“上帝之杖”天基動(dòng)能武器毀傷效應(yīng)評(píng)估

李　爭(zhēng)， 劉元雪， 胡　明, 張　裕， 吳潤(rùn)澤

(后勤工程學(xué)院 土木工程系重慶市巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　401311)

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“上帝之杖”天基動(dòng)能武器毀傷效應(yīng)評(píng)估

李爭(zhēng)， 劉元雪， 胡明, 張?jiān)＃?吳潤(rùn)澤

(后勤工程學(xué)院 土木工程系重慶市巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401311)

作為未來(lái)化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下打擊地下深層戰(zhàn)略目標(biāo)的一種重要武器裝備，“上帝之杖”天基動(dòng)能武器對(duì)維護(hù)國(guó)家利益和領(lǐng)土完整意義重大。綜合考慮了外界溫度、壓強(qiáng)、海拔高度、大氣密度、飛行速度等因素對(duì)彈體在大氣層中所受空氣阻力的影響，分析計(jì)算出“上帝之杖”動(dòng)能彈的入地速度達(dá)3 401.7 m/s；目前，受到實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的限制，只有Gold取得了幾組動(dòng)能彈高速侵徹混凝土靶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且最高侵徹速度不足2 km/s，對(duì)諸如“上帝之杖”這么高侵徹速度的動(dòng)能彈侵徹混凝土靶的實(shí)驗(yàn)研究還是空白;因此，進(jìn)行了“上帝之杖”動(dòng)能彈侵徹C60半無(wú)限混凝土靶的數(shù)值模擬和理論研究。研究結(jié)果表明：數(shù)值模擬所得的最終侵徹深度(18.9 m)與理論計(jì)算結(jié)果(17.3 m)的誤差在允許的范圍內(nèi)，混凝土靶的最終開(kāi)坑直徑達(dá)7.333倍彈徑；不同于剛性彈侵徹過(guò)程中侵徹速度持續(xù)衰減的特點(diǎn)，“上帝之杖”超高速動(dòng)能彈侵徹的瞬態(tài)高壓階段彈頭侵徹速度銳減，動(dòng)能損失率極高，相應(yīng)侵徹深度小；穩(wěn)定侵徹階段彈頭侵徹速度和彈長(zhǎng)消蝕速度保持穩(wěn)定，彈體動(dòng)能損失率基本不變，侵徹深度卻線性增加；當(dāng)動(dòng)能彈著靶速度足夠大時(shí)，最終侵徹深度主要受彈靶材料密度控制，受彈靶強(qiáng)度影響不大，高密度分層防護(hù)結(jié)構(gòu)在抗超高速動(dòng)能彈侵徹領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著。

“上帝之杖”；超高速侵徹；混凝土

現(xiàn)代化軍事變革背景下，太空空間作為一種新型戰(zhàn)略資源，成為維護(hù)國(guó)家安全和利益的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，受到世界各國(guó)的高度關(guān)注[1]。早在2005年，美國(guó)防部頒布的《國(guó)防戰(zhàn)略報(bào)告》中就明確將太空空間和海、陸、空、網(wǎng)絡(luò)空間并列為需要維持絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的5大空間，反映出美國(guó)奪取“制天權(quán)”的野心與毅力[2]。天基武器系統(tǒng)就是在這樣的國(guó)際形勢(shì)和戰(zhàn)略背景下應(yīng)運(yùn)而生并迅猛發(fā)展起來(lái)的，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，必將成為未來(lái)化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的重要戰(zhàn)略力量。

1　“上帝之杖”天基動(dòng)能武器系統(tǒng)概述[3]

