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高于起点的回归——水雷引信

发布时间:2019-06-16 04:07 来源:未知 编辑:admin

  水雷引信,是指水雷的引爆装置。它决定了水雷的起爆方式,是水雷杀伤能力的重要指标,也是水雷性能的核心要素,体现了水雷对目标的识别和判断能力。对于水雷这类自主武器系统而言,引信技术显得尤为重要。如果引信技术落后,那么很可能使水雷偏离原有的作战设定,造成“该爆不爆,不该爆瞎爆”的错误。同时,引信技术还是水雷抗扫能力的重要标志。在很大程度上,水雷引信技术的发展反映了水雷技术的发展。

  水雷源于中国,从“水底雷”、“水底龙王炮”,到“水底鸣雷”,再到“混江龙”,近百年的时间跨度中,变化的不仅是名称,还有技术。其中,又以引信技术的进步最为明显。显然,勤劳聪慧的古代中国人民很早就已经意识到水雷引信的重要性。

  最初的“水底雷”由地雷演化而来,因此在起爆方式的设计上还是沿用老式地雷的技术,即采用人工拉拽的方式激活水雷机械击发装置,引爆水雷。在《武编》一书中,描述“水底雷”引信的内容是:“上用绳绊”,也就是说用一根绳索连接击发装置,由岸上或船上的操作人员控制。在实战中,将水雷布设在敌船必经的水域附近,当敌舰驶近时,岸上水军拉动击发装置连接绳,引起水雷爆炸。从这个角度来看,“水底地雷”名副其实。

  通过人工拉拽起爆,优点是结构简单,有现成的地雷引信技术可以使用,起爆时机把握准确。但水雷毕竟不同于地雷。一方面,人工操纵水雷受到较大的视距限制;另一方面,水上作战没有良好的隐蔽条件,引信操作人员遭敌舰攻击的风险较大。如果能够使水雷自动引爆,那么上述问题就迎刃而解了。于是,“水底龙王炮”横空出世。

  “水底龙王炮”用燃香作引信,燃香根部与水雷火药处相连,当香燃烧殆尽时便引爆水雷。《武备志》中对“水底龙王炮”引爆方式的描述是:“香到火发”。这种定时引爆的引信技术解决了人工操纵距离受限和风险较大的问题,是最原始的自动引信技术。但它也存在引爆节点不可控的弊端,实战中必须在敌舰停靠的上流计算好距离,并且还要观察水文气象条件以确保水雷漂流在预期之内。因此,“水底龙王炮”的实际作战效果并不尽如人意。如何准确引爆水雷成为了当时明朝水师将领苦苦思考的问题。

  “水底鸣雷”的出现一举解决了上述作战难题,将水雷引信带入了全新的触发时代。其基本原理是将水雷与岸上或船上的固定装置相连,形成类似拦阻索的触发装置,水雷内部有悬空的火石与火镰,当敌舰碰到拦阻索时,火石火镰发生碰撞并摩擦生火,引爆水雷。在《天工开物火器》中有关于“水底鸣雷”改进型“混江龙”触发原理的描述:“漆固皮囊裹炮沉于水底,岸上带索引机。囊中悬吊火石、火镰,索机一动,其中自发。敌舟行过,遇之则败。”

  无论是燃香定时点火,还是火石火镰摩擦生火,古代中国军民一直在火花四溅的道路上探寻水中的制胜之道。然而,“水火不容”的客观真理给基于物理原理设计的水雷引信技术宣判了死刑。“一条道走到黑”的努力坚持并不适用于武器装备发展,显然,只有基于新原理的引信技术才能带领水雷走向更加美好的明天。

  “小桶战争”让水雷走进了西方的视野,随着水雷技术的迅速扩散和实战中的不断运用,西方人也陷入了近3个世纪前困扰中国军民的引信难题之中。如何在潮湿的环境中实现可靠的引爆,同时还能有效隐藏自身,成为了西方军事家和科学家改进水雷的基本目标。

