CN104677191B - 一种光电智能枪械、可控爆炸弹药及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电智能枪械，它属于新型光电武器技术领域。本发明公开的一种光电智能武器系统由枪械主体部分、可控爆炸弹药、光学瞄准镜、光电门开关、激光测距仪、控制电路以及激光引爆器组成，其中可控爆炸弹药由弹头、弹壳、底火、发射药组成，可控爆炸弹药的弹头由光学聚焦窗、光电引信、高能炸药、弹丸及外壳组成，可控爆炸弹药与激光引爆器配合工作，完成作战任务。本发明具有抗电磁干扰性能好、结构较为简单、成本低廉以及战场使用便捷等特点，有望在特种战争或反恐等重要领域得到广泛应用。

Description

一种光电智能枪械、可控爆炸弹药及工作方法

技术领域

本发明涉及一种光电智能武器，尤其是指一种光电智能枪械、可控爆炸弹药及该枪械的工作方法。

背景技术

现代科技日新月异，军事变革此起彼伏，战争模式在近几十年发生急剧改变，传统战争中依靠人数与火力的厮杀现已经演变成为智力和科技的较量。除高素质新型军事人才外，现代战争中高科技武器是另一个重要的制胜法宝。

众多武器中，枪械作为最为经典和常见的武器装备，以发射枪弹，打击无防护或弱防护的有生目标为主，是步兵的主要武器，亦是其他兵种的辅助武器，在民间更广泛应用于治安警卫、狩猎、体育比赛等场合。然而，运用枪械装备进行攻击时，通常要求目标可视，且需精确瞄准后才能对目标形成有效杀伤，这使得枪械的作战效果在某些特定场合大打折扣。譬如，对于处于战壕或者掩体中的目标，枪械的杀伤效果较差。如何弥补传统枪械的不足，进而提高其作战性能？这已成为军工行业需研究的一个重要课题。目前，以美国为主的发达国家已开展这方面研究，并取得了系列成果。譬如，美军研制成功了系列智能武器系统，这些智能武器系统使用所谓“灵巧子弹”或者“智能子弹”。据有关资料报道，目前美军已初步掌握了智能武器或“智能子弹”相关技术。从原理上看，美军研制的由枪管发射的“智能子弹”主要通过两种装置来控制：一是制导系统，采用的是激光半主动制导，具体是用一束激光给目标“着色”，并给每个弹头的石英窗下安置一个自动寻找激光信号并控制子弹(或枪榴弹)飞行方向的传感器，以引导子弹沿激光束飞行而精确命中目标。二是压电陶瓷制动器，这种装置结构十分简单，弹头通过球窝连结与弹体结合，并且由一圈压电陶瓷棒来固定，在施加电压时，由于压电效应子弹一侧的某个压电陶瓷变长，另一侧相对应的压电陶瓷变短，这样可以使子弹产生飞行偏角，从而控制弹头的飞行方向。这新型装置的发明使得枪械的射击精度大为提高。此外，据报道，2010年美军在阿富汗战场为应对经常藏身于掩体后发动突袭的敌军，将研制成功的另一种新型枪械——“未来步枪”或称为“理想单兵作战武器”投入战场。这种绰号“惩罚者”的XM25型智能武器使用先进的、由无线电控制的“智能子弹”，该武器能够为发射出的子弹编制程序，在子弹发射超过一段距离后准确定位目标并爆炸。这种武器的瞄准器使用激光测距仪来确定目标的准确位置，在此基础上可以增减～3米远近的距离，以便子弹可以清除障碍，并在目标上方或旁边爆炸。士兵将能够用它们瞄准隐藏在战壕里的狙击手，而不用调用空中打击力量。2014年2月，有关媒体首次曝光了我军研制的型号为ZH-05的智能突击枪，该枪械配有电脑火控，在我海军亚丁湾反海盗护航巡逻中发挥了重要作用。该智能突击枪配备激光测距仪和数字照相机，可以事先为枪榴弹编制程序，使其在离目标一定距离内爆炸，比如直接在敌人战壕上方爆炸，其效果与美军XM25型智能武器相当，但其工作原理没有见到详细报道。