“上帝之杖”天基動(dòng)能武器系統(tǒng)是美軍2012年開(kāi)始研制的一種新概念武器系統(tǒng)，計(jì)劃于2025年之前完成部署。該系統(tǒng)搭建在距離地面1 000 km以下的兩顆低軌道衛(wèi)星平臺(tái)上，一顆負(fù)責(zé)通信和鎖定目標(biāo)，另一顆負(fù)責(zé)搭載大量直徑0.3 m，長(zhǎng)6.1 m，重幾噸的“上帝之杖”動(dòng)能彈。該系統(tǒng)主要依靠彈體高空墜落形成的巨大動(dòng)能造成毀傷效應(yīng)，故彈體由鎢、鈦或鈾等金屬鑄成，彈頭略尖，以減小彈體在大氣層中飛行的空氣阻力，降低動(dòng)能損耗，提高侵徹能力。

相對(duì)于核武器和常規(guī)鉆地彈而言，“上帝之杖”通過(guò)衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)射，不需要轟炸機(jī)運(yùn)載，打擊范圍廣，反應(yīng)時(shí)間短，在相同射程的情況下打擊時(shí)間不及洲際彈道導(dǎo)彈的1/3，侵徹速度高，突防能力強(qiáng)，且在全世界反核浪潮持續(xù)高漲的情勢(shì)下不產(chǎn)生附加核輻射，優(yōu)勢(shì)突出。圖1為“上帝之杖”天基動(dòng)能武器構(gòu)想圖。

圖1　“上帝之杖”天基動(dòng)能武器系統(tǒng)構(gòu)想圖Fig.1　“God stick” space-based kinetic energy weapon systems concept map

2　“上帝之杖”毀傷效應(yīng)評(píng)估

2.1入地速度

“上帝之杖”空中飛行過(guò)程經(jīng)歷了制動(dòng)段(時(shí)間極短)、自由段和再入段，先后穿越了真空層、稀薄大氣層和稠密大氣層[4-5]。因其主要依靠高空墜落的巨大動(dòng)能毀傷目標(biāo)，故彈體需以盡可能大的傾角高速再入，圖2為“上帝之杖”對(duì)地打擊空中飛行過(guò)程示意圖。

圖2　“上帝之杖”動(dòng)能彈對(duì)地打擊過(guò)程示意圖Fig.2　“God stick” kinetic energy projectile flight process schematic

首先，天基武器系統(tǒng)在接到指揮命令后，短時(shí)間內(nèi)完成制動(dòng)離軌過(guò)程。進(jìn)入自由段，在地球引力的作用下做近地飛行。然后，彈體在再入點(diǎn)進(jìn)入大氣層內(nèi)飛行，受到地球引力和空氣阻力作用，通過(guò)制導(dǎo)與控制系統(tǒng)不斷修正空氣流動(dòng)、密度差異等因素對(duì)彈體姿態(tài)的影響，這里從地下工程防護(hù)設(shè)計(jì)安全性的角度出發(fā)，考慮“上帝之杖”動(dòng)能彈在制導(dǎo)與控制系統(tǒng)作用下近似垂直打擊目標(biāo)，彈體所受空氣阻力[6]為：

(1)

C=Ct+Cw+Cd+Cf

(2)

式中:F阻為彈體在大氣層中飛行所受阻力，ρ為大氣密度，Sm為彈體最大橫截面積，C為彈體阻力系數(shù)，Ct為彈體頭部波阻系數(shù)，Cw為尾部波阻系數(shù)，Cd為底部波阻系數(shù)，Cf為彈體摩阻系數(shù)。

另外，彈體進(jìn)入大氣層后，外界溫度、壓強(qiáng)、高度、大氣密度、飛行速度等均處于不斷變化狀態(tài)，故各項(xiàng)空阻系數(shù)也在不斷變化。