  19世纪中期,俄国科学家BC亚图比发明了以电解液为原料的触发水雷,并在第九次俄土战争中取得了极佳的战果。从原理上分析,电解液触发引信以触角的形状设置于水雷外部,每个触角由锌杯、碳棒和装有电解液的密封管组成。触角按电池的内部构造制作,实际上每一个触角就像一节干电池,锌杯等于是电池外层的锌皮,碳棒类似电池顶部带铜头的碳芯,玻璃管中的电解液就是电池中的粘稠液体。只要舰船碰到任何一个触角,就会使电解液从破裂的密封管中流到锌杯和碳棒之间,发生化学反应,形成一个化学电池。其产生的电流传递到电雷管,导致电雷管起爆,从而引起水雷爆炸。

  电解液触发引信技术是水雷发展史上的一次革命。一方面,它以电雷管通电来引爆炸药,成功解决了点火引信在水中可靠性不足的问题,奠定了未来水雷引爆方式的技术原理;另一方面,与线触发不同,水雷不再需要与岸船相连,成为了独立的作战平台,活动空间更大、隐蔽性更强。俄国人另辟蹊径,用化学原理谱写了触发的奥秘。初临人间的现代水雷技术几乎在一夜之间将这类浑身带“刺”的黑色铁球推入了海战武器的主流“朋友圈”,广袤无垠的大洋上处处流传着“水下杀手”的喋血传奇。

  迅速扩散的电解液触发引信技术在日俄战争和一战中大放异彩,触发水雷神秘诡异的攻击方式让水雷技术落后的参战国吃尽苦头。而在这之中,应该没有任何一个国家比德国对水雷重要性的认识更加深刻,毕竟战争初期违反海牙会议决定尝到的甜头和“北海大障碍”留下的心灵创伤很难在短时间内平复。于是,当“邪恶轴心”驱动的战争车轮开始缓缓滚动时,拥有雄厚工业基础的纳粹德国早已为即将到来的水下复仇做好了充分准备。

  1939年9月,在闪击波兰的同时德国早已预料到英国的反应。纳粹海军在泰晤士河口到哈姆贝尔附近的海水中布置了大量水雷用以阻挡当时还顶着“日不落帝国”名号的英国皇家海军的进攻。德国似乎并没有刻意隐藏自己的布雷行动,英国皇家海军在发现航道上已被布设水雷后果断采取了扫雷措施,当然,使用的是清扫触发水雷的工具,出人意料的是,扫雷艇在疑似海域没有任何斩获。大不列颠的军舰迫不及待地驶出了港口,结果在不断响起的爆炸声中,皇家海军失去了17艘舰艇。一头雾水的英国人怎么也想不通自己发明的扫雷具之前百试不爽,为什么这次毫无作用。 ◎触发水雷的剖视图,可以看到雷体外部的触角与引爆电路相连,一旦舰艇触碰,触角内会形成一个化学电池将引爆电路通电,从而引爆水雷 ◎我国自行研发的“锚-1”型触发锚雷,可以看到雷体上类似触角的装置是触发引信

  答案在2个月后德国人的一次疏忽中揭晓。11月,德国在用飞机布撒水雷时误将一枚水雷投到了休伯里附近的浅滩上,英国哨兵发现后立即通知了国内的水雷专家,经过解剖分析,发现德国如今使用的不再是80年前的触发水雷,而是一种以磁场感应为引信的新式水雷。众所周知,舰船在船厂建造时要经过一个很长的时间,在此期间,构成船体的钢板会因频繁的敲击而被地球磁场逐渐磁化,从而带上磁性。舰船下水后,就会成为一个浮动的大磁体。磁引信技术就是以舰船本身的磁场为触发源,一旦在有效距离内感应到了舰船的磁场信号,就会自动引爆。

