光電干擾箔片高速動態拋撒云團散布試驗研究

王政偉， 王浩， 張成， 謝達勇， 金賀龍

(南京理工大學 能源與動力工程學院, 江蘇 南京 210094)

光電干擾箔片高速動態拋撒云團散布試驗研究

王政偉， 王浩， 張成， 謝達勇， 金賀龍

(南京理工大學 能源與動力工程學院, 江蘇 南京 210094)

為了研究大數量光電干擾箔片在高速環境中拋撒后的云團形態分布，以調速小火箭作為高速載體，配合活塞式的箔片拋撒結構，運用子母彈的拋撒方式，進行了不同速度下的拋撒試驗。通過拋撒各階段云團發展狀態的高速數字圖像記錄，清晰反映了箔片出艙、分離、擴散的動態過程。從微觀上分析了箔片的運動過程，得出了箔片在高速拋撒過程的分離規律；從宏觀上統計分析箔片與云團散布參數，分析了不同速度下箔片散布特征。對比不同載體速度發現，載體速度的增加可明顯增大云團的徑向分布范圍和云團響應速度，但并不能線性增大云團的徑向分布范圍。

兵器科學與技術； 箔片； 光電干擾； 散布； 面源誘餌

0 引言

現階段隨著紅外成像制導技術的日益發展，各型戰機面臨的導彈威脅越來越大。紅外成像制導技術是對紅外制導技術的全面升級，它不僅可以抑制背景信號的干擾，還可以通過各種抗干擾識別技術排除傳統點源紅外誘餌的信號干擾。機載面源式干擾彈能夠模擬目標飛機的光譜特性，具有可見光掩蔽特性，可以有效干擾紅外成像制導導彈[1-3]。

然而機載面源式干擾彈在機載試驗中具有較大的測試難度，在地面發射又很難具備實戰下的飛機在高速運動下的發射環境。研究人員大多是采用在工程簡化條件下，按照特定的運動規律進行仿真模擬[4-9]，或者進行相關地面低速拋撒試驗[6]，這并不能完全真實反映機載面源誘餌的運動規律和高速拋撒環境。本文以調速小火箭作為高速載體，配合活塞式的箔片拋撒結構，運用子母彈的拋撒方式，實現了在高速環境中的干擾箔片動態拋撒過程，獲得了干擾箔片在高速動態拋撒環境下的分離散布規律，并與仿真結果吻合較好[10-11]。

1 試驗模型與試驗方案

1.1 試驗模型

本次試驗采用120 mm口徑小火箭，可攜帶單發干擾彈，火箭整體結構如圖1所示。試驗過程中，火箭根據干擾彈所需的發射方向入膛裝填。點火后加速至干擾彈發射所需的模擬速度時，延時點火引信點燃干擾彈發射藥，在活塞的推動下，干擾箔片拋出,拋撒所需速度可根據火箭裝藥量進行調整。

圖1 火箭三維結構圖Fig.1 Three-dimensional structure of rocket

圖2為干擾彈結構圖，每發干擾彈的箔片裝填量在1 000片左右，箔片厚度約為0.025 mm，直徑D為50 mm. 大數量圓柱狀箔片摞齊裝填，箔片在發射時成串射出，快速散開燃燒形成干擾云團。

圖2 活塞式拋撒機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of piston dispersing device

1.2 測試方案

試驗采用3臺德國photron公司的photron fastcam mini高速攝像儀，其布置方位如圖3所示。高速攝像儀與火箭點火通過多通道同步觸發儀同步控制觸發與點火。

圖3 高速攝像場景布置圖Fig.3 Arrangement of high speed cameras

1.3 火箭內彈道設計

為了模擬面源式干擾彈在戰機巡航飛行狀態下(馬赫數0.6～0.8)發射時的干擾彈工作過程，通過求解火箭內彈道方程組[12-13]，優化設計了火箭的裝藥參數，詳細裝藥參數如表1所示。圖4為不同裝藥下的火箭發動機燃燒室壓力仿真曲線，圖5為不同裝藥量下火箭速度時間仿真曲線，通過改變火箭的裝藥參數可實現干擾彈發射時的不同速度需求。