根據(jù)大氣層高度的不同，將大氣層分為對(duì)流層(0～12 km)、平流層(12～55 km)、中間層(55～80 km)、熱層(80～500 km)和逃逸層(大于500 km)。對(duì)流層的氣溫隨高度的上升而下降，平均每升高1 km，氣溫下降約6℃。在平流層中，30 km以下大氣的氣溫不隨高度上升而變化，30 km以上大氣的氣溫隨高度上升持續(xù)增加，平流層頂溫度可達(dá)-3～17℃。中間層的氣溫隨高度上升而下降，中間層頂?shù)臍鉁丶s為-90 ℃。研究發(fā)現(xiàn)，整個(gè)大氣層質(zhì)量的99.999%集中在80 km以下的空間范圍內(nèi)，熱層和逃逸層的大氣十分稀薄，這里不作考慮，且：

(3)

(4)

式中：h為海拔高度;R為氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;g為重力加速度;A為相對(duì)分子質(zhì)量;ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;G0為對(duì)應(yīng)海拔高度的壓強(qiáng);σ0為對(duì)應(yīng)海拔高度的大氣密度，這里取地面氣溫為18 ℃，平流層頂溫度為10 ℃。

由于“上帝之杖”以高超音速進(jìn)入大氣層，故考慮彈體附面層全部為紊流，借助“相當(dāng)平板”理論，綜合形狀修正和壓縮性修正，彈體摩阻因數(shù)[6]為：

(5)

式中：ReL為雷諾數(shù);μ為氣體黏性系數(shù);M∞為馬赫數(shù);v0為當(dāng)?shù)匾羲?Sf為彈體側(cè)表面積;Sm為彈體最大橫截面積;ηλ為形狀修正系數(shù)，取決于彈體長(zhǎng)徑比，取為1.05。對(duì)于空氣，k′=1.4，R′=287，c=110.4 K，μ288.15=1.822×10-5Pa·s。

考慮彈頭為圓錐形，錐角取為40℃，彈頭頭部波阻系數(shù)[6]為：

(6)

彈尾波阻系數(shù)[6]為：

(7)

考慮彈體底部壓強(qiáng)的極限情況為靜壓強(qiáng)為零，底部壓強(qiáng)系數(shù)為：

(8)

對(duì)于空氣，k=1.43。基于已有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，彈體在大氣層內(nèi)飛行的底部阻力系數(shù)[6]為：

當(dāng)k1<1時(shí)，

(9)

當(dāng)k1>1時(shí),

(10)

綜合式(1)～式(10)和彈體所受萬(wàn)有引力進(jìn)行求解，得到“上帝之杖”動(dòng)能彈理想狀態(tài)下進(jìn)入大氣層的初始速度為5 555.8 m/s，近似垂直入射的入地速度為3 401.7 m/s，彈體落地前的彈體摩阻因數(shù)為0.029 6，底部阻力因數(shù)為0.008 6，彈頭波阻因數(shù)為0.2638。當(dāng)不計(jì)空氣阻力時(shí)，彈體在地球引力作用下的入地速度可達(dá)8 221.3 m/s。由此可見(jiàn)，空氣阻力對(duì)“上帝之杖”天基動(dòng)能彈的動(dòng)能消耗作用顯著，尤其是彈頭形狀對(duì)彈體所受空氣阻力影響最大。

2.2“上帝之杖”毀傷效應(yīng)數(shù)值模擬

受到實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的限制，超高速侵徹實(shí)驗(yàn)難度高，可參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)極少。而信息化條件下，計(jì)算機(jī)軟硬件和計(jì)算方法迅速發(fā)展，計(jì)算精度不斷提高，數(shù)值模擬成為研究超高速侵徹問(wèn)題的有效方法。

借助LS-DYNA有限元程序，對(duì)“上帝之杖”動(dòng)能彈侵徹C60半無(wú)限混凝土靶的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮模型的對(duì)稱性，只建立1/4模型。模型由彈、靶和空氣三部分組成，彈長(zhǎng)6.1 m，彈徑0.3 m，彈頭錐角40℃，靶體長(zhǎng)寬均為3 m，靶深25 m。彈、靶上表面均被空氣包圍，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，外表面(空氣和靶體)施加無(wú)反射邊界，彈、靶和空氣均采用ALE網(wǎng)格，不同材料界面網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)以保證不同材料可以在網(wǎng)格間相互流動(dòng)，使用多物質(zhì)耦合ALE算法。