可以看出，这些高科技智能武器改变了传统枪械不能攻击非可视目标的缺点，在现代战争中具有极大的应用潜力。然而，此类采用电子引信并通过火控系统引爆子弹(或枪榴弹)的智能武器系统(如XM25)，其无线电控制方式有其弊端，首先这种装置的抗电磁干扰能力较差，在复杂电磁环境中，无线电控制可能会失效，甚至会给己方人员造成安全隐患；其次，这类武器系统较复杂、成本较高，譬如XM25型智能武器由火控系统及榴弹发射器等部分组成，其中火控系统配备有热能探测器、光学瞄准器、弹道计算器、电子数码指南针、激光测距仪、弹药引信器、环境感应器等；再次，对于预先编程方式的智能武器系统(如ZH-05)存在使用不便的、攻击不及时等问题，会影响其战场使用效果。

发明内容

本发明针对现有的智能武器系统在抗电磁干扰性能、结构复杂程度、系统成本和使用快捷程度等方面存在的不足，以激光作为信号传输和引爆手段，提出一种光电智能枪械、可控爆炸弹药及工作方法，目的是基于现有武器系统结合光电技术进行技术革兴，以期提高常规武器系统，特别是常规枪械的作战性能。该发明可有效解决现有智能武器系统方案的抗电磁干扰性能较差、结构较为复杂、成本较高以及战场使用不便等缺点，有望在常规攻坚战中定点清除以及特种战争(城市巷战)或反恐等重要领域得到广泛应用。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种光电智能枪械，由枪械主体部分、可控爆炸弹药、光学瞄准镜、光电门开关、激光测距仪、控制电路以及激光引爆器组成，其中，枪械主体部分包含枪管、机匣、枪身、枪机、供弹具等常规枪械的主体部分(具体参见“步枪、冲锋枪、轻机枪通用技术规范”，中华人民共和国国家军用标准，GJB554-88,1988-06-22发布)，可控爆炸弹药装填在供弹具内，光学瞄准镜安装在枪管上，用于实现对目标的定位和瞄准，可控爆炸弹药由枪械主体部分进行击发，用于实现对目标的攻击，光电门开关安装在枪口部位处，用于确定当枪械击发后可控爆炸弹药的弹头通过光电门开关时的计时起点，并将此计时起点信号传输给控制电路，激光测距仪和激光引爆器通过数据线与控制电路相连，激光测距仪用于测量目标的距离，并将此距离数据利用数据线传输给控制电路，控制电路根据接收激光测距仪传来的目标的距离数据，计算出可控爆炸弹药的弹头飞抵目标所需时间，并结合光电门开关传来的计时起点信号控制激光引爆器的触发，激光引爆器接收控制电路传输的触发信号后发射引爆激光束，控制可控爆炸弹药弹头的引爆。

所述激光引爆器由激光器、光束整形和扩束光学系统组成，光束整形和扩束光学系统安装在激光器出光轴线方向，所述激光器为半导体或者固体激光器，发出的激光为可见或者非可见激光，其输出功率根据战场环境调节，例如在面临沙尘、风暴、雨雪、雾霾等可见度较降的战场环境时，激光器的输出激光功率需增大，战场可见程度越差，所需增加的激光功率越大；所述光束整形和扩束光学系统用于实现对激光器所发出的激光束实现光束整形和光斑大小的调节，用于确保当可控爆炸弹药弹头发射至目标附近时，其底部的光学聚焦窗能接收到激光引爆器发出的引爆激光。

所述激光引爆器可以通过光路设计与光学瞄准镜进行组合，以便减少装置体积，例如，将激光引爆器的光束整形与扩束系统与光学瞄准镜光路系统采用分光器组合成同轴光路，分光器对于激光引爆器光波长反射率高，而对于用于观察和瞄准的可见光波长透射高。

