JP2015515597A - ミサイル弾頭 - Google Patents

Abstract

弾頭ノーズは、円錐あるいはオジーブ状の本体を備えている。本体は、トップ周囲とベース周囲を有する外面を備えている。弾頭ノーズは、円錐あるいはオジーブ状の本体の外面に沿って延びる複数のリブを備えている。複数のリブは、その周囲がベースの周囲と等しいか小さくなるように、先細りになっている。弾頭ノーズの寸法は、次式により定められている。【数１】Ｄは、弾頭ノーズの最大径である。Ｅは、複数のリブの外径である。Ｆは、弾頭ノーズに沿う複数のリブの長さである。Ｇは、複数のリブの最小幅である。Ｈは、複数のリブの突出高さである。Ｉは、複数のリブが弾頭ノーズに繋がる箇所における最小幅である。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ミサイル弾頭に関する。とりわけ本発明は、硬い標的（特に複数の壁標的）を貫くように設計された無誘導弾頭に関する。

弾頭は、少なくとも１層（壁）からなる硬いコンクリートや鋼の標的に貫入し、次いで標的空洞内で爆発することをしばしば要求される。そのような弾頭は、オジーブあるいは円錐形のノーズを有している。当該ノーズは、抵抗力を少なくすることにより、貫入を支援する。

この種の弾頭は、下記３つの部分からなることが一般的である。
（１）大抵はオジーブあるいは円錐形である前部あるいはノーズ
（２）装薬を収容し、大抵は円筒形である主部
（３）筐体内に装薬を封止し、装薬点火用の貫入ヒューズを保持する後部

弾頭は、高強度鋼からなる中空の円筒形筐体であることが一般的である。当該中空の筐体内には装薬があり、弾頭の後端に貫入ヒューズが搭載されている。このヒューズは、適当なタイミングで（大抵は、弾頭が標的に衝突してから所定時間の経過後に）装薬を点火するように構成されている。

貫入弾頭の場合、前部貫入ノーズの設計には特別な注意が払われる。貫入ノーズは、弾頭における標的と最初に接触する部分であり、かなりの負荷に耐えるだけでなく、標的を貫く弾頭経路を案内する必要がある。最も普及している貫入ノーズの設計手法は、円錐あるいはオジーブ状のノーズを用いることである。

弾頭が斜めの衝突角度で標的に当たるとき、そして貫入の開始時においては、円錐あるいはオジーブ状のノーズに非対称な力が加わる。そのような力は、弾頭の重心の周りに回転モーメント（トルク）を生じ、弾頭の進路を曲げるか、浅い衝突角度で標的に当たる場合には弾頭を反跳させる。

この現象は、Ｊ現象と呼ばれ、以下に列挙する問題の少なくとも一部の原因となる。
（ａ）標的への貫入中に弾頭が回転し、弾頭にかなりの負荷を生じ、弾頭の構造破損に繋がる。
（ｂ）衝突角度が浅いと弾頭が反跳する。
（ｃ）嵌入進路が曲がることにより、弾頭の貫入深さが減少する。
（ｄ）弾頭の後部に位置するヒューズに作用する横加速度が増大し、貫入中におけるヒューズの故障の原因となる。

これらの問題に対する慣例的な設計手法は、金属厚を増すことと弾頭を形成する金属種を変更することの少なくとも一方を行なうことにより弾頭構造を強化し、横加速度に耐えられるようにヒューズを強化あるいは硬化させることである。この手法は、望ましくない武器システムの重量増大、装薬用の弾頭内容積の減少、および貫入ヒューズの設計の複雑化を含む制約を伴う。結果として、弾頭−ヒューズシステムのコストが増大し、有用性が低下する。

別の手法は、先端が丸いノーズを有する弾頭を使用することである。この種のノーズは、貫入の開始時にモーメント（トルク）と釣りあう反力を生成することによりＪ現象を弱めるが、貫入中に生じる抵抗力は増大する。抵抗力が大きくなる結果、以下に列挙する問題の少なくとも一部が生ずることがある。
− ノーズに生ずる抵抗力を著しく増大させる形状をノーズが有することにより、特に垂直貫入角度における貫入性能が低下する。
− 抵抗あるいは抵抗力の増大により弾頭の軸方向の加速度が増し、弾頭とヒューズに悪影響を及ぼす。

