動能棒超高速對地撞擊毀傷效應研究*

王 鵬,李 鶴,申明輝,王新泉,郭立力

(1 北京航天長征飛行器研究所, 北京 100076; 2 通號物資集團有限公司, 北京 100070)

0 引言

在現代高技術局部戰爭中,永備地下工事[1]如地下指揮中心等高價值關鍵目標,是重點打擊的對象,只有通過不斷加大侵徹體質量和增大落速以期獲得對此類目標的有效毀傷,但現有動能加化學能類傳統鉆地武器,由于受殼體材料性能及裝藥安定性等限制,無法承受落速不斷增加所產生的高過載[2-3],很難對此類永備地下工事造成有效毀傷,因此需研制具有新型毀傷模式的對地毀傷武器。

根據理論計算,一定質量的單一物體撞擊速度大于3 000 m/s時,其撞擊產生的能量已大于等質量的炸藥爆炸釋放的熱量,且由于其內不含化學能,突破了戰斗部高過載條件下裝藥和引信安定性的限制,具有結構簡單、作用可靠、免后勤維護、能適應超高速撞擊惡劣環境的強度以及耐侵徹的能力等優勢[4],因此動能武器逐漸受到世界各軍事強國的重視,有必要開展其毀傷效果研究,也為將來動能武器發展做相應技術儲備。作為武器級的動能棒最少也得在百千克級[5]甚至噸級[6]以上才能對此類目標實施有效毀傷,不過由于對動能武器研究仍處于探索階段,目前受地面試驗手段限制,只能將克級小長徑比加載到3 000 m/s以上[7],而很難將百千克級大長徑比動能棒加載到該速度,且由于縮比量太大,地面試驗已經無法反應原型動能武器的真實情況,因此尚未開展其毀傷效應研究。

文中首先通過動能棒超高速撞擊混凝土數值仿真,給出了動能棒超高速對地撞擊的主要毀傷模式,然后據此提出了各毀傷效應的主要表征參量及其相應的測試方法,最后結合百千克級動能棒超高速對地撞擊試驗,按照確定的測試方法,探索性地獲得了動能棒超高速對地撞擊毀傷效應數據,一定程度上驗證了提出的測試方法的可行性。

1 動能棒超高速對地撞擊數值仿真及其分析

對于超高速,文獻[8]給出的定義為：彈著靶后,彈靶材料呈流體動力學形態,材料的強度效應影響逐步減弱,而密度效應和可壓縮性對侵徹過程的影響趨于明顯,此時彈靶材料的應變率通常在106～107s-1之間,對應的彈靶相對速度在3 000～12 000 m/s之間。

因受地面試驗手段限制,目前只能通過二級輕氣炮可將克級彈丸加載到超高速,文獻[8-9]給出了30 g鋁丸以4 250 m/s撞擊素混凝土,通過預埋傳感器獲得壓力曲線。文中以此為基礎,采用文獻[10]介紹的光滑粒子流體動力學(SPH)方法計算了30 g鎢彈丸以4 250 m/s速度撞擊C30素混凝土靶板(如圖1所示),并通過內埋高斯點,獲得了類似試驗的壓力曲線,據此判定采用數值仿真分析能夠一定程度反映試驗狀況。

圖1 超高速動能棒對地撞擊強沖擊波傳播過程(6個點)

仿真計算結果表明:動能棒超高速撞擊地面后,主要產生撞擊成坑和波動效應兩種毀傷效應,如圖2所示,其中波動效應根據傳播方向的不同又分為與地震類似的3種波[11],即沿地層深度傳入的縱波(P波)、垂直縱波波陣面的剪切波(S波),以及沿地表傳播的橫波(R波),因此超高速對地撞擊形成的毀傷形式主要由這3種波共同作用而造成,毀傷形式主要表現為撞擊成坑、地沖擊和地震動。

圖2 超高速撞擊后形成的不同區域示意圖

撞擊成坑主要指的是彈丸超高速撞擊目標后,目標在強沖擊壓力作用下,撞擊點附近材料被壓垮,彈丸的部分能量轉化到被壓垮的材料上形成飛濺,進而在目標表面形成崩落區,通常隨著毀傷深度的增加,飛濺再次回落到撞擊坑,該種毀傷即宣告結束。相對于深層地下目標覆蓋層厚度來說該種毀傷形式非常微弱,可忽略。

地沖擊主要沿地層深度方向傳播,由P波與S波的垂直分量共同疊加形成,其特點表現為強度大(GPa級)、傳播速度快(通常約1 000 m/s左右)、衰減快、頻率高(幾百Hz)、傳播距離近。如果目標為半無限介質,在強沖擊波作用下,與棒體接觸部分的地層材料迅速變形、壓垮,不斷被壓實,直至形成不可壓縮態,然后再將沖擊波傳遞給相鄰材料,逐步在地層中形成壓實區。該種毀傷形式是造成深層地下目標毀傷的主要形式。