所述激光测距仪与控制电路及激光引爆器可以组合为一个模块，该模块可以安装在枪械上，也可以独立于枪械。

所述光电门开关以有线或者无线方式将计时起点信号传输给控制电路。

本发明还提供一种用于前述光电智能枪械的可控爆炸弹药，由弹头、弹壳、底火、发射药组成，该可控爆炸弹药通过在常规弹药(具体参见《枪弹制造》，国防工业出版社，《枪弹制造》编写组编，1977年12月)的基础上对其弹头做出改进，具体改进如下：可控爆炸弹药的弹头由光学聚焦窗、光电引信、高能炸药、弹丸及外壳组成，其中，光学聚焦窗为在弹头底部开的一个圆形窗口，其上安装有光学聚焦玻璃，用于接收激光引爆器发射出的引爆激光束并对其进行聚焦，在弹头内部光学聚焦窗前部的焦点处安装有光电引信，用于实现光电转换，最终利用电信号起爆高能炸药，高能炸药和弹丸位于弹头内部光电引信的前部，分别起到爆炸和杀伤的作用。所述可控爆炸弹药与光电智能枪械配合工作，完成作战任务。

所述光学聚焦玻璃上根据激光引爆器发射激光的波长镀有窄带滤光膜，使得可控爆炸弹药的弹头主要受激光引爆器控制而免受太阳光等其它杂散光的影响，以提高系统抗干扰能力。

本发明还提供一种上述光电智能枪械的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)肉眼捕捉到目标后，通过光学瞄准镜定位目标；

(2)利用激光测距仪测量到目标的距离，并将测量数据传输给控制电路；

(3)控制电路根据激光测距仪测得的到的目标距离，结合弹头飞行时间与飞行距离之间的关系，计算出弹头从枪口发射到目标所需时间并将此时间设置为激光引爆器触发时间；

(4)将可控爆炸弹药上膛，利用光学瞄准镜瞄准目标区域，击发可控爆炸弹药；

(5)可控爆炸弹药战斗部出膛时触发位于枪口的光电门开关，控制电路开始计时，当计时到设定的触发时间时，控制电路触发激光引爆器发射激光束；

(6)激光束通过可控爆炸弹药战斗部的光学聚焦窗聚焦后，触发可控爆炸弹药战斗部的光电引信，引爆可控爆炸弹药战斗部中的高能炸药，利用战斗部中的高能炸药爆炸产生的高速弹丸达到杀伤目标的效果。

本发明具有以下技术效果：

1.无需精确瞄准，亦可实现对目标的有效杀伤，命中率得到提高；

2.可攻击非可视目标，特别是隐藏于战壕或者掩体后的敌方目标；

3.智能武器系统的抗电磁干扰能力明显增强；

4.智能武器系统成本降低，适合大面积推广；

5.减少操作流程，节约准备时间，适合快速反应；

6.可直接对现有武器系统进行升级改造，无需专门的系统设计。

附图说明

图1为本发明所述光电智能枪械的结构组成图；

图2为本发明所述可控爆炸弹药弹头结构组成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。本发明源于对于美军现有智能武器工作原理的学习和理解，以及对激光特性的分析和思考，其本质以激光为信号传输和引爆手段控制“智能子弹”，利用激光方向性强、亮度高等优势改善现有无线电控制的“智能子弹”在抗电磁干扰能力、结构复杂程度、系统成本和使用便捷程度等方面的不足，从而实现对非可视目标的有效攻击，降低瞄准要求，提高现有武器系统的作战效果。

本发明的原理如下：实际作战中，当用光学瞄准镜确定敌方目标后，首先利用激光测距仪确定到目标的距离，并将测得的数据输入给光电智能枪械的控制电路，控制电路据此计算并设置激光引爆器的触发时间。当可控爆炸弹药的弹头出膛时，触发位于枪口处的光电门开关使得控制电路开始计时，根据弹头的飞行时间确定战斗部已飞行至目标附近时，控制电路触发激光引爆器工作发射激光束，利用可控爆炸弹药弹头中的光电引信引爆弹头。可控爆炸弹药的弹头爆炸后产生的弹丸飞向四面八方，从而实现对目标的有效攻击。

