|1.2 背景及意义|
云爆弹是20世纪60年代由美国首先发展起来的一种新概念武器装备，它改变了常规武器弹药的概念，是常规武器发展的一次革命。云爆弹填装的不是炸药，而是不含氧或含氧少量的燃料。云爆战斗部到达目标处时首先将战斗部填装的燃料向空气中分散，形成燃料空气混合云团（也称燃料空气炸药，FAE）。当燃料空气云团混合达到理想爆轰状态时，进行二次起爆实现大范围爆轰。大范围爆轰是云爆弹的突出特点，对大型面目标具有战术性的高效毁伤效果。
在世界各军事强国的技术推动下，云爆战斗部取得了快速的发展，云爆剂由早期的纯液态燃料逐渐向液固型、全固型发展；同时云爆武器也呈系列化的发展，武器平台也由早期的机载空投，逐渐向火箭弹、弹道导弹等高落速平台发展，国外云爆战斗部的发展呈现“高威力、大装药量、适应高落速”的特点。
二次型云爆弹通过抛撒燃料云团的体爆轰对目标进行毁伤，所形成的燃料空气炸药密度为云爆剂装填密度的10-4量级，毁伤覆盖区域大。爆轰形成的冲击波压力分为云雾区内及云雾区外，云雾区内的压力表现为爆轰压力，云雾区外符合冲击波的衰减规律。因云雾爆轰超压峰值制约，因此，二次起爆云爆战斗部适用于对中软目标的毁伤。图1-1为二次起爆云爆战斗部云爆剂抛撒形成的燃料空气炸药云团，图1-2为燃料空气炸药云团起爆形成的爆炸火球。
图1-1 二次起爆云爆战斗部云爆剂抛撒形成的炸药云团
图1-2 燃料空气炸药云团起爆形成的爆轰火球
云爆战斗部作为云爆弹的毁伤单元，不同于一般的传统战斗部，它以挥发性液体碳氢化合物与可燃金属粉的液固混合物为燃料，以空气中的氧气为氧化剂形成非均相爆炸性混合物——燃料空气炸药，进而形成云雾爆轰，具有爆炸能量高、毁伤区域大的特点。通常情况下，燃料的抛撒范围越大，覆盖目标的区域越广，爆轰威力范围也越大。燃料的抛撒范围除受云爆战斗部自身结构影响，与云爆弹的运动速度、不同环境及落角条件下的抛撒云团形态有关。
根据结构和作用特点的不同，云爆战斗部分为一次起爆型云爆战斗部和二次起爆型云爆战斗部。一次起爆型云爆战斗部通过引信一次起爆，实现战斗部的抛撒及爆轰，综合毁伤威力相当于1～4倍TNT当量。二次起爆型云爆战斗部，当到达目标上空时，通过一次引信起爆抛撒装药，将云爆剂高速分散与空气混合形成燃料空气炸药云团；再通过二次引信起爆燃料空气炸药云团形成云雾爆轰，可产生爆炸冲击波，并随之产生高温火球；通过冲击波效应、热效应及窒息效应对目标造成毁伤，云团内云雾爆轰波基本无衰减，其超压峰值为2～4 MPa。由于云雾爆轰具有典型的大范围体爆轰特性，其正压持续时间及冲量远大于凝聚相炸药爆轰，由此使得云雾区外冲击波衰减较为缓慢，有效增大了中远场毁伤威力，大幅提高了云爆战斗部的整体毁伤效能，其综合毁伤威力可达到4～10倍TNT当量，对于中软类目标可产生大范围高效杀伤。典型的二次引爆型云爆战斗部主要由壳体、云爆剂、中心抛撒装药（包括中心抛撒管及炸药）、抛撒引信（一次引信）、云雾起爆引信（二次引信）及二次引信抛射装置等组成，其典型结构如图1-3、图1-4所示。
图1-3 二次起爆型云爆弹的典型结构示意图
1—一次引信；2—分散装药；3—燃料；4—抛射装置；5—二次引信；6—壳体
图1-4 云爆战斗部结构简图
1—炸高探测；2—一次引信；3—电源组件；4—电路转换机构；5—弹体；6—燃料装药；7—减速伞；8—开伞机构；9—二次引信本体；10—二次炸药；11—稳定器；12—减速伞舱；13—抛射药筒；14—电爆管；15—电缆；16—传感器；17—隔板