  从结构上看,磁性水雷为长圆柱形,引信部分主要集中在尾部,由磁针、电雷管和电池等部件组成。磁引信技术基于电解液引信技术,依然是由通电的电雷管引爆炸药,只是将触发水雷的暴露在外的触角以电池的形式收入雷体,然后在电池与电雷管之间增加了一个由磁针和中间机构组成的电路开关控制装置。当舰船通过磁针感应区域时,磁针发生摆动,当磁场足够强时,也就是舰船行驶到水雷杀伤范围内时,磁针摆动幅度加大最终联通中间机构开始工作。当中间机构工作达到一定时间后(一般为几秒钟)便能够使开关闭合,电雷管随即通电引爆水雷。

  磁性水雷的出现无疑是水雷技术发展史上的又一次革命,其内部构造,特别是“电池-中间机构-开关-电雷管”的引爆电路结构成为了今后水雷设计的范本。随着二战逐渐进入白热化,战争的强烈需求使新型非触发水雷不断涌现。

  第二重感应门:拓展探测范围的声引信技术在意外获得德国的磁性水雷后,英国只用了半年的时间就研制出了针对性的扫雷工具。本以为高枕无忧的英国人显然低估了德国人复仇的决心。1940年8月,德国海军再次在英国沿海区域布设水雷,这次德国人还是没打算隐藏自己,英国人的扫雷行动依然无功而返。“吃一堑,长一智”的绅士们敏锐地意识到德国再次升级了水雷引信技术,于是开始四处搜寻德国的新式水雷。答案仍然是在2个月后揭晓。经过解剖,英国的水雷专家发现德国海军布设的新式水雷采用的是声场引信技术,即利用舰船机械、螺旋桨等部件发出的噪音作为引爆水雷的引信感应信号。 ◎左图是德国磁性水雷内视图,注意磁针,由于磁针容易导致引信误动作,后来将其改为磁感应线圈。右图为二战时期德国发明的磁性水雷

  音响水雷的基本构造与磁性水雷大体相同,只是控制引爆电路开关的装置由磁针变成了音波接收器。通过该装置将舰船发出的声波变成电信号,电信号经过放大、整流后,输送到线框,使指针摆动,中间机构开始工作,随后接通开关使电雷管通电,引起水雷爆炸。由于声信号的传播距离要远大于磁信号,因此声引信技术使非触发水雷的探测范围得到大幅拓展。

  第三重感应门:“无解”的水压引信技术面对再次恶化的水下安全形势,英国又设计出了针对音响水雷的扫雷具。战场上高歌猛进的德国决不允许在任何一方面落后于盟军,尤其是几乎已经被自己踏平的欧洲其它国家的军队。1944年1月,德国海军少校弗蒂设计出一种名为“蚝雷”的新式水雷。6月,德国海军在多佛尔海峡布设了216枚这样的水雷,4天内就炸沉了盟军29艘舰船,炸伤多艘。

  “蚝雷”以水压变化为引信感应信号,内部构造与磁性、音响水雷相似,只是控制引爆电路开关的装置变成了压力接收器。该装置设于水雷顶部,上半部分装有可膨胀、收缩的橡皮膜,固定在壳体上,内部装满液体。壳体内的液体被一层薄膜隔成上下两个腔室,结合壳体内的小孔形成了一个类似沙漏的结构。水压开关设于薄膜上方,用于联通中间机构。水雷布设后,薄膜上层液体受水压加大的影响通过小孔流向下层,最终形成一个上下层均有液体的平衡状态,此时水压开关处于断开状态。当舰船从水雷上方通过时,水压降低,橡皮膜膨胀,壳体内下层腔室的水压高于上层腔室,液体开始从下层向上层反流。但由于通过小孔的流量不足以迅速化解这种压力差,因此薄膜会被向上顶起,使水压开关闭合,从而使中间机构开始工作。当持续工作一段时间后(一般为几秒钟),便能接通电路开关,引爆水雷。

  “蚝雷”的突出特点是抗扫能力极强。由于舰船在水中航行时的水流环境十分复杂,根据流体力学中水流速度与压力成反比的原理,舰船周围的水压场的变化难以准确掌握,因此,即使在技术高度发达的今天,对于70多年前的“蚝雷”依然无计可施。