如图1所示，本发明所述的一种光电智能枪械由枪械主体部分1、可控爆炸弹药2、光学瞄准镜3、光电门开关4、激光测距仪5、控制电路6、激光引爆器7组成，其中，枪械主体部分1包含枪管、机匣、枪身、枪机、供弹具等常规枪械的主体部分(具体参见“步枪、冲锋枪、轻机枪通用技术规范”，中华人民共和国国家军用标准，GJB554-88,1988-06-22发布)，，用于实现可控爆炸弹药2的击发；

可控爆炸弹药2结构如图2所示，它由弹头201、弹壳202、底火203、发射药204组成，可控爆炸弹药弹头201的结构又可以细分为光学聚焦窗201a、光电引信201b、高能炸药201c、弹丸201d及外壳201e五部分。为清楚阐述本发明，结合图1和图2详细说明本发明的工作原理和过程。战斗中，当发现敌方目标的方位后，首先利用本发明所述光电智能枪械上安装的光学瞄准镜3确定目标具体位置，接着利用激光测距仪5确定目标的距离，并将激光测距仪5测得的数据输入控制电路6。可控爆炸弹药2的弹头201飞行时间与其飞行距离之间的关系利用实验方法得到，具体为：在枪口和射击靶放置两光电门开关，将两光电门开关信号接入计时器，子弹击发后，弹头两次通过光电门开关的时间由计时器测得，枪口与射击靶之间的距离用尺子测量，逐次改变枪口与射击靶之间的距离并测量不同距离时的弹头飞行时间，即可得到弹头飞行时间与飞行距离之间的关系，这样，控制电路6即可根据激光测距仪5测得到目标的距离计算并设置可控爆炸弹药2弹头201的引爆时间。可控爆炸弹药2上膛，利用光学瞄准镜3瞄准目标区域(目标上方1m或者左右各1m范围内)，并击发可控爆炸弹药2，当弹头201出膛时，安装在枪口处的光电门开关4触发控制电路6开始计时，当可控爆炸弹药的弹头201飞行至目标附近时，控制电路5触发激光引爆器7，激光引爆器7发射功率可调激光(为了隐蔽并保护枪械操控人员，所用激光通常为非可见光，例如半导体激光器发射的980nm或者固体激光器发射的1064nm近红外激光)，所述激光被可控爆炸弹药弹头201尾端的光学聚焦窗201a接收并被光学聚焦窗201a聚焦(为增强光电智能枪械的可靠性，在光学聚焦窗201a上安装的光学聚焦玻璃上根据激光引爆器7所发射激光的工作波长镀制窄带滤光学薄膜)。光学聚焦窗201a将激光能量聚焦到光电引信201b上，光电引信201b由光电探测器和引信电路组成(具体参见徐逸梅译，《光电引信的调节装置》，飞航导弹，1987年01期)，所述光电探测器(如光电二极管)将激光进行光电转换后，将产生的电信号传输给引信电路，引爆可控爆炸弹药弹头201内的高爆炸药201c，可控爆炸弹药弹头201被引爆后产生的弹丸201d高速飞向四面八方，从而实现对目标的攻击。

在光电智能枪械工作过程中，激光引爆器7的激光功率和发散角需要根据战场环境进行调整，当遇到沙尘、风暴、雨雪、雾霾等可见度较降的战场环境，需增大激光功率以保证有足够的能量触发光电引信201b。本发明中，激光引爆器7发射出的激光束对可控爆炸弹药弹头201的有效引爆由两方面措施来保证：①通过在枪械主体部分1上安装光学瞄准镜3保证发射的可控爆炸弹药2在以目标为中心的1m小范围区域内；②激光引爆器7发射的激光束通过光束整形和扩束光学系统进行扩束，使当激光束到达目标附近时的光斑大于可控爆炸弹药弹头出现的区域。

Claims (7)