典型二次起爆型云爆战斗部的作用过程为：在有效炸高下，一次抛撒引信工作，中心抛撒炸药以一定速度沿轴向爆炸，燃料空气炸药在空气中快速流动分散，与空气混合形成爆轰云团；二次引信与抛撒云团动态交会，并根据装定的延时时间起爆，释放能量，引爆燃料空气炸药，产生云雾爆轰，实现高效毁伤，如图1-5所示。
现有的二次起爆型云爆战斗部均采用“一次定高+二次延时”的起爆控制方式，即一次引信在到达地面一定高度时起爆，将云爆燃料以及二次起爆引信抛撒到空气中；二次引信根据预设的延时时间起爆，释放能量并引起燃料云雾发生爆轰反应。通常二次起爆引信的延时时间是在武器设计阶段，根据理想条件下的引战配合模型计算获得，并预先固化装定在引信内部。该方法具有结构简单、技术成熟等优点，适用于低落速弹道环境。但在实际作用过程中，由于燃料云雾扩散过程受使用环境、弹道环境、战场条件等诸多因素影响，云雾扩散状态往往与理想状态不一致，延时时间到达时燃料云雾的浓度没有处于最佳浓度状态，造成引战配合不理想，不能保证在最佳浓度条件下起爆，制约了云爆战斗部的威力发挥。如何解决二次起爆型云爆战斗部的最优引战配合，实现高效毁伤一直是制约云爆战斗部发展的薄弱环节。
图1-5 二次起爆型云爆战斗部的作用过程
需要特别指出，高速精确打击作为攻防对抗体系中的重要组成部分，高速云爆弹具备大型面目标、重点目标的反拦截性强、高精度打击优点，有着迫切的应用需求。如何解决大型云爆弹在高落速及附带落角条件下的二次精确起爆是云爆战斗部研制的一项重要任务。
云雾爆轰物理学研究表明，抛撒形成的燃料云雾存在爆轰极限浓度和最佳起爆边界浓度，合适的云雾浓度是云爆燃料爆轰的前提条件，在爆轰浓度边界范围内，实现充分爆轰，形成最大爆轰速度，同时产生最大爆压和温度。本书主要从影响云雾爆轰的形态因素中提取云雾的浓度特征，进行动态云雾浓度模型建立、测试理论与技术研究，力争通过新型传感器技术、信息技术的起爆控制增强云爆战斗部的毁伤效能。
对于二次起爆型云爆战斗部，引信高速运动时的高动态性、瞬态性，与抛撒云团的动态交会，进而快速实时获取云团浓度信息，实现引信在云团最优爆轰浓度条件下起爆控制，该技术在国内外文献中未见报道。云爆战斗部二次起爆应具备在复杂条件下云爆燃料动态浓度快速准确检测的能力。
（1）云爆燃料成分复杂，由云爆燃料、助燃剂、分散剂及填充剂等构成，根据形态可以分为液态燃料、固态燃料和液固混合燃料。各种燃料成分的理化特性差异较大，因此要求检测方法能够对不同类型和混合比例的云爆剂进行检测。
（2）云爆燃料浓度也具有较大的动态特性，燃料抛撒过程中，燃料浓度变化范围可跨越3～4个数量级，因此要求浓度检测方法具备10～103 g/m3范围内的云雾浓度进行检测。
（3）云爆燃料扩散是一个快速变化的过程，二次引信与燃料云雾的交会时间极短（10 ms量级），云雾区域内燃料浓度变化过程十分剧烈，这就要求检测方法必须具有足够的响应速度和分辨率。
（4）在抛撒过程中，燃料颗粒受到爆炸驱动力和空气阻力作用，整体显示为扩散运动，但是由于燃料颗粒之间存在大量的碰撞作用，在微观层面燃料运动方向显示出一定的随机性，要求测量方法对燃料运动方向不敏感，能够实现全向检测。
综上所述，通过对云爆燃料理化特性及其抛撒规律进行研究，设计能够对复杂燃料混合物浓度进行快速准确检测的原理和方法，开发具备燃料浓度识别功能的智能引信系统，对于保证云爆弹最大毁伤威力的充分发挥具有重要的现实意义。