したがって、この種の弾頭は、比較的浅い角度で比較的薄い標的への衝突のみに使用が限定される。

上記に鑑み、本発明は、上記の弾頭の短所を克服する改良された弾頭を提供することを目的とする。すなわち、本発明は、斜め衝突時においてＪ現象を低減し、貫入性能を高め、弾頭およびヒューズへの負荷を軽減しうる形状を有するノーズを備えた弾頭を提供することを目的とする。

また、本発明は、重量の著しい増大を伴うことなく、多層構造の標的への貫入時における高い耐久性を有するミサイル弾頭を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、浅いアプローチ角と高い衝突角度が得られたときに、標的構造からの反跳を防止し、標的への貫入を支援する弾頭ノーズを提供することを目的とする。

本発明は、円錐形のノーズと、当該ノーズの周囲に沿う構造リブとを有する嵌入弾頭に関する。当該貫入弾頭は、以下に列挙する特性を有するように、特別な円錐形の設計がなされている。
１．多層構造の標的への貫入時における応力が低減されることにより、著しい重量増大を伴うことなく、耐久性が向上する。
２．Ｊ現象を最小限にすることにより、貫入進路が補正され、多層構造の標的への貫入可能深さが増大する。
３．浅いアプローチ角と高い衝突角度が達成されたときに、構造標的からの弾頭の反跳を最小限にし、標的への貫入を支援する。
４．弾頭後部に作用する加速度を低減することにより、当該弾頭後部に配置された貫入ヒューズへの負荷を軽減する。

貫入ノーズの主要部分は、以下に列挙するものを備えている。
複数のリブ構造：これらのリブは、サイズが変化してもよく、弾頭の最外郭より突出してもよい。複数のリブの厚さと高さは、弾頭ノーズの長さ方向にそって変化する。
貫入ボス：ボスは、貫入ノーズの先端から突出している。このボスは先細り形状を呈しうる。このボスは、貫入ノーズの用途によっては必須の部品ではない。

複数のリブは、以下に列挙する観点から弾頭の性能を向上する。

複数のリブ構造は、標的材料を破壊し、その間を通過することを可能にする。その結果、抵抗力（貫入抗力）が大きく低減され、弾頭の貫入力は、リブのない円錐形弾頭の貫入能力に相当あるいはほぼ同等となる。

複数のリブは、比較的浅い衝突角を含む広範囲の斜め衝突角において、弾頭の標的面からの反跳を伴うことなく、標的への貫入を可能にし、比較的薄い標的の場合は、表面を割りすらしうる。貫入の初期段階において、標的に接触する複数のリブは、抵抗力を生ずる。これが破壊トルクと釣り合い、弾頭が標的面から反跳することを防ぐ。

同じ原理により、複数のリブは、進行中の偏向（例えば、Ｊ現象）を抑制し、弾頭がより厚い標的を貫通できるようにする。これに加えてあるいは代えて、壁標的に対して垂直に衝突しない場合においても、弾頭をほぼ直進させ、多くの壁を貫通できるようにする。進行中の偏向の抑制は、弾頭に加わる横からの力とトルクを低減する。これにより、標的への貫入中および貫入後における弾頭とヒューズの存続可能性および信頼性を高める。

対照的に、円錐あるいはオジーブ状のノーズを有する弾頭は、標的へ斜めに貫入した後で回転するため、硬い標的への貫入力が低下する。複数の壁を貫く場合、円錐あるいはオジーブ状のノーズは、第一あるいは第二の壁を貫通する際に大きく回転し、残りの壁を貫通できない。

よって、本発明によれば、以下のように構成された弾頭ノーズが提供される。
トップ周囲とベース周囲を有する外面を備えている円錐あるいはオジーブ状の本体と、
前記円錐あるいはオジーブ状の本体の前記外面に沿って延びており、その周囲がベースの周囲と等しいか小さくなるように先細りになっている複数のリブと、
を備えており、次式により寸法が定められている。