1.一种光电智能枪械，其特征在于：所述枪械由枪械主体部分(1)、可控爆炸弹药(2)、光学瞄准镜(3)、光电门开关(4)、激光测距仪(5)、控制电路(6)以及激光引爆器(7)组成，其中，枪械主体部分(1)包含枪管、机匣、枪身、枪机、供弹具，可控爆炸弹药(2)装填在供弹具内，由枪械主体部分(1)进行击发，用于实现对目标的攻击，光学瞄准镜(3)安装在枪管上，用于实现对目标的定位和瞄准，光电门开关(4)安装在枪口部位处，用于确定当枪械击发后可控爆炸弹药(2)的弹头通过光电门开关(4)时的计时起点，并将此计时起点传输给控制电路(6)，激光测距仪(5)和激光引爆器(7)通过数据线与控制电路(6)相连，激光测距仪(5)用于测量目标到枪口的距离，并将此距离数据传输给控制电路(6)，控制电路(6)通过接收激光测距仪(5)传来的目标到枪口的距离数据，计算出可控爆炸弹药(2)的弹头飞抵目标所需时间，并结合光电门开关(4)传来的计时起点信号控制激光引爆器(7)的触发，激光引爆器(7)接收控制电路(6)传输的触发信号并发射引爆激光束，控制可控爆炸弹药(2)弹头的引爆；

所述激光引爆器(7)由激光器、光束整形和扩束光学系统组成，光束整形和扩束光学系统安装在激光器出光轴线方向，所述激光器为半导体激光器或者固体激光器，发出的激光为可见或者非可见激光，其输出功率根据战场环境调节；所述光束整形和扩束光学系统用于实现对激光器所发出的激光束实现光束整形和光斑大小进行调节，用于确保当可控爆炸弹药弹头发射至目标附近时，其底部的光学聚焦窗能接收到激光引爆器发出的引爆激光。

2.一种如权利要求1所述光电智能枪械，其特征在于：所述激光引爆器(7)通过光路设计与光学瞄准镜(3)进行组合，以便减少装置体积。

3.一种如权利要求1所述光电智能枪械，其特征在于：所述激光测距仪(5)与控制电路(6)及激光引爆器(7)相连而成的组合模块，可以安装在枪械上，也可以独立于枪械。

4.一种如权利要求1所述光电智能枪械，其特征在于：所述光电门开关(4)以有线或者无线方式将计时起点信号传输给控制电路(6)。

5.一种用于如权利要求1所述光电智能枪械的可控爆炸弹药，其特征在于：所述弹药由弹头(201)、弹壳(202)、底火(203)、发射药(204)组成，可控爆炸弹药的弹头(201)由光学聚焦窗(201a)、光电引信(201b)、高能炸药(201c)、弹丸(201d)及外壳(201e)组成，其中，光学聚焦窗(201a)为在弹头底部开的一个圆形窗口，其上安装有光学聚焦玻璃，用于接收激光引爆器发射出的引爆激光束并对其进行聚焦，在弹头内部光学聚焦窗前部的焦点处安装有光电引信(201b)，用于实现光电转换，最终利用电信号起爆高能炸药，高能炸药(201c)和弹丸(201d)位于弹头内部光电引信(201b)的前部，分别起到爆炸和杀伤的作用。

6.一种如权利要求5所述光电智能枪械的可控爆炸弹药，其特征在于：所述光学聚焦玻璃上根据激光引爆器发射激光的波长镀有窄带滤光膜。

7.一种如权利要求1所述光电智能枪械的工作方法，该方法包括以下步骤：

(1)肉眼捕捉到目标后，通过光学瞄准镜定位目标；

(2)利用激光测距仪测量到目标的距离，并将测量数据传输给控制电路；

(3)控制电路根据激光测距仪测得的到的目标距离，结合弹头飞行时间与飞行距离之间的关系，计算出弹头从枪口发射到目标所需时间并将此时间设置为激光引爆器触发时间；

(4)将可控爆炸弹药上膛，利用光学瞄准镜瞄准目标区域，击发可控爆炸弹药；

(5)可控爆炸弹药战斗部出膛时触发位于枪口的光电门开关，控制电路开始计时，当计时到设定的触发时间时，控制电路触发激光引爆器发射激光束；

(6)激光束通过可控爆炸弹药战斗部的光学聚焦窗聚焦后，触发可控爆炸弹药战斗部的光电引信，引爆可控爆炸弹药战斗部中的高能炸药，利用战斗部中的高能炸药爆炸产生的高速弹丸达到杀伤目标的效果。