表1 火箭裝藥參數Tab.1 Charge parameters of rocket

圖4 不同裝藥量下的壓力仿真曲線圖Fig.4 Simulation curves of pressure under different charge mass

圖5 不同裝藥下的火箭速度曲線Fig.5 Simulation curves of velocity under different charge mass

2 結果與分析

在拋撒試驗中，火箭飛行穩定，姿態良好,如圖6所示。

圖6 出膛時刻的火箭姿態Fig.6 Attitude of rocket at the moment of rockect being out of muzzle

2.1 高速動態拋撒試驗結果

根據試驗情況，選取能夠反映集束箔片和單體箔片運動變化特性的數據來進行分析。根據標尺標定，繪制平面網格線。試驗中，根據火箭內彈道計算與試驗經驗分析，設置干擾彈延時點火引信延時時間。為了方便描述箔片云團的發展過程，設置干擾彈點火時刻為0時刻。

試驗圖像記錄顯示，在干擾彈點火后大數量的箔片經歷了集束箔片出艙、集束拉長、集束彎曲變形、集束分解、箔片脫離、箔片擴散和箔片沉降幾個形態變化。本文根據箔片形態的變化過程，將此過程分為集束出艙、分離、擴散和沉降3個過程進行描述。

2.1.1 出艙階段的集束箔片

如圖7所示為集束箔片出艙過程，網格間距為100 mm，干擾彈點火以后，密實裝填的集束箔片在活塞的推動下從艙體中拋出。集束箔片在活塞的大推力作用下保持線形出艙，出艙后與火箭完全脫離。從干擾彈觸發點火到集束箔片完全出艙耗時10 ms左右，出艙時刻集束段長度約為151.5 mm,相比于裝填長度150 mm,變化不大。出艙后的集束箔片段具有火箭運動方向的牽連速度和垂直于火箭的發射速度，脫離火箭繼續運動。

圖7 出艙過程的集束箔片(0～15 ms，2號高速攝像儀拍攝)Fig.7 Cahff cluster launched from dispenser

2.1.2 分離階段

在出艙階段，密實裝填的集束箔片在活塞的壓迫下尚能保持其緊密狀態，但箔片集束完全出艙以后，所有約束解除。圖8為集束薄片的變形分解過程，在內應力的作用下集束箔片開始向兩端伸展拉長，集束段的長度變化如圖9所示。拉長后的集束段變得松散，并有小的間隙在箔片之間形成。在伸展拉長過程中，位于頭部與尾部的集束段兩端的間隙增加更快，高速運動的集束箔片，在高速來流的沖擊下出現斷層與彎折，并伴有箔片個體開始從兩端脫離出去，此時集束箔片開始進入分解階段。

圖8 集束箔片段的變形分解過程(10～45 ms，2號高速攝像儀拍攝)Fig.8 Deforming and disintegrating processing of chaff cluster

圖9 集束長度隨時間變化曲線Fig.9 Change of cahff cluster length with time

拉長后的集束分解首先在兩端出現了彎折，彎折后的集束由于其本身裝填結構的原因，彎折區出現“楔形”間隙。高速氣流流入楔形間隙后，在間隙中形成高壓力區間，壓差作用力驅動松散段箔片遠離集束段主體運動，并阻礙主體段的拉長與伸展，形成了集束段主體與兩端松散段的特征斷裂分離現象。如圖10(a)所示，集束主體段在高速氣流作用下頭尾部出現彎折，并已經形成了①和②兩個特征斷裂段，特征段長度分別約為2.2D和1.7D，但先脫離的特征斷裂段較為松散，箔片間間隙較大。圖10(b)為箔片從特征段的脫離過程，其中存在6個特征斷裂段，特征段并行排列，明顯的箔片脫離現象可從特征斷裂段①看出。分析集束分解過程的高速圖像發現，集束主體分解為特征斷裂段時具有一定的規律性，集束段的分解頭尾依次進行，圖10(b)中①、③、⑤從頭部斷裂形成,②、④、⑥特征段從集束段尾部斷裂形成，初始脫離時尺寸基本相近，約為1.1D. 隨著高速氣流的繼續作用，特征斷裂段中的箔片間間隙繼續增大，直至脫離為薄片單體。分解過程中，各段保持其軸向運動與徑向運動。