圖3　三維計(jì)算模型Fig.3　Three-dimensional calculation model

三維計(jì)算模型見(jiàn)圖3,彈體網(wǎng)格數(shù)量為4 428個(gè)，空氣網(wǎng)格數(shù)量為41 019個(gè)，靶體網(wǎng)格數(shù)量為602 301個(gè)。彈體選用Steinberg本構(gòu)，混凝土選用塑性硬化模型，參考現(xiàn)有文獻(xiàn)[7]～文獻(xiàn)[13]中靜高壓、動(dòng)高壓超聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮溫度軟化、應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)等的影響，彈靶模型參數(shù)取值見(jiàn)表1～表2。

表1　彈體材料參數(shù)表

表2　 靶體材料參數(shù)表

數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖4～圖8。其中，圖4為“上帝之杖”動(dòng)能彈侵徹半無(wú)限混凝土靶的過(guò)程圖像，圖5為彈頭速度、彈尾速度、侵徹深度、彈體剩余長(zhǎng)度的時(shí)程變化曲線，圖6為侵徹過(guò)程中坑底壓力、開(kāi)坑直徑與彈徑之比的時(shí)程變化曲線。分析圖4～圖6可知，“上帝之杖”超高速動(dòng)能彈的侵徹過(guò)程經(jīng)歷了瞬態(tài)高壓、穩(wěn)定侵徹、減速侵徹和回彈四個(gè)階段：

(1) 瞬態(tài)高壓階段(0.04～0.3 ms)瞬態(tài)高壓持續(xù)時(shí)間極短，彈頭擠入靶體完成開(kāi)坑，彈靶界面壓力最高達(dá)18 GPa。錐形彈頭迅速消蝕墩平，侵徹速度急劇衰減至2 158 m/s，彈體能量損失率極高。但是該階段侵徹深度僅占總侵徹深度的5.14%，這說(shuō)明在超高速侵徹過(guò)程中彈頭形狀對(duì)侵徹深度的影響并不顯著，高強(qiáng)分層防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)降低超高速動(dòng)能彈的毀傷效應(yīng)優(yōu)勢(shì)突出。

(2) 穩(wěn)定侵徹階段(0.3～6 ms)不同于剛性彈侵徹過(guò)程中彈體侵徹速度持續(xù)衰減的特點(diǎn)，超高速侵徹的穩(wěn)定侵徹階段中“蘑菇”形彈頭穩(wěn)定侵徹，彈靶界面的壓力、彈頭速度和彈尾速度均維持穩(wěn)定，侵徹深度和彈體剩余長(zhǎng)度近似線性變化。穩(wěn)態(tài)侵徹的界面壓力穩(wěn)定在7.4 GPa左右，彈頭侵徹速度為2 156 m/s，彈尾速度為3 179 m/s，兩者之差約為彈長(zhǎng)消蝕速度(約1 023 m/s)。界面壓力遠(yuǎn)大于彈靶材料強(qiáng)度，彈靶材料侵蝕后反方向拋出，在靶體外表面形成“鼓包”現(xiàn)象，開(kāi)坑直徑不斷增大。此階段侵徹深度占總侵徹深度的77.82%，彈長(zhǎng)消蝕率約85.6%，是動(dòng)能彈侵徹毀傷的主要功能階段。

(3) 減速侵徹階段(6～8 ms)，界面壓力、彈頭速度、彈尾速度迅速衰減，剩余彈材逐漸平鋪在坑底，此階段侵徹深度約占總侵徹深度的12.16%，開(kāi)坑直徑緩慢增加。

