空氣擊錘裝置模擬硬目標(biāo)侵徹實驗方法

滿曉飛，門士瀅，馬少杰，張　合

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210094)

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空氣擊錘裝置模擬硬目標(biāo)侵徹實驗方法

滿曉飛，門士瀅，馬少杰，張合

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210094)

摘要:針對現(xiàn)有空氣擊錘實驗裝置所產(chǎn)生的沖擊加速度脈寬過短的問題，提出了利用改進后的立式空氣擊錘模擬侵徹過程的實驗方法。該方法采用了強度更高的材料作為試驗彈體，在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，適當(dāng)降低了接觸硬度，提高了抗沖擊綜合性能。在不同氣壓條件下進行了沖擊試驗，將測得的沖擊信號特征與實際侵徹過程的加速度特征進行了對比，結(jié)果表明兩者具有較高的一致性，改進后的立式空氣擊錘可作為實驗室檢測硬目標(biāo)侵徹引信的測試手段，用于模擬侵徹過程。

關(guān)鍵詞:立式空氣擊錘;硬目標(biāo)侵徹引信;模擬測試;信號特征

0引言

隨著防御技術(shù)的發(fā)展，重要的戰(zhàn)略目標(biāo)多隱藏于地下以及堅固的混凝土或鋼甲之后，戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜。于是硬目標(biāo)侵徹彈藥的研究工作成為了各國軍事研究的重點[1]。硬目標(biāo)侵徹引信是硬目標(biāo)侵徹彈藥的控制中心，其作用可靠性與準確性直接決定了侵徹戰(zhàn)斗部能否實現(xiàn)預(yù)期戰(zhàn)斗目的，以及戰(zhàn)斗效能的高低[2]。因此，硬目標(biāo)侵徹引信的研制是硬目標(biāo)侵徹彈藥研制的重點內(nèi)容。

硬目標(biāo)侵徹引信研制過程中需要對侵徹引信進行測試，常規(guī)的實驗室手段難以模擬出侵徹硬目標(biāo)過程的高過載沖擊環(huán)境，通常的測試方法是靶場試驗，但靶場試驗往往試驗周期長、試驗成本高，并且彈藥的回收存在一定不確定性[3]。

空氣擊錘是一種實驗室內(nèi)對侵徹引信進行沖擊檢測的常用設(shè)備，具有較高的沖擊加速度幅值，操作也較為簡便，可對侵徹引信進行結(jié)構(gòu)強度檢測。但空氣擊錘所產(chǎn)生的沖擊加速度脈寬較窄[4]，在200 μs左右，與實際侵徹過程的沖擊過載相差較大。本文針對此問題，提出了利用改進后的立式空氣擊錘模擬侵徹過程的實驗方法。

1侵徹過載特征提取

硬目標(biāo)侵徹彈藥侵徹目標(biāo)過程中，引信承受到強烈的沖擊作用，具有作用突然、幅值高、變化劇烈、持續(xù)時間短、電磁環(huán)境復(fù)雜等特點[5]，且沖擊加速度受目標(biāo)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)變化影響較大[6]。典型的動能彈侵徹混凝土靶板過程的加速度曲線如圖1所示。

圖1　侵徹歷程曲線Fig.1　Penetration acceleration curve

觀察圖1，侵徹過程曲線具有較明顯的下降沿，加速度數(shù)值急劇攀升至最大，經(jīng)歷小幅振蕩并持續(xù)一小段時間后回落至靜態(tài)。從曲線宏觀上可以提取出兩個描述曲線特征的關(guān)鍵參數(shù)：峰值和脈寬。

判斷入靶的條件為加速度幅值大于閾值并持續(xù)5個采樣周期即判斷彈體入靶。因此，下降沿的寬度也是描述曲線特征的關(guān)鍵參數(shù)。

可總結(jié)出侵徹過程曲線的特征參數(shù)主要有：下降沿(上升沿)寬度、幅值、持續(xù)時間。

2空氣擊錘實驗方案

2.1空氣擊錘裝置

空氣擊錘裝置主要由架體、工作氣缸、身管、釋放機構(gòu)和砧臺等部分組成，如圖2所示[7]。

空氣擊錘實驗裝置的工作過程為：將裝有被試引信的試驗彈體(見圖3)從身管下部推至身管頂端并被控制機構(gòu)的閥卡彈軸卡住，壓縮氣體從工作氣缸的頂部的氣源接頭進入氣缸，當(dāng)工作氣缸中的氣壓達到預(yù)定值時，控制機構(gòu)工作，電磁鐵通電，觸發(fā)釋放機構(gòu)解脫閥卡彈軸，釋放試驗彈體，試驗彈體在工作氣缸內(nèi)壓縮氣體壓力作用下沿身管豎直向下作加速運動，撞擊放置在砧臺上的測試墊板。待測引信中的沖擊加速度傳感器能夠檢測到試驗彈體撞擊測試墊板的沖擊加速度信號。

圖2　立式空氣擊錘實驗裝置Fig.2　Vertical air hammer

圖3　試驗彈體Fig.3　Experiment projectile

2.2沖擊特征影響因素

空氣擊錘所產(chǎn)生的沖擊加速度大小及波形特征與彈體速度，測試墊板材質(zhì)及厚度有關(guān)。

進行一系列的沖擊試驗[7]后，總結(jié)了不同的工作氣壓、墊片材料、墊片厚度、墊片組合以及不同孔狀結(jié)構(gòu)對沖擊曲線的影響規(guī)律?？偟膩碚f，在一定的工作條件下，沖擊加速度峰值與沖擊脈寬、墊片厚度、墊片材料硬度、墊片碰撞區(qū)接觸面積、工作氣壓的關(guān)系如表1所示?！?”表示成正比，“-”表示成反比。