圖10 箔片的分離過程(45～100 ms，2號高速攝像儀拍攝)Fig.10 Fracture location of foils cluster

集束的分解和箔片的部分脫離，逐漸形成了集束在前，脫離箔片在后部擴散的錐形云團分布。

2.1.3 擴散和沉降階段

箔片作為輕質物品，比表面積較大,脫離后的速度在高速氣流中速度降低極快，如圖11所示(網格尺寸為1 000 mm),速度可在極短之內降低到數十米每秒。箔片在脫離初期分布密度較大，在分離過程中出現明顯碰撞現象。碰撞與高速氣流的氣動力綜合作用形成了箔片初始脫離狀態。箔片脫離時的初始姿態決定了箔片分離后的初始氣動作用力，不同的初始氣動作用力賦予了箔片的初始運動偏向，即形成了箔片的上浮、側偏、下沉等分離狀態。

圖11 箔片擴散與沉降過程(105～155 ms，3號高速攝像儀拍攝)Fig.11 Dispersion and descent processes of chaffs

隨著集束的發展，位于云團頭部的集束段慢慢分解完全，全部散開為向各方向擴散的箔片單體，云團軸向截面由錐形截面演化為長方形截面，并隨著箔片向四周擴散，箔片截面散布面積逐漸擴大。脫落后的箔片在其初始發射動能消耗殆盡后進入沉降階段，沉降過程中的箔片在重力作用下緩慢飄落[14]。

2.1.4 箔片的徑向分布

根據高速后方高速攝像，記錄了集束箔片徑向分離擴散過程，根據標尺標定繪制云團標尺網格，記錄箔片集束的膨脹過程，如圖12所示，圖12中網格尺寸為3 000 mm.

從圖12可以看出，箔片由于分離后的初始姿態的不同，呈中心向四周擴散。在500 ms后云團形態保持穩定，800 ms后可觀察到明顯的箔片沉降。

2.2 高速動態拋撒試驗結果數據分析

針對箔片集束分離擴散過程的運動發展狀態，根據試驗高速攝像處理圖片，統計了箔片的分離軌跡、云團散布尺寸、箔片的落點位置等參數進行了對比分析。試驗中進行了不同火箭速度的對比，如表2所示。

表2 集束出艙時刻速度參數Tab.2 Velocity of chaff cluster in dispersion process

2.2.1 集束段箔片的運動

高速攝像顯示，箔片在脫離主體段后速度降低很快，其分離后的散布位置主要由其脫離時集束位置與脫離時的姿態決定，所以，箔片云團的散布區間主要與主體段的運動相關，有必要對主體的運動進行單獨分析。圖13為集束箔片的軸向和徑向的運動參數變化曲線，箔片從出艙至箔片完全分解耗時150 ms. 通過不同載體速度的集束速度變化比較可以看出，初速高的集束箔片在高速氣流中集束分解和箔片個體脫離更加迅速，其速度降低也較快，集束段的速度曲線出現了交匯。所以，增大載體速度能夠明顯增大云團的徑向分布和減小干擾彈的響應時間，并不能線性增加云團的軸向分布范圍。

圖12 云團徑向截面膨脹過程(1號高速攝像儀拍攝)Fig.12 Expansion process of cahff cloud in radial direction

圖13 集束段運動變化曲線Fig.13 Motion characterstics of chaff cluster

2.2.2 箔片個體的運動軌跡

為了研究箔片在脫離集束后的運動特性，從高速圖像記錄中提取了不同時刻脫離于集束與同一時刻不同集束位置脫離的3個箔片的運動參數，如圖14所示。從圖14可以看出，不同位置時刻脫離的箔片脫離速度取決于脫離時刻所處集束的運動速度，不同時刻與不同集束段脫離的箔片速度變化趨勢一致。箔片在脫離后軸向速度驟降明顯,徑向方向的變化主要受到其脫離時姿態影響，并在脫離20 ms后箔片速度緩慢變化，直至進入沉降階段。