Ｄは、前記弾頭ノーズの最大径である。
Ｅは、前記複数のリブの外径である。
Ｆは、前記弾頭ノーズに沿う前記複数のリブの長さである。
Ｇは、前記複数のリブの最小幅である。
Ｈは、前記複数のリブの突出高さである。
Ｉは、前記複数のリブが前記弾頭ノーズに繋がる箇所における最小幅である。

さらに、以下のように構成された弾頭ノーズが提供される。
円筒状部、円錐あるいはオジーブ状部、トップ周囲とベース周囲を有する外面、および一部が前記円筒状部から延び、別の一部が前記円錐あるいはオジーブ状部から延びている複数のリブを備えた本体を備えており、次式により寸法が定められている。

Ｄは、前記弾頭ノーズの最大径である。
Ｅは、前記複数のリブの外径である。
Ｆは、前記弾頭ノーズに沿う前記複数のリブの長さである。
Ｇは、前記複数のリブの最小幅である。
Ｈは、前記複数のリブの突出高さである。
Ｉは、前記複数のリブが前記弾頭ノーズに繋がる箇所における最小幅である。

前記複数のリブは、等間隔で配列されうる。

上記の弾頭ノーズは、前記先端から延びているボスをさらに備えており、その寸法が次式で定められている。

Ｄは、前記弾頭ノーズの最大径である。
Ａは、前記ボスの先端の径である。
Ｂは、前記ボスの基端の径である。
Ｃは、前記ボスの高さである。
前記ボスは、円筒形状と先細り形状の少なくとも一方を呈している。

さらに、以下のように構成された弾頭が提供される。
上記の弾頭ノーズと、
装薬を収容している主部と、
貫入あるいは点火ヒューズを保持している後部と、
を備えている。

本発明の第一実施形態に係る弾頭ノーズの斜視図である。 図１Ａの弾頭ノーズを有する弾頭の側断面図である。 貫入初期段階における図１Ｂの弾頭を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る弾頭ノーズの斜視図である。 図２Ａの弾頭ノーズを有する弾頭の側断面図である。 貫入初期段階における図２Ｂの弾頭を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る弾頭ノーズの斜視図である。 本発明の第四実施形態に係る弾頭ノーズの斜視図である。 図１に示した弾頭ノーズの側面図である。 図１に示した弾頭ノーズの上面図である。 本発明に係る弾頭が、真っ直ぐに、偏向なく、３枚のコンクリート壁を貫通する様子を示す図である（壁面に対する衝突角は比較的高い８０°）。 本発明に係る弾頭が、真っ直ぐに、偏向なく、３枚のコンクリート壁を貫通する様子を示す図である（壁面に対する衝突角は５０°）。

図１Ａは、本発明の第一実施形態に係る弾頭ノーズ１０の斜視図である。弾頭ノーズ１０は、円錐体１２、当該円錐体１２の外側面に沿って延びる複数のテーパーリブ１４、およびノーズ１０の先端１８から突出するテーパーボス１６を有している。

図１Ｂは、図１Ａの弾頭ノーズ１０を有する弾頭１９の側断面図である。図１Ｂより明らかなように、複数のリブ１４が追加されてもノーズ１０自体の円錐形状は維持されている。

図１Ｃは、貫入の初期段階における弾頭１９を示している。円錐形ノーズ１０とリブ１４は、弾頭の重心の周りの回転モーメントをほぼゼロに最小化してＪ現象をなくすことにより（すなわち、Ｊ現象によって生成されるトルクと逆のトルクを生成することにより）、弾頭をほぼ直進させる。

図２Ａは、本発明の第二実施形態に係る弾頭ノーズ２０の斜視図である。弾頭ノーズ２０は、比較的短い円錐体２２、円錐体２２の外側面に沿って延びる比較的薄い複数のリブ２４、および平坦な先端２６を有している。複数のリブ２４は、比較的薄く、標的面から反跳することなく、標的材料を引き裂くように貫入することを可能にする。

図２Ａより明らかなように、ノーズ２０は円錐体２２を有しているが、ノーズ２０のリブ２４を伴う部分の外形は円錐状ではなく、複数のリブ２４の形状と幅により得られる非中実円筒状である。

