射的那么远真的好吗？简评固体冲压增程炮弹
2020.9.25军事番薯
这是本β曾经写过的一篇文章，前几天在微头条卖了个关子，可能也勾起了大家的一些兴趣。

现在分享出来，欢迎批评指正。

自从人类的兵器中诞生了投射兵器后，人们总在不遗余力改进投射兵器，试图让它射程更远，命中更精确，威力更大。从弓箭到火枪再到火炮导弹莫不如此。对于传统身管火炮而言，火炮口径身管长度和药室容积的潜力挖掘殆尽，只能从弹药本身上下功夫。对于距离的无止境追求促使了多种增程弹药的诞生，现在使用普通增程炮弹的155mm自行火炮射程能达到45千米以上，但人们还没有停止追求"更快更准更厉害"的脚步。增程炮弹主要的着力点有弹形减阻、底部排气减阻、助推火箭发动机、冲压发动机、滑翔增程以及各种方法组合使用的复合增程等，据研究，弹形减阻的增程率为15%~25%，底部排气或火箭发动机的增程率为20%~40%，底排与火箭复合增程的增程率为40%~50%，滑翔增程的增程率为60%~70%，冲压发动机的增程率为100%以上。因此，冲压发动机就成为了陆军未来低成本远射程压制弹药的主要发展方向。

掀起"神秘炮弹"的盖头

在几年前的"欧洲萨托里"展会上，挪威与芬兰联合成立的"北欧弹药公司"展示了一种采用固体冲压增程技术的155mm炮弹。据公司参展人员介绍，这种炮弹射程可以达到90公里，最远甚至可以达到100公里以上，并将在未来安装制导装置，使之能够精确打击。根据"北欧弹药公司"的计划，这款炮弹将会在2019至2020年间进行试射，在2023年正式进入量产阶段，而且因为遵循了之前标准炮弹的尺寸设计，这款弹药到时将可用于所有现役西方标准的52或55倍径155mm火炮上。

图1 展出的奇特的炮弹

对航空发动机比较熟悉的人可能一眼就能看出这其实就是一个冲压发动机上装了个战斗部，或者说是一个缩小版的冲压发动机导弹。这种推进原理并不新奇，法国工程师雷纳·劳伦于1913年提出了冲压发动机的概念，至今已经是100多年，但这种发动机的潜力还远没有被挖掘透。冲压发动机的工作原理是靠飞行器高速飞行时的迎面气流进入进气道减速，将相对速度产生蕴含的动能转化为压力和温度，之后与燃料混合燃烧，高温燃气随后进入喷管膨胀加速，高温高速燃气由喷口喷出产生推力。它有一种特性，进气速度越大，所产生的推力也越大，在阻力和推力达到平衡的时候，最高速度能达到15倍音速甚至以上。对于固体燃料的冲压发动机，工作过程就是发射药不完全燃烧，产生的燃气与从进气口进入的高压空气进行混合二次燃烧，产生高温高压燃气推进，除了不完全燃烧这一点，与通常的液体燃料冲压发动机区别不大。

图2 与炮弹神似的冲压发动机导弹

冲压发动机也存在自己的缺点，由于没有压气机不能低速启动，且较低的速度下动力不足。但冲压发动机结构简单，大件只有扩压室燃烧室和尾喷管，推重比大，成本低，可靠性高，如果用于炮弹上，那它的缺点就被完全掩盖了，剩下的只有优点，因此冲压发动机原理也很早就被用于增程炮弹上了。

固体燃料冲压发动机增程炮弹的发展史

1933年苏联便有了冲压发动机增程炮弹的设计。这一方案应用在76mm炮弹上，在后续进行的实验中，取得了增程50%的效果，比冲量达到了423s，当时的发射药还比较原始，采用黄磷，和现今的高能推进药不可同日而语。

图3.苏联早期设计的增程炮弹

美国也在1975年设计了同样原理的炮弹

图4.美国早期设计的增程炮弹

美国的方案，在外形上已经和"欧洲萨托里"上展出的那个方案很像了，环形进气道，差别在于现在还没有精确制导的概念。在之后，由于这种工作方式的优越性，美国、瑞典、荷兰、南非、以色列、韩国也进行了大量的研究和工程应用。美国将固体冲压发动机应用于炮弹的研究于1979年开始，在设计和应用中出现了两种稳定方式的炮弹：旋转稳定式和尾翼稳定式。1984年美国陆军弹道实验室研究了用105mm火炮发射的75mm固体燃料冲压发动机旋转稳定弹，这从本质上来说还是原理测试弹，因为它并没有实用化的装药和生产性。