  虽说德国革新水雷引信技术是为了发动战争,但技术并没有对错,从这个角度上看,德国人实际上为水雷开启了一扇新的大门。由于不再需要与舰船直接接触,水雷的待机位置终于可以“毫无牵挂”的下沉,以往暴露在水面的漂雷渐渐成为了一个警示符号,而不露马脚的非触发水雷让平静的水面更加危机四伏。

  非触发引信技术让水雷能够在更深的水下位置待机。那么,也许会有人产生疑问:水雷与舰船的距离越来越远之后,如何保证打击效果?这正是非触发水雷相对于触发水雷的另外一项革命性进步:更高的打击效能。由于不再与舰船直接接触,因此,非触发水雷并不依靠自身爆炸所产生的化学能来对舰船造成杀伤,而是通过爆炸引起的强烈水压变化“借力打力”。

  从过程上看,水雷爆炸瞬间会产生高温高压气体,上万个大气压的压力以压力波的形式,在水中按声速集中向上传递,通过挤压使舰体破损。由于水的可压缩性很小,爆炸产生的气体在水中形成气泡,气泡在不停的膨胀与收缩中推动水流对舰体破损处反复冲压,从而持续撑大破损处,达到击伤甚至击沉舰艇的目的。

  实战中,以磁性水雷为例,击沉一艘排水量在5 000吨左右的驱逐舰或运输船,只需要一枚装量为300千克的磁性水雷;而击沉一艘排水量在8 000吨左右的巡洋舰只需要2~3枚上述水雷。当然,由于爆炸产生的压力波在水中传播的衰减极快,所以非触发水雷待机的位置也不可能离水面很远,这也是沉底雷一般在浅滩和近海处布放的原因。

  德国人在纳粹的疯狂叫嚣中打开了水雷的“潘多拉魔盒”,非触发水雷在战争实践中的优异表现使世界各国没有理由不继续对其进行完善和升级。其中,引信技术仍是发展的重点与核心,表现为“磁声压”引信技术的精确化、组合化,以及开发新的物理场引信技术。

  “磁声压三剑客”的优化升级“磁声压”引信技术产生的初衷仅仅是德国人基于“矛盾对抗”的需要,新技术一旦确认后,其发展过程总是遵循“从无到有,从有到优”的客观规律。 ◎水压水雷引信的工作基本原理示意图

  在磁引信技术方面,磁性水雷在战争中的大规模应用暴露出了许多不足,突出表现为容易受到地磁场的影响而发生自爆现象。于是,在法拉第定律的启示下,水雷专家研制出了磁感应水雷,即用绕有几万圈导线的铁棒来代替磁性水雷上的磁针。当舰船通过磁感应水雷上方时,移动的舰船磁场扫过水雷铁棒上的感应线圈,感应线圈中就产生感应电流接通起爆电路,使水雷爆炸。如今,磁引信技术已经发展到三轴接收、磁场梯度辨识,能够对50~200米以内的目标磁信号进行处理。

  在声引信技术方面,从最初的被动接收发展为主动探测,音频范围也得到了大幅拓展,能够覆盖低频(低于20Hz)、中频(20Hz~20kHz)和高频(高于20kHz),实现了对舰艇声谱的全频感应。20世纪70年代之后,又产生了幅值差、方位仪、线谱声、矢量换能器等新型声引信,对各种目标的声信号处理能力大幅提升。

  在水压引信技术方面,深度传感器的出现使水压引信技术从最初简单的利用水压变化发展为对水压变化的精确计算,根据结果判断水雷上方驶过的舰艇吨位,有选择的进行打击。

  强强联手的复合引信“磁声压”引信技术特点各异,采用单一引信技术,特别是磁声引信技术的水雷显得不那么抗扫。在这种背景下,出现了将上述三类引信组合使用的复合引信技术。实践中,主要包括声磁复合引信、声压复合引信、磁压复合引信和磁声压复合引信,根据“磁声压”引信技术的各自优缺点进行取舍,达到取长补短、整体优化的目的。