図２Ｂは、図２Ａの弾頭ノーズ２０を有する弾頭２８の側断面図である。

同図から明らかなように、ノーズ１０の先細り状の断面と異なり、ノーズ２０は、矩形の断面を有している。

図２Ｃは、標的面に対して０°〜４５°の比較的低い衝突角度による貫入の初期段階にある図２Ｂの弾頭を示している。この場合、ノーズ２０の非中実円筒状側面は、弾頭の重心の周りの回転モーメントをほぼゼロに最小化し、これによりＪ現象の発生を防ぐ。より具体的には、全体的に非中実円筒状であるノーズ２０の外形は、Ｊ現象によって生成されたトルクと逆向きのトルクを生成する。これにより、弾頭はほぼ直進し、標的面から跳ね返ることなく標的を引き裂くように貫入する。

図３は、本発明の第三実施形態に係る弾頭ノーズ３０の斜視図である。弾頭ノーズ３０は、円錐体３２、本体３２の外側面に沿って延びる複数のテーパーリブ３４、および円錐体３２の平坦な先端３６から突出するボス３８を有している。第二実施形態と同様に、弾頭ノーズ３０は、複数のリブ３４を伴うことによる非中実円筒形状を有している。円錐状の本体３２に複数のリブ３４の形状と幅が組み合わされて非中実円筒状の弾頭ノーズ３０が完成する。

図４は、本発明の第四実施形態に係る弾頭ノーズ４０の斜視図である。弾頭ノーズ４０の本体は、相対的に長い円筒状部分４２と、平坦な先端４６と、相対的に短い円錐状部分４４とを有している。弾頭ノーズ４０は、複数のリブ４８を有している。各リブ４８の一部は円筒形部分４２の外側面から延びており、別の一部は円錐状部分４４から伸びている。複数のリブ４８により形成された非中実円筒形状の外周は、円筒状部分４２の外周より大きい。すなわち、突出する複数のリブ４８により形成される非中実円筒形状の外径は、円筒状部分４２の径より大きい。弾頭がミサイルにサブキャリバー配置（弾頭がミサイルの内部に配置される）で搭載され、比較的浅い衝突角度（０°〜４５°）が得られたとき、この構成は、当該弾頭が標的面から跳ね返らないようにする。複数のリブ４８は、最初に標的に衝突して貫入し、弾頭が当該標的から跳ね返ることを防ぐ力を生ずる。

複数のリブの最適な数、形状、および寸法は、所望の標的への弾頭の貫入をシミュレートすることにより決定される。例えば、リブ前部の外側の幅（Ｇ）とリブ前部の根元側の幅（Ｉ）の関係は、同じ抗力について当該リブにより生成されるモーメントを増減させるために最適化されうる。別のシミュレーション例は、標的面に対して４５°〜９０°の衝突角度で比較的厚い標的に貫入するには、それぞれが比較的小さい外周を有するリブを複数備えた比較的長い円錐状ノーズが最適であることを示している。この場合、標的面に対する衝突角度が９０°の場合における比較的厚い標的への貫入深さ（あるいは貫通速度）は、リブ構造を伴わない同じノーズを有する弾頭により達成される深さと同じになる。しかしながら、傾斜角を伴って衝突する場合、リブ構造を伴う弾頭の貫入深さは、著しく向上しうる。

図５Ａと５Ｂは、図１に示された弾頭ノーズ１０の側面図と平面図である。所望の標的内への弾頭の貫入は、次式に基づいてシミュレートされる。次式は、図５Ａと図５Ｂにおいて変数Ａ〜Ｈが付された部分を最適化するためのもの、すなわち、標的を貫く際の偏向が非常に小さい（Ｊ現象が比較的小さい）最適な弾頭を設計するためのものである。

Ｄは、ノーズの最大径である。
Ａは、ボスの先端の径である。
Ｂは、ボスの基端の径である。
Ｃは、ボスの高さである。
Ｅは、リブの外径である。
Ｆは、ノーズに沿うリブの長さである。
Ｇは、リブの最小幅である。
Ｈは、リブの突出高さである。
Ｉは、リブがノーズに繋がる箇所における最小幅である。