圖14 箔片單體速度變化曲線Fig.14 Change of chaff velocity with time

2.2.3 箔片云團的最大偏移量

最大偏移量是指箔片在散布過程中的各向偏移最小和最大值，本質上即是箔片云團的最大邊界值，同時也是對云團外輪廓的描述。云團最大偏移量隨時間的變化曲線如圖15所示。

圖15 云團各向最大偏移量與時間曲線Fig.15 Maximum offsets of chaff cloud in X,Y,Z directions

從圖15可以看出，X方向的最小值從發射后即平穩發展，這是由于尾部的箔片首先分離并且速度很快衰減達到滯留狀態，Y方向的下邊界由于試驗過程中初始高度較小，較早地出現部分箔片落地，下邊界不計入邊界統計。約0.5 s后，所有質點均進入沉降階段，X方向、Z方向的最大偏移量變化較小。各個箔片經歷初始振蕩后沉降速度就穩定在一個均值附近跳動，使得整個云團的沉降速度也穩定在一個均值附近，即云團中所有質點的Y坐標平均值隨時間的變化是近似線性的。采用文獻[7]方法對試驗中兩種初速的散布進行了仿真模擬，通過試驗與仿真曲線對比可以看出，云團發展趨勢一致，曲線吻合較好。通過不同初速的分布圖對比可以發現，高載體初速的干擾箔片在拋撒后箔片云團空間分布更大。

2.2.4 落點散布統計

箔片經過分離、擴散、沉降后最終落地，對落點范圍進行觀察與測量。箔片的落點分布在軸向15～45 m范圍內分布數量較多，徑向分布較為均勻。其分布測量范圍如表3所示。

表3 落點分布范圍Tab.3 Droppoint distribution of chaffs

注：試驗場地一面靠墻，徑向分布只統計單向。

3 結論

試驗采用高速火箭搭載的方法實現了箔片在高速環境中的動態拋撒過程，模擬干擾彈在機載高速巡航飛行狀態下發射的工作過程，研究了大數量裝填下的箔片動態拋撒的出艙、分離、擴散、沉降過程。分析得出以下結論：

1)試驗中通過不同方位的多個數字圖像系統記錄得出了大數量箔片高速動態拋撒的分離過程與云團形態變化規律。大數量箔片的云團演變過程分為直線出艙、集束段變形、集束分解、箔片脫離、箔片擴散和箔片沉降過程，云團形態由直線型出艙，經歷彎曲變形，擴散為錐形分布，穩定為長方體型空間分布。

2)通過子母分離的箭載試驗方案有效地解決了干擾彈機載發射試驗過程中高成本，不易于測試等問題，為同類高速動態拋撒問題提供了參考。

3)大數量箔片的拋撒分離是在集束內部應力的作用下向兩端拉長，產生初始間隔，高速來流作用于集束主體使其產生變形并進入間隙，集束出現了規律性的特征斷裂脫落現象。

4)箔片的擴散方向與運動距離主要取決于箔片脫離時的初始姿態與速度，輕質箔片密度小，在高速氣流中擴散速度衰減快，沉降過程中滯空性能好。云團啟動時間短，滯空時間長，并能保持良好的干擾形態。

5)增大載體速度能夠明顯增大云團的徑向分布和減小云團的響應時間。但是，較大的軸向初始速度加快了箔片集束分解和箔片個體脫離，并不能線性增加云團的軸向分布范圍。

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Experimental Study of Distribution of Chaff Cloud Launched at High-speed

WANG Zheng-wei, WANG Hao, ZHANG Cheng, XIE Da-yong, JIN He-long

(School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

In order to study the separation and dispersion of chaff cloud launched at high-speed, the chaffs were packed and launched by the adjustable speed rocket at different speeds, which utilize the throwing system structure of airborne dispenser. The chaffs were launched from a piston, separated and dispersed in the high speed airflow, and the detailed motion of chaff cloud was clearly recorded using several high speed cameras. After statistical analysis of the test results, the separation mechanism and dispersion parameter of chaff cloud are concluded. In comparison with the experimental results launched at different speeds, it is clearly concluded that the radial distribution of chaff cloud and the onset time increases with the increment of the velocity of carrier. However, the radial distribution of chaff cloud will not linearly increases with the increment of velocity of carrier.

ordnance science and technology; chaff; electrooptic interference; dispersion; surface-type decoy

2016-12-19

王政偉(1987—)，男，博士研究生。E-mail:wangzhengwei2421@163.com

王浩(1964—)，男，研究員，博士生導師。E-mail:wanghao@njust.edu.cn

TN972+.41

A

1000-1093(2017)06-1075-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.005