图6.75mm增程实验弹

到了80年代，美国又研制出了尾翼稳定的"先进间接发射系统"，基于M110A2式203mm榴弹炮发射，射程超过了60km。同时期，瑞典国防研究院也开始了冲压发动机增程炮弹的研究，这是一种旋转稳定式固体冲压发动机的40mm防空炮弹，采用了固体燃料冲压发动机（SFRJ）后，这种炮弹的弹道更平直，速度更快，能有效提高对高速空中目标的打击能力，在90年代后，瑞典又与荷兰一起拿出了155mm固体燃料冲压发动机增程榴弹的方案，在2001年成功的进行了飞行试验。

荷兰于1989年开始研制基于SFRJ原理的反坦克炮弹，在不断的实验和改进设计后，荷兰应用科学研究院（TNO）与瑞典RWMS AG公司合作研究的重口径旋转稳定固体燃料冲压发动机增程炮弹在瑞士Ochsenboden试验场进行了飞行试验，最终证明在马赫数4的情况下，冲压发动机有维持炮弹飞行速度为出膛速度（1400m每秒）的能力，这也给之后世界各国的研究很大的激励作用和示范效应。

图8.荷兰瑞典联合研制的155mm增程炮弹

关于其他国家，1993年南非将固体燃料冲压发动机增程原理用在了动能穿甲弹上，在1998年开始研制旋转稳定的155mmSFRJ榴弹，并在2001年完成了实弹发射试验。1998年印度提出了155mmSFRJ增程炮弹的设计方案，这是一种细长的炮弹，长度超过了两米，跟印度的很多项目一样，最终流产并留下很多烂尾，甚至从这个设计本身来说，更像是一款带助推的固体燃料冲压发动机推进火箭弹而不是炮弹。1999年到2002年之间，韩国也对固体燃料冲压发动机旋转稳定炮弹进行了研究，比较有意义的是他们设计了单锥和皮托式两种进气道，在实验中的结果表明，单锥进气道的总压恢复系数大于皮托式，但容易受攻角的影响。皮托式进气道的炮弹自点火和稳定燃烧性质比较好，但是推进性能低，难以达到增速增程的目的。这为后来的固体燃料冲压发动机增程炮弹进气道的设计指明了方向。2006年，以色列完成了以固体燃料冲压发动机为二级动力装置的增程炮弹的飞行试验，第一级为火箭发动机，第二级为固体燃料冲压发动机，这是为冲压发动机做原理实验。

国内对于固体燃料冲压发动机的研究始于20世纪90年代末。航天科工三院31所与南京理工大学合作开展了固体燃料冲压发动机增程炮弹的研制工作，2006年开展了对于增程炮弹使用的固体燃料冲压发动机性能的研究，在以上研究的基础上，2007年开始对固体燃料冲压增程炮弹进行结构原理设计和结构强度分析。到目前为止，国产固体燃料冲压增程炮弹的原理设计，风洞试验，地面工作转级实验，强度飞行实验等均已完成，并取得了实质进展。近几年网上也出现了带有编号的样弹照片，证明这种炮弹的完成度已经很高了，如果有实际需要的话，不久便可装备部队。

图9.国产固体燃料冲压发动机增程炮弹

总之，就国内外固体燃料冲压发动机增程弹药研究的总体发展现状来说，大中口径弹药的最远射程都可以达到70km以上，增程率在100%左右，技术日趋完善，我国与国外先进水平差距并不远。

固体燃料冲压发动机增程炮弹的关键技术

尽管固体燃料冲压发动机增程炮弹有着结构简单、成本低、增程效率高等优势，它依然是一个难以轻易研发出来的东西，因为在高速状态下需要涉及气体动力学，传热学，燃烧学，结构力学，控制理论等众多学科，也就是说这种简单只是成品简单，设计过程反而是非常复杂的。因此固体燃料冲压发动机增程炮弹在研究过程中还需要突破很多关键技术

