燃火药延期体。第一种方式是最为安全的点传火方式。

图3-47　复合增程榴弹结构

1—引信；2—弹体；3—定心块；4—炸药；5—火箭装置；6—弹带；7—闭气环；8—底排装置。