地震動主要沿目標表面傳播,由R波和S波水平分量疊加而成,主要表現為強度低、傳播速度漫、衰減慢、頻率低、傳播距離遠等特點。通過地表橫波可引起建筑物震動,一旦震動過載超過建筑物設計的承受值,將使得建筑物墻體開裂、坍塌形成破壞。該種毀傷形式是造成撞擊點附近地表目標毀傷的主要形式。

從上述數值仿真可以看出,動能棒超高速撞擊從開始撞擊到侵徹結束,一直在形成縱波、橫波和表面波,而且3種波幾乎同時發生。在彈體正下方的土介質中,除了直接與彈體接觸的表層土部分被熔化外,由里向外依次為破碎壓實圈、塑性區(包括硬土中的拉伸破壞裂隙區)和彈性區。

2 動能棒超高速對地撞擊毀傷效應表征參量

由于撞擊成坑毀傷形式較為微弱,著重分析并得出波動效應的表征參量,包括地沖擊和地震動,即主要通過測量地沖擊波和地震動波來獲得其對目標造成的破壞效應。

2.1 地沖擊表征參量分析

地沖擊主要沿目標法向向目標內傳播,文獻[8]通過在靶板中布設傳感器的方法,獲得了超高速撞擊壓力曲線,但該方法只適實于實驗室,若要切實獲取百千克級動能棒超高速對地撞擊產生的地沖擊數據,因撞擊點有很強的不確定性,而地沖擊主要沿深度方向傳播,布設傳感器一旦偏離傳感器敏感位置,將造成測試數據的嚴重失真,因此布設傳感器無法適應,需另找方法。

通過數值仿真結果可以看出：地沖擊通過傳入地層的強沖擊波,可在地層中形成不同破壞區,這些破壞區主要有壓實區、塑性區、彈性區等,而不同動能武器攜帶能量的大小可間接通過最終形成這些區的深度來反映,尤以壓實區厚度為主,文獻[12]研究表明,巖土中的壓實區厚度,與超高速撞擊的嚴重破壞深度大致成正比。為此通過測量壓實區厚度,可更加直觀地反映超高速動能棒對地的毀傷效果。

相對于未擾動部分,所形成的壓實區參數的變化主要表征量為阻抗的變化,即密度ρ的變化和聲速c的變化,現有測量技術條件能較準確測量介質密度ρ變化,通過壓實區密度相對于原狀土密度的增益來表征壓實區厚度。

2.2 地震動波表征參量分析

超高速動能棒撞擊地面后產生的強沖擊波,沿地層傳至地表后,引起地表物體的震動,這種震動主要表現為物體隨R波產生的加速度,可通過安裝在地表不同位置的3個方向(垂直地表方向、朝理論撞擊點方向、逆時針沿圓周切向)過載傳感器進行測試,進而積分求出震動速度和震動位移。

3 試驗及測量方案

考慮到試驗時實際撞擊點的不確定性,動能棒超高速對地撞擊毀傷評估參數主要表現為:在同一位置布設過載傳感器實時測量撞擊過程中表面波(R波)引起的地震動參數變化,以及試驗后對實際撞擊點壓實區厚度(深度)的測試,最終獲得動能棒超高速對地撞擊的毀傷效果。

3.1 壓實區厚度測量方案

根據數值仿真,地沖擊是引起被撞擊地層塑性變形的直接原因,而對于土壤這種多相介質而言,壓實區厚度最直觀的反映就是介質密度的變化,為此測量方案主要圍繞著撞擊前后土壤介質密度ρ的變化測量來確定壓實區厚度,也就是說對于地沖擊造成的壓實區深度,主要考慮相對于原狀土,密度有變化的區域即反映為壓實區深度,直到與原狀土密度相當為止。

測量介質密度ρ變化的主要方法是土工灌沙法。灌砂法是一種較為成熟方法[13],具體方法為:將均勻顆粒的標準砂,通過標準工裝,由一定高度下落到一既定容積的筒或洞內,按標準砂密度不變的原理來測量試洞的容積,進而計算土體密度。

如圖3所示,現場在撞擊成坑正下方和距該坑中心50 m位置(未受擾動的區域)處開挖測試探井,探井采用階梯式開挖,最上一級探井作業面臺階從撞擊成坑邊緣開始,每級探井作業面臺階深0.35～0.4 m,每一層探井作業面縮減尺寸根據防止探井塌方而定,直到與原狀土密度相當為止;每級臺階根據臺階的實際大小測量3～6個點,每個實際測點尺寸約0.4 m×0.4 m,然后取密度平均值為該層密度。在每級臺階的平面上,采用現場土工灌沙法測量干容重和濕容重,并與同一相近位置處原狀土干容重和濕容重進行比較,直到土樣的密度與原狀土密度相近(相差0.01 g/cm3)為止,最終確定壓實厚度。