(4) 回彈階段(8～10 ms)，坑底出現(xiàn)拉應(yīng)力，靶體材料在拉應(yīng)力作用下發(fā)生微量反向位移。彈體最終侵徹深度達(dá)18.9 m，最終開(kāi)坑直徑達(dá)7.33倍彈體直徑。

圖4　“上帝之杖”動(dòng)能彈侵徹半無(wú)限混凝土靶的過(guò)程圖像Fig.4　The process images of “god stick” kinetic energy projectile penetrating a semi-infinite concrete targets

圖5　彈頭速度、彈尾速度、侵徹深度、彈體剩余長(zhǎng)度的時(shí)程變化曲線Fig.5　The duration curves of projectile head speed, tail speed, penetration depth, and the remaining length of projectile

圖6　坑底壓力、開(kāi)坑直徑與彈徑之比的時(shí)程變化曲線Fig.6　The duration curves of bottom pressure and the ratio of open pit diameter and the bullet diameter

穩(wěn)定侵徹階段的侵徹深度占總侵徹深度的主要部分，故選取t=2.5 ms的瞬時(shí)狀態(tài)進(jìn)行分析，記錄距交界面不同距離處的彈體和靶體中壓力、剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力的分布情況，如圖7～圖8所示。其中，圖7為t=2.5 ms時(shí)，垂直于侵徹方向的、距交界面不同距離處的混凝土靶中靜水壓力、剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力與靜水壓力之比的變化曲線，圖8為t=2.5 ms時(shí)，侵徹軸線上、距交界面不同距離處的彈體中靜水壓力、剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力與靜水壓力之比的變化曲線。

據(jù)圖7～圖8可知，隨著與彈靶交界面距離的增大，彈體和靶體中靜水壓力均迅速衰減，且交界面附近的壓力梯度明顯大于遠(yuǎn)處。距彈靶交界面約3.5倍彈徑的靶體中，剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值略小于剪應(yīng)力與靜水壓力的比值，但兩者均不超過(guò)23%，彈靶界面處不超過(guò)12%，靶體材料行為主要受最大主應(yīng)力和靜水壓力控制。距彈靶交界面3.5倍彈徑以外的靶體中，剪應(yīng)力與靜水壓力的比值明顯高于剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值，但兩者仍均<1，材料行為主要受最大主應(yīng)力控制，靜水壓力對(duì)材料行為的影響變小，剪應(yīng)力對(duì)材料行為的影響最小。

距彈靶交界面≈0.7倍彈徑的彈體中，剪應(yīng)力與靜水壓力的比值和剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值相差不大，且維持在較低水平，彈體材料行為主要受最大主應(yīng)力和靜水壓力控制。距彈靶交界面1倍彈徑以外的彈體中，剪應(yīng)力與靜水壓力的比值>1，與最大主應(yīng)力的比值<1，最大主應(yīng)力對(duì)材料行為的影響最大，剪應(yīng)力次之，靜水壓力最小。

圖7　垂直于侵徹軸線方向的混凝土靶中靜水壓力、剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力與靜水壓力之比的變化曲線(t=2.5 ms)Fig.7　The curves of hydrostatic pressure, the ratio of shear stress and maximum principal stress, shear stress and hydrostatic pressure in the direction of perpendicular to the axis of penetration concrete targets(t=2.5 ms)

圖8　彈中靜水壓力、剪應(yīng)力與最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力與靜水壓力之比的變化曲線(t=2.5 ms)Fig.8　The curves of pressure, the ratio of shear stress curve and maximum principal stress, shear stress and hydrostatic pressure (t = 2.5 ms)