1. 燃料技术

用在冲压发动机上的固体燃料药柱比普通的固体火箭推进剂的要求更高，不光需要有良好的点火性能，尽量减少氧化剂含量，提高推进剂能量，提高燃速，还需要在面对发射时巨大的加速度时药柱能抗冲击，不脱落不碎裂。国际最好的技术是使用含硼推进剂，国内含硼推进剂的喷射效率约为80%，在发动机补燃室中的效率为`，因此应对发射药进行更深入的研究以提高效率降低重量。

2．发动机技术

冲压发动机结构简单，但是控制复杂，需要根据炮弹的飞行高度，飞行 速度和飞行姿态进行有针对的优化设计，因为这些因素会对冲压发动机的工作状态有很大的影响，炮弹上的冲压发动机与其他飞行器上的不一样，无法进行过多的控制，且工作时间很短，这就对设计提出了更高的要求。因此发动机的主要结构参数，总体结构设计，燃速控制，二次燃烧，燃烧室与喷管的设计都是需要解决的。

3. 空气动力学技术

为保证飞行稳定，飞行距离和有效载荷，炮弹质心和推力中心应符合力学原理，弹体外还有尾翼，如果要精确制导的话还会有更多的控制翼面，这些翼面与弹体外形的配合，包括为了保证载荷所应用的环形进气道与总体的匹配等，需要很长时间的磨合。

图10，风洞中的炮弹

图10，风洞中的炮弹

4. 制导技术

冲压发动机的外形和速度决定了它不可能使用激光和电视制导，在100km以上的射程，身管火炮所赋予的精确度已经受到了严重的影响，如果没有进一步的制导，会有很大的散步区。作为炮弹的制导组件，一是要成本低，二是要可靠耐用，三要体积小，这三点缺一不可，与导弹上的导引头不同，炮弹上的要求会更高，但可以适当放宽精度。

5. 数值模拟和实验技术

这种炮弹的设计需要对外弹道和内流场同时进行模拟，外弹道包括对飞行过程中推力与阻力的变化，炮弹质量的改变以及发动机工作参数对申城的影响，内弹道模拟包括进气道，燃烧室，补燃室和喷管的流动与燃烧模拟。这种多变量的模拟需要很高的建模能力和极强的计算能力，同时同数据到实验，试车台实验与实弹打靶实验都是需要建立全新的体系，这对与设计单位的总体设计和协调能力提出了很高的要求。

我们真的需要射程那么远的"炮弹"吗？

说完了固体燃料冲压发动机增程炮弹的优点和难点，我们再来想一想它的应用。近三十年的研制和实验并没有让这种炮弹大规模生产和装备，甚至在军迷圈中也没有广泛的影响和讨论，这究竟是为什么？在笔者看来，主要有这么几个原因

技术问题

世界各国在近30年的研发中都是闭门造车，很少有互相沟通和交流的，毕竟是军工保密项目，因此发展缓慢很正常，简单的结构带来了设计的复杂性，各研制单位也不会把全部资源投入这个项目，因此造出来的大多是验证弹或工程弹，进入实战程度的少之又少。再加上凡是涉及到材料学和空气动力学的盐牛，都需要大量的原始数据积累作为支撑，仅仅是技术进步并不能减少原始数据获取的过程，都得无数次的吹风洞和进行材料试验。与飞机和导弹的空气动力学数据相比，固体燃料冲压发动机增程炮弹的积累少的可怜，理论也不是十分完善，因此各国还是在研究性能更优越的炮弹才会进行定型列装。

成本问题

一般来说，炮弹比起导弹和火箭弹的优势是成本低，工艺简单，战时可以大量生产大量使用。对于固体燃料冲压发动机增程炮弹而言，它的成本远高于普通炮弹，虽说与火箭弹或导弹相比成本还要低一些，但是装药量远没有火箭弹或导弹多，如果大量使用的话同成本投射量甚至要大于火箭弹。想要降低成本的话除了技术进步降低材料和生产成本，还需要大量生产来平均研究和建立生产线的成本。在大量生产之前，成本问题会一直存在。

使用场景问题

承接前一个问题，如果想要大规模生产，必须有大规模生产的理由和动机。然而在现有各国作战体系中，50km-100km这个距离一般都是火箭炮覆盖的，加装了制导装置的火箭弹在这个距离能达到很好的精确度，投射量和时效性也能得到保证。而对于火炮来说就比较尴尬了，想达到同样的投射量需要集中大量的火炮，如果不加装制导系统的话在这个距离散步会大的很，也就失去了身管火炮本身具有的精度较高的特点。并且现在的世界局势大体和平，部分热点地区小规模战争和冲突，大国间的直接军事对抗乃至热战短期内不太可能发生，用这种高价的先进弹药欺负弱小的敌人得不偿失。