圖3 土工灌砂法測試原理示意圖

首先在試驗地點取出一定質量的濕土mh,soil,灌入標準砂,并用式(1)計算填滿試坑所需砂的質量msand：

msand=m0,sand-mc,sand-ml,sand

(1)

式中:m0,sand為灌砂入試坑前筒內砂的初始質量(g)；mc,sand為灌砂筒下部圓錐體內砂的平均質量(g)；ml,sand為灌砂入試坑后筒內剩余砂的質量(g)。

然后用式(2)計算試驗地點砂礫土的濕密度ρh,soil(g/cm3)：

(2)

式中:mhsoil為試坑中取出的全部濕土樣質量(g)；ρsand為標準砂的堆積密度(g/cm3)。

接著取出部分濕土樣按式(3)計算其含水量ω:

(3)

式中:mh,soil為部分濕土樣質量；md,soil為該土樣烘干后剩余干土樣質量。最后用式(4)計算出砂礫土的干密度ρd,soil(g/cm3),并與用相同方法測得相同深度處原狀土干密度進行對比,給出壓實區深度。

(4)

3.2 撞擊過程中地震動參數試驗方案

由于動能棒超高速對地撞擊引起的地震動只存在于撞擊過程,撞擊結束后地震動在很短時間內即消失,而在此過程中,最直接反映地震動效果的就是過程中的加速度,因此對于撞擊過程中地震動表征參數測量用實時加速度來反映。

為了獲得較為準確的值,需在距撞擊點不同位置處布設測量站,測量站由多路、多量程、三方向(垂直地表方向、朝理論撞擊點方向、逆時針沿圓周切向)加速度傳感器及其他輔助設備組成,通過數據采集設備實現對撞擊產生過載的測量。

為確保不同測量站所測數據時間零位統一,采用“GPS時鐘同步數據采集儀系統”完成時統和數據采集工作,所用采樣率為100 kbit/s,分辨率為16 bit,每個通道的存儲深度為120 MSa,相對精度為全量程的±0.5% (有效值),帶寬為20 kHz(-3 dB時),為確保能采到數據,供電時間設計不小于6 h。

具體工作流程為:試驗開始前1 h,打開采集儀和信號調理器的工作電源,使其處于待觸發工作狀態;設置GPS時鐘定時器;GPS時鐘定時時間到,輸出觸發信號啟動采集儀記錄數據,并存入存儲器中;試驗完成后,回收采集儀,通過筆記本電腦回讀數據并進行數據分析處理。

4 測量方法驗證

為探索超高速動能棒對地撞擊的毀傷效果,并根據上述測量方案,進行了百千克級動能棒以超高速對硬戈壁(抗壓強度約30 MPa)介質的撞擊試驗,獲得了距撞擊點不同距離處的地震動過載,及到地表不同深度的密度,進而獲得了壓實區厚度。

為方便對比,試驗中除完成了2個動能棒的試驗,同時還完成了3個非動能棒的試驗,其中動能棒結構形式與數值仿真所用模型結構形式類似,材料為鎢合金,非動能棒結構形式近似為圓臺形,材料為普通鋼。

圖4給出了垂直地表方向“5次不同時刻、到測試點不同距離超高速動能對地撞擊地震動”的測試結果,其中1和2為動能棒,3、4、5為非動能棒。由測量結果可以看出:從所測加速度值來說,動能棒沿地表釋放的能量小,持續時間短,動能棒比非動能棒在地表形成地震動能量峰值小約50%;壓實區深度明顯大于非動能棒產生的壓實區深度,二者相比動能棒所產生的壓實區深度比非動能棒產生的壓實區深度大約80%;動能棒沿深度方向釋放的能量明顯大于非動能棒沿深度方向釋放的能量,這也進一步說明動能棒的主要毀傷形式是沿地層深度方向,對深層地下工事目標毀傷的可能性較大。

圖4 驗證試驗結果

5 結論

根據動能棒超高速對地撞擊數值仿真結果,得出了毀傷模式主要為地沖擊和地震動,根據相應特點提出壓實區密度和震動過載分別是地沖擊和地震動的主要表征量,其值可分別通過灌砂法和實時動態震動傳感器結合GPS同步采集儀來獲取,通過動能棒超高速對地撞擊試驗,驗證了該方法的可行性,為后續超高速動能棒對地撞擊毀傷效果機理研究奠定了基礎。