  以技术最为成熟,使用最多的声磁复合引信为例。由于声引信比磁引信接收信号距离远,所以把声引信作为搜索目标的值班引信。而磁引信的辨识度更高,所以将其作为引爆水雷的战斗引信。平时音响机构电路畅通,随时可以接受音响信号。当舰船开来时,声波接受器先接通电流开始工作,当舰船接近水雷上方时,磁感应器使爆炸开关接通,电雷管起爆,引起水雷爆炸。

  复合引信技术的出现使水雷的抗干扰、目标识别、爆炸时机控制和抗扫性能得到进一步提升,水雷变得更加隐蔽、可怕。

  拓展新的物理场引信随着舰船制造技术的不断发展和海洋环境噪声的逐年增加,基于“磁声压”的传统引信技术在目标特征提取上面临着越来越大的困难。因此,世界各国正积极研发电场、重力场、地震波、低频电磁辐射、光场、热场和宇宙射线场等多物理场传感器,以发展新的水雷引信技术。目前来看,重力场引信技术发展最为迅速。其基本原理是通过重力感应器计算通过水雷上方的舰船引起的重力场变化,只有超过设定吨位以上的舰船通过时才会引爆。重力引信技术将极大强化水雷的抗扫能力,因为只有用重力与引信设定值相似的物体才能有效发现并清扫。

  如果上述物理场引信技术能够实现并应用到实战中,那么,水雷将真正成为水下的一粒“铜豌豆”。 ◎海湾战争中被水雷炸损的“普林斯顿”号导弹巡洋舰,从创口可以看出非触发水雷对舰船的伤害主要是通过水压传递的

  物理场感应技术的出现和发展使水雷对目标的探测、识别和打击能力得到了大幅提升,但对于独立的武器系统而言,这些显然是远远不够的。要使水雷成为真正的“水下忍者”,智力是必备要素,而这一要素只有两个途径来实现:人为操控和人脑模拟。

  从有线到无线,人为操控的“水底地雷”回归古代中国军民完成了地雷从陆地向水中的转移,从那时起,水雷与地雷之间的“血缘关系”就已命中注定,两者的发展路线,特别是引信技术的发展方式如出一辙。这种磨灭不掉的“血缘关系”在遥控地雷出现后再次被放大,遥控水雷上演了“水底地雷”的王者归来,不过,这次不再需要长长的引线。

  遥控水雷由控制台和水雷组成,一个控制台可操纵多枚水雷。遥控方式分为无线电遥控和水声遥控,前者最大遥控距离500千米,后者则为40千米。控制台可置于岸上、飞机、潜艇或水面舰艇上。平时水雷放置于一个悬浮在水中的水鼓上,水鼓用锚链固定在水底,上面有雷体自动解脱装置、接收天线和电缆等。凭借水鼓里安装的蓄电池,水雷在水下待机。作战时,水雷由控制台预先设定好的无线电信号或水声信号“唤醒”,随后水雷上浮至距水面一定距离后将雷体上的天线伸出水面用于接收控制台的实时信号。操作控制台的作战人员根据水雷回传的目标信息进行判断是否发起攻击。瑞士在上世纪80年代研制的“风暴”遥控水雷长5米,最大直径550毫米,装药量170千克,总重650千克。水雷自身带有动力系统,能够以最高20节的速度航行,最大航程100千米,主要用于攻击水面舰艇。

  从“自主”到自主,人脑模拟的“水底龙王炮”回归自主能力是所有武器装备发展的终极目标,特别是水雷这种待机攻击的武器,自主能力的高低是衡量作战性能的重要标准。智能引信技术是指对水雷引信设置模拟人脑的预编程序,通过各类传感器收集的信号自主识别、判断和选择攻击对象,例如敌我识别能力、自动选择价值更大的目标等。当年“水底龙王炮”通过燃香引信脱离了人为操控,实现了低级的“自主”。未来,智能引信技术将使“水底龙王炮”以一个全新的高姿态回归。展望水雷的发展前景,当水雷完全实现了智能化,水中的钢铁战阵将增设一群不知疲倦的“忠诚哨兵”。

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