2.3與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比及分析

目前，動(dòng)能彈侵徹混凝土靶體的研究主要集中在v<1.3 km/s的中低速范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)公式多假設(shè)彈體為剛性彈或變形非消蝕彈,動(dòng)能彈超高速侵徹混凝土靶的研究幾乎沒(méi)有。“上帝之杖”天基動(dòng)能彈侵徹速度極高，彈靶界面材料近似為流體，彈體迅速消蝕，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式不再適用。因此，采用高速侵徹流體力學(xué)模型(A-T模型)對(duì)“上帝之杖”侵徹半無(wú)限混凝土靶的問(wèn)題進(jìn)行理論求解，參考鎢合金動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)和GOLD等[14]、黃風(fēng)雷等[15]的混凝土靶板阻力參數(shù)，確定彈體強(qiáng)度Yp和靶體阻力Ft(Yp=1.51 GPa，F(xiàn)t=8.3fc=0.498 GPa)，理論計(jì)算結(jié)果如圖9～圖10所示。其中，圖9為理論計(jì)算的“上帝之杖”動(dòng)能彈侵徹深度時(shí)程變化曲線，圖10為歸一化侵徹深度隨著靶速度的變化曲線(實(shí)線為理論計(jì)算曲線，實(shí)心黑點(diǎn)為數(shù)值計(jì)算的最終侵徹深度，虛線A～虛線C引自Gold的相關(guān)研究成果)。

圖9　理論計(jì)算的侵徹深度時(shí)程變化曲線Fig.9　Theoretical calculations curve of penetration depth

圖10　歸一化侵徹深度隨著靶速度的變化曲線(實(shí)線為理論計(jì)算曲線，實(shí)心黑點(diǎn)為數(shù)值計(jì)算的最終侵徹深度，虛線A～虛線C引自Gold的相關(guān)研究成果)Fig.10　The curves of normalized penetration depth changing with speed (Solid line is the theoretical curve, solid black point is the final penetration depth of numerical calculation, the dotted line A～C quotes from Gold-related research)

分析圖9～圖10可知，理論計(jì)算的侵徹深度時(shí)程變化曲線呈線性增長(zhǎng)，這與數(shù)值模擬中穩(wěn)定侵徹階段的侵徹深度變化趨勢(shì)一致，且最終侵徹深度的理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果在允許的誤差范圍內(nèi)(理論計(jì)算結(jié)果為17.3 m，數(shù)值模擬結(jié)果為18.9 m)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。

對(duì)比圖10中的理論計(jì)算曲線和曲線A、曲線B可知：彈靶組合不同，最大侵徹深度及相應(yīng)的著靶速度也不相同。彈靶阻力相差越大，曲線峰值越高，峰值對(duì)應(yīng)的著靶速度也越大。且當(dāng)著靶速度較低時(shí)，動(dòng)能彈近似剛體侵徹，不同彈體強(qiáng)度的動(dòng)能彈對(duì)相同靶板的歸一化侵徹深度相同，即剛體侵徹中彈體強(qiáng)度對(duì)侵徹深度影響不大，侵徹深度受靶體強(qiáng)度影響較大。

3　結(jié)　論

本文采用空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，對(duì)“上帝之杖”天基動(dòng)能武器的空中飛行過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，并針對(duì)“上帝之杖”侵徹半無(wú)限混凝土靶的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1) “上帝之杖”動(dòng)能彈的入地速度達(dá)3 401.7 m/s。當(dāng)不計(jì)空氣阻力時(shí)，入地速度達(dá)8 221.3 m/s。空氣阻力對(duì)“上帝之杖”的動(dòng)能消耗作用顯著。

(2) 不同于剛性彈侵徹過(guò)程中彈體侵徹速度持續(xù)衰減的特點(diǎn)，“上帝之杖”動(dòng)能彈侵徹的瞬態(tài)高壓階段持續(xù)時(shí)間短，侵徹深度占總侵徹深度比例小，彈體動(dòng)能損失率高。而穩(wěn)定侵徹階段持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，侵徹速度和彈體消蝕速度保持穩(wěn)定，侵徹深度占總侵徹深度的主要部分，彈體動(dòng)能損失率保持穩(wěn)定。且侵徹過(guò)程中彈靶交界面附近材料的行為主要受靜水壓力和最大主應(yīng)力控制。高強(qiáng)分層防護(hù)結(jié)構(gòu)在抗超高速動(dòng)能彈的侵徹方面優(yōu)勢(shì)突出。