表1　工作條件對沖擊波形特征的影響

采用的彈體材料為T10A淬火鋼，具有較高的接觸硬度，工作氣壓為0.48 MPa時，不同材料墊片得到的沖擊峰值為5.01～5.79萬g，脈寬為205～243 μs，總體來講，沖擊波形脈寬基本在200 μs左右，相對較窄。

2.3改進實驗

針對空氣擊錘沖擊加速度脈寬過短的情況[8-10]，對試驗彈體進行了修改，換用了強度更高的材料，在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，適當(dāng)降低了接觸硬度，提高了抗沖擊綜合性能。利用LS-DYNA仿真軟件對改進后的結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)仿真模擬，由于接觸硬度有所下降，彈體頭部在沖擊過程中變形量增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉伸應(yīng)力集中，但仍處于許用應(yīng)力范圍內(nèi)，見圖4。

圖4　彈體應(yīng)力分布Fig.4　Stress distribution of projectile body

在不同的氣壓下，進行了一系列的沖擊試驗，實驗曲線如圖5。

提取圖5中沖擊曲線波形的關(guān)鍵參數(shù)，如表2所示。

(a)工作氣壓0.49 MPa

(b)工作氣壓0.4 MPa

(c)工作氣壓0.3 MPa

(d)工作氣壓0.2 MPa

分析表2數(shù)據(jù)可以得出，在各個工作氣壓值下，得到的脈寬寬度情況相對之前均有較大改善，即使在較低的0.2 MPa氣壓下，脈寬仍有530 μs。隨著工作氣壓的增大，脈寬與加速度峰值均有增大的趨勢。

表2　實驗曲線參數(shù)

3沖擊曲線與侵徹曲線對比

實際侵徹過程時間長度與彈速和靶板厚度有關(guān)，靶場試驗回收數(shù)據(jù)如圖6所示，實驗條件為750 m/s動能彈侵徹三層C30混凝土靶板。

提取三層過靶信號的特征參數(shù)，如表3所示。

對比表2與表3，可發(fā)現(xiàn)，改進后的空氣擊錘裝置所產(chǎn)生的加速度曲線特征，與實際的侵徹過程曲線有較大的相似程度。峰值、下降沿寬度等參數(shù)甚至大于實測侵徹曲線。對于脈寬參數(shù)，實測侵徹曲線的脈寬參數(shù)與靶板厚度及彈速有關(guān)。

圖6　侵徹三層混凝土靶板加速度曲線Fig.6　Acceleration curve of penetration into a three-layer concrete target target

峰值/萬g下降沿/μs脈寬/μs第一層2.61140340第二層2.64140560第三層2.49140340

4結(jié)論

本文提出了空氣擊錘裝置模擬硬目標(biāo)侵徹過程的實驗方法。該方法采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體，在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，適當(dāng)降低了彈體接觸硬度，提高了抗沖擊綜合性能。改進后的空氣擊錘實驗裝置實驗數(shù)據(jù)表明，沖擊脈寬得到了大幅度的拉寬，達到了原來的三倍以上。通過與靶場回收數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)改進后的空氣擊錘完全可以產(chǎn)生與侵徹過程加速度信號特征近似的沖擊加速度，且由于空氣擊錘裝置實驗參數(shù)可調(diào)，實驗簡便，實驗周期短，可根據(jù)要求制定不同的實驗方案，達到模擬侵徹歷程沖擊過載的目的。

動能彈侵徹1 m厚及以上目標(biāo)時，加速度波形脈寬將達到毫秒級，這種情況下，利用空氣擊錘裝置完全再現(xiàn)侵徹沖擊過載尚且無法實現(xiàn)，有待進一步的改進研究。

由于侵徹狀態(tài)識別過程中，下降沿寬度如果足夠即可判斷為入靶，脈寬參數(shù)對應(yīng)彈體在靶板中擠進過程的時間，除了計行程起爆控制方式外，其他控制策略如靶內(nèi)炸、靶后延時炸等均對脈寬參數(shù)不敏感。因此，空氣擊錘裝置也可用來驗證厚靶侵徹過程的起爆控制策略。

同時，由于空氣擊錘裝置口徑較大，可以將整發(fā)完整的引信裝入實驗彈內(nèi)，需要供電或者解?？刂菩盘柕那闆r下還可以通過拉線的方式在線供電或提供相應(yīng)信號，結(jié)合較為逼真的沖擊過載，使得對侵徹引信的測試過程極為完整、可靠。

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*收稿日期:2015-11-23

基金項目:武器裝備“十二五”預(yù)先研究項目(51305060203)

作者簡介:滿曉飛(1986—)，男，河北石家莊人，博士研究生，研究方向：硬目標(biāo)侵徹引信沖擊測試技術(shù)。E-mail: manxiaofei@163.com。

中圖分類號:TJ430.6

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)03-0090-04

Using Air Hammer Device Simulate Hard Target Penetration Process

MAN Xiaofei，MEN Shiying，MA Shaojie，ZHANG He

(Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094, China)

Abstract:Aiming at the the short pulse duration problem of the air hammer experimental device, the experimental method to simulate the penetration process with the improved vertical air hammer was put forward. In this method, a material of higher strength was used as the test body. To ensure the structural safety of the premise, the appropriate reduction of contact hardness was made to improve the impact resistance. Under different pressure conditions, the impact signal characteristics and the acceleration characteristics of the actual penetration process were compared.The results showed that the improved vertical air hammer could be used as a test method for the laboratory test of hard target penetration fuze.

Key words:vertical air hammer, hard target penetration fuze, simulation test, signal characteristics