如果说以上都是不加快研究列装这种弹药的客观原因，笔者更要提出一个根本性的问题，军队真的需要装备超远射程的身管火炮吗？

我们从武器的发展史说起，最早期的投射武器是矛一类的武器，但是在弓箭出现后，经历了一段时期的发展后投掷作用逐渐被弓箭所取代。弓箭发展的是磅数越来越大，射程越来越大，威力也不断增强，但是在投石机与弩炮等"新概念"远程武器出现后，也不追求极限射程了，只要求在规定射程内达到一定的穿甲效果即可，因为射程越远，磅数越大，对弓箭手的要求越高，一旦达到一个阈值，能达到这个要求的弓箭手就变得稀少且不易训练，得不偿失。火器出现后更是如此，两米多长的抬枪被火炮取代，标尺射程大几千米的全威力步枪被小口径步枪与机枪和迫击炮的组合取代，到后来闻名世界的"巴黎大炮"被V1，V2导弹所取代，再到海上，传统的战列舰主炮逐渐被飞机挂载的航空炸弹取代，二战时日本海航的99式80番5号爆弹更是直接用长门级战列舰主炮的穿甲弹改造而成，与原来的炮弹相比更精确更致命。最终战列舰被航母取代，退出了战场。

总结一下规律，主要有两条。1.在一种武器的工作原理没有发生变化的时候，它的发展潜力会逐步被挖掘干净，想取得进步会越来越难，直到最后使之进步的代价大于进步所带来的收益，便停止发展或被更新概念的武器所替代。2.单一武器上赋予的多种作战使命最终会被多种武器所各自具有的单一作战使命代替，也就是说体系化作战是大势所趋。这两条规律在人类的战争史和武器发展史上被无数次的反复证明着。从这个观点来说，笔者认为固体燃料冲压发动机增程弹并不是一个很好的科技树，各国研制也只是作为技术储备罢了。

美国军方曾经想在朱姆沃尔特级驱逐舰上装备"先进舰炮系统（Advanced Gun System）"，使之最远射程达到185km，采用模块化供弹系统，并最终达到MK-45 Mod4舰炮3倍的装药量，2.5倍的持续发射能力，4.5倍的齐射压制能力。"先进舰炮系统"计划使用GPS制导的长程对地弹药（Long Range Land Attack Projectile），但从2001年立项研发开始，到现在已经18年过去了，朱姆沃尔特依然没有装备当时预计装备的LRLAP弹，一方面是可靠性问题，一方面是成本高居不下，一发LRLAP弹造价高达80万美元。更不用说LRLAP本身就是一个身管火炮发射的炮射导弹，它是带有火箭发动机的。从这个例子来看，以上两个规律都得到了验证。

笔者认为，现有条件下，挖掘身管火炮和弹药的潜能的代价已经是相当高昂了，身管火炮就让它干自己的专业，专注于50km内的覆盖打击和少数情况下的精确打击，再往上就交给火箭炮，再远的话让导弹或空军来解决目标。想让身管火炮的打击范围覆盖火箭炮，这本身就对"身管火炮"这一工作原理提出了不切合实际的高要求。

但这并不是说固体燃料冲压发动机这一原理不好，相反，如果这一原理能用在火箭弹或导弹上，能大大降低它们的成本和复杂程度。专业的事情交给专业的装备来干，需要体系来完成的作战任务不要强加于某一特定作战装备上，如果不这样，最终必然产生的是一个不伦不类的怪物，这是在开武器发展史的倒车，哪怕是最后付出高昂的代价强行达到了设计要求，也会被更廉价更简单的装备所代替。对于身管火炮来说，下一代的推进方式将不再是火药，而是电磁，与其苦心孤诣在挖掘身管原理的潜力，不如把更多的资源投入到新概念武器的开发上，毕竟身管原理已经快到发展的天花板了，而电磁原理的地板我们还未触及。

《21世纪美陆军炮兵》 景元清

《固体燃料冲压增程炮弹发展现状及关键技术》 安斌丰

《集中优势兵力-高技术条件下局部战争炮兵克敌制胜的重要原则》 李桂成

《联合非对称炮兵作战探析》 牛海春 管东平