(3) 當(dāng)著靶速度足夠大時(shí)，彈體最終侵徹深度主要受彈靶材料密度控制，彈靶強(qiáng)度對(duì)其影響不大。

綜合上述結(jié)論，從超高速天基動(dòng)能彈的設(shè)計(jì)及其防護(hù)角度提出如下建議：① 高密度長(zhǎng)桿彈是超高速天基動(dòng)能彈的首選型式，減小彈頭波阻因數(shù)對(duì)降低動(dòng)能損耗作用顯著，設(shè)計(jì)更低波阻因數(shù)的動(dòng)能彈頭是研發(fā)超高速天基動(dòng)能彈的一個(gè)重要問(wèn)題。② 超高速天基動(dòng)能彈的初始侵徹動(dòng)能極大，應(yīng)對(duì)常規(guī)鉆地武器的偏航層對(duì)其偏航作用并不顯著。針對(duì)超高速動(dòng)能彈的防護(hù)，應(yīng)首先采用高密度高強(qiáng)分層防護(hù)結(jié)構(gòu)(如金屬混凝土、鋼纖維自密實(shí)混凝土等)將彈體侵徹速度降低到一定限值后，再結(jié)合常規(guī)鉆地武器的偏航層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)有效防護(hù)。

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Damage fffect evaluation of God stick space-based kinetic energy weapons

LI Zheng, LIU Yuanxue, HU Ming, ZHANG Yu, WU Runze

(Chongqing Key Laboratory of Geomechanics &Geological environmental Protection in Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 401311, China)

In the future war, “God stick” space-based kinetic energy weapons play an important role in attacking deep underground targets, and it is also significant for safeguarding the national interests and territorial integrity. Considering the impact of outside temperature, pressure, altitude, atmospheric density, flight speed and other factors on the air friction, the “God stick” kinetic energy projectile’s speed was analysed, which shows it could reach 3401.7 m/s. Currently, limited by experimental techniques and methods, only Gold has achieved a few groups of experimental datas inregard to a high-speed kinetic energy projectile penetrating into concrete targets, whose highest penetration velocity is merely less than 2 km/s. But the experimental study on ultra-high-speed kinetic energy projectile, like the "God stick", penetrating into concrete targets still leaves a blank. In the article, the theoretical and numerical simulation analyses of the“God stick” penetrating a semi-infinite concrete targets were completed. The results show that the final penetration depth obtained by numerical simulation(18.9 m) agrees well with the theoretical results(17.3 m); the finally crater diameter of concrete targets reaches 7.333 times of the diameter of bomb; other than the continuously declined velocity of a rigid projectile, during the process of “God stick” hypervelocity penetration, a phase of transient high pressure will quickly drop the velocity of warhead with high kinetic energy loss rate and small corresponding penetration depth; in the stable penetration stage, the warhead speed and the rod length maceration keep stable, the kinetic energy loss rate maintains basically unchanged and the depth of penetration linearly increases. When the impact speed of projectile reaches a large enough value, the final penetration depth is mainly affected by the density of projectile and target materials, not by the

“God stick”; hypervelocity penetration; concrete

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50979112)；重慶市國(guó)土資源和房屋管理局科技計(jì)劃項(xiàng)目(CQGU-KJ-2014052);重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(CSTC2015JCYJA30007; CSTC2014JCYJA30015; CSTC2014JCYJA30014; CSTC2014JCYJA30011); 重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB14103)

2015-11-16修改稿收到日期：2016-02-04

李爭(zhēng) 女，碩士生,1992年生

劉元雪 男,博士,教授,1969年生

O347.3

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.026

target strength. So the high-density stratification protective structure is of great advantage in anti-hypervelocity penetration area.