（試験）
試験は、高速度カメラによって弾頭の進行（速度と姿勢）を記録しつつ、所望の標的において弾頭に点火することから成る。複数回の試験が、様々な速度と衝突角度で行なわれた。図６は、本発明に係る弾頭が、真っ直ぐに、偏向なく、比較的高い衝突角度で３枚のコンクリート壁を貫通する様子を示している。この試験では、衝突速度は毎秒３７５ｍであり、衝突角度（すなわち、標的面に対する弾頭の速度ベクトルの角度）は、壁面に対して８０°であった。

図７は、本発明に係る弾頭が、真っ直ぐに、偏向なく、毎秒３１０ｍの衝突速度と壁面に対して５０°の衝突角度で３枚のコンクリート壁を貫通する様子を示している。繰り返しになるが、弾頭は、真っ直ぐに、偏向なく、標的を貫通している。これに対し、普通の弾頭は、衝突角度が５０°以下になると回転してしまい、標的の全ての層を貫通できない。弾頭の速度ベクトルと標的面がなす角度が小さいほど、通常の弾頭は、標的の全ての層を貫通することが困難になり、反跳あるいはＪ現象を呈しやすくなる。

Claims (8)

1. 平坦あるいは窪んだ先端と、
   前記先端の周囲から延びており、外面とベースを有している円錐あるいはオジーブ状の本体と、
   前記先端周面から前記外面に沿って延びており、ベースに向かって先細りになっている複数のリブと、
   を備えており、
   前記複数のリブの周囲は、前記先端の周囲よりも大きく、前記ベースの周囲と等しいか小さく、
   次式により寸法が定められている、弾頭ノーズ。
   

   

   Ｄは、前記弾頭ノーズの最大径である。
   Ｅは、前記複数のリブの外径である。
   Ｆは、前記弾頭ノーズに沿う前記複数のリブの長さである。
   Ｇは、前記複数のリブの最小幅である。
   Ｈは、前記複数のリブの突出高さである。
   Ｉは、前記複数のリブが前記弾頭ノーズに繋がる箇所における最小幅である。
2. 円筒状部、円錐あるいはオジーブ状部、トップ周囲とベース周囲を有する外面、および一部が前記円筒状部から延び、別の一部が前記円錐あるいはオジーブ状部から延びている複数のリブを備えた本体を備えており、
   次式により寸法が定められている弾頭ノーズ。
   

   

   Ｄは、前記弾頭ノーズの最大径である。
   Ｅは、前記複数のリブの外径である。
   Ｆは、前記弾頭ノーズに沿う前記複数のリブの長さである。
   Ｇは、前記複数のリブの最小幅である。
   Ｈは、前記複数のリブの突出高さである。
   Ｉは、前記複数のリブが前記弾頭ノーズに繋がる箇所における最小幅である。
3. 前記複数のリブは、等間隔で配列されている、
   請求項１また２に記載の弾頭ノーズ。
4. 前記先端から延びているボスを備えており、その寸法が次式で定められている、
   請求項１に記載の弾頭ノーズ。
   

   

   Ｄは、前記弾頭ノーズの最大径である。
   Ａは、前記ボスの先端の径である。
   Ｂは、前記ボスの基端の径である。
   Ｃは、前記ボスの高さである。
5. 前記先端から延びているボスを備えており、その寸法が次式で定められている、
   請求項２に記載の弾頭ノーズ。
   

   

   Ｄは、前記弾頭ノーズの最大径である。
   Ａは、前記ボスの先端の径である。
   Ｂは、前記ボスの基端の径である。
   Ｃは、前記ボスの高さである。
6. 前記ボスは、円筒形状と先細り形状の少なくとも一方を呈している、
   請求項４または５に記載の弾頭ノーズ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の弾頭ノーズと、
   装薬を収容している主部と、
   貫入あるいは点火ヒューズを保持している後部と、
   を備えている、
   弾頭。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載の弾頭ノーズと、
   ペイロードを収容している主部と、
   を備えている、
   弾頭。
   

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