超高速侵徹引信多層目標過載層間粘連機理

李 蓉，戴黎紅，吳敏忠，邵志豪，梁瑊輝

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；2.解放軍96901部隊，北京 100094)

0 引言

現代戰爭的主要作戰目的是打擊敵方高價值目標，包括多層建筑物、堅固工事、地下指揮所、機庫等[1]。彈藥戰斗部侵徹多目標層過程中，引信實時感知戰斗部侵徹過載并判斷穿層信息，控制戰斗部在預定的目標層處爆炸，實現對建筑物內高價值目標的高效毀傷。

隨著動能侵徹戰斗部的速度不斷提高，引信不僅承受到更高的沖擊過載，并且出現每一層目標侵徹過載彼此粘連，導致目標層難以準確識別，引信計層準確性下降甚至失效。工程上準確計層起爆功能是打擊多層建筑物中高價值目標的關鍵，層間過載粘連是侵徹引信準確計層的瓶頸，從嚴重粘連過載中提取出清晰的目標過載層包絡，是實現準確計層起爆功能的解決途徑。

文獻[2]提出多層目標侵徹過載上疊加大量振蕩信號，研究了低通濾波法、積分消噪法等方法消除高頻振蕩信號。文獻[3]對多層侵徹過載信號粘連的成因進行了探索，提到了侵徹阻力的頻率與彈引系統的固有頻率接近時，傳感器的加速度響應出現時頻域信號粘連，濾波也難以得到侵徹穿層特征。以上文章均對多層目標過載的層間粘連達成共識，嘗試通過不同的方法解決，但是并未對過載層間粘連產生的內在機理給出解釋。研究發現，一般的低通濾波很難消除粘連、凸顯目標層特征，只有掌握了過載粘連的內在機理才能采取有效的消除粘連措施，否則其有效性和適應性難以評價。

針對戰斗部高速侵徹多層目標過程中引信測量的過載層間粘連并導致計層不準的問題，本文提出層間過載粘連的內在機理。

1 多層目標層間過載嚴重粘連

文獻[4]指出信號粘連是由于加速度傳感器信號中的兩種成分——彈體的剛體過載和彈體的振動響應粘連在一起引起的。文獻[5]認為彈丸侵徹下一層目標時由于上一層引起的應力波效應未完全衰減，傳感器的響應信號發生了粘連。文獻[6]認為引戰系統的諧振是造成過載信號產生振蕩的根本原因。文獻[7]高速侵徹時彈體結構響應衰減慢，導致粘連，并沒有對彈體結構響應衰減慢的機理進行研究。

從目前的研究可以看出彈體高速侵徹多層目標過載粘連得到共識，而且從傳感器感應、應力波衰減、引戰諧振、彈體結構響應等角度對粘連產生的機理進行嘗試，得到定性的分析，但是卻并未給出粘連產生的內在機理而且得到響應的量值驗證。

此外粘連過載信號處理方法也是研究的熱點之一。文獻[8]提出一種基于加速度傳感器和MEMS開關信號融合的計層算法，通過對加速度傳感器和MEMS開關信號分別與不同窗函數在時域中的卷積加權和得到的復合信號來判定彈丸侵徹過程中的分層特征。文中最后指出算法中使用的兩個加權系數需要更多試驗數據統計確定，表明該算法需要先驗數據。文獻[9]提出一種利用小波變換處理侵徹信號的方法，并未對多層侵徹過載信號的處理進行分析。文獻[10]提出一種利用加速度信號的Choi_Williams能量分布特征的層數識別方法，但是并未對粘連多層過載信號進行驗證，而且該方法的實時實現不明確。

由此可以看到目前的研究雖然探索了多種粘連過載處理的方法，但是這些方法都是單純地進行過載的信號處理，并非基于明確粘連機理的措施，因此其在多層粘連過載驗證效果，對目標適用性以及便于工程實時實現方面尚有差距。

2 超高速侵徹引信多層目標過載層間粘連機理

2.1 過載層間粘連的機理及定性分析

本文通過對試驗彈侵徹多層靶板試驗中實測的過載進行分析，得到層間過載粘連產生的機理是：彈體高速侵徹多層目標過程中，作用在彈體上瞬間快速變化的沖擊力激發出沖擊應力波，該應力波沿著彈長方向來回傳播、反射并且反射波與行進波疊加，使得彈體侵徹每一層靶板時加速度傳感器感知到的過載信號上疊加了應力波傳播振蕩的信息，形成粘連過載信號中的高頻分量。彈體在相鄰兩層靶板間行進過程中，應力波仍在振蕩尚未衰減完畢，因此導致相鄰兩目標層之間的過載彼此粘連，沒有清晰的界限。

當彈體撞擊多層目標時，彈體前端受到強烈的沖擊，根據實測的過載曲線，沖擊過載在十幾個μs內就能達到數萬g。根據彈性力學理論，當作用于介質中各個微元體的動載荷在極短時間(ms、μs甚至ns)內達到很高數值，其應變率高達102～107s-1量級則在介質體內激發出應力波。

然而并不是任何侵徹過程都會在彈體內激發出應力波。125 mm試驗彈在侵徹多層目標過程中的過載曲線如圖1所示。從圖中可以看到三層目標過載包絡清晰，每層過載之間沒有粘連。

圖1 125 mm模擬試驗彈侵徹3層過載曲線Fig.1 3-layer overload curve of penetration of aimulated test projectile

通過對不同試驗彈、不同侵徹條件下實測多層目標侵徹過載的分析，認為彈體侵徹多層目標過程中，在彈體內能否激發出應力波與以下條件有關：介質體瞬間應變率dξ/dt，侵徹彈的彈形L/D，侵徹速度V，彈體在相鄰兩層目標之間自由飛行的時間τ有關。即彈體內應力波激發的條件為：

(1)

式(1)中，介質體瞬間應變率dξ/dt與材料的本構關系直接相關，彈體在相鄰兩層目標之間自由飛行的時間τ與侵徹速度V和侵徹彈長L相關。彈體只有在高速侵徹多層目標時受到瞬間突變的沖擊過載作用，彈體內微元才能產生瞬間的高應變率。低速大長徑比的侵徹彈、高速小長徑比的侵徹彈在侵徹過程中難以在彈體內激發出應力波，也不會出現dξ/dt與V相關聯，也與侵徹彈的長徑比音速或者亞音速侵徹多層目標時，不會激發應力波，不會出現層間過載粘連。

侵徹彈的長徑比對應力波的激發具有明顯的影響，短粗彈侵徹過程中很難在彈體內激發出應力波，而長徑比大的彈更容易激發出應力波。侵徹彈短，即使激發出應力波，其傳播行程短，幾個傳播周期內很快耗散能量，應力波在短時間內很快衰減，不會產生兩個波之間的疊加，不會導致層間過載粘連。應力波到達材料的界面時發生反射和透射，并在介質材料中發生入射波和發射波間復雜的相互所用，形成應力波傳播、反射和相互作用的過程，即應力波在彈長方向上傳播、反射、再傳播、再反射。

根據以上分析可以得到：應力波沿著彈長來回傳播形成多層侵徹過載上疊加的高頻振蕩，即形成了層間過載的粘連。依據該分析則有侵徹過載中小振蕩脈沖的頻率f為：

(2)

式(2)中，L是彈長，Ce是應力波(一維縱波)在鋼體中傳播的速度。

2.2 過載層間粘連的機理及定量表述

戰斗部以2.5Ma侵徹7層鋼筋混凝土靶板的實測過載如圖2所示。從圖2中可以看到多層目標侵徹過載嚴重粘連。通過分析，可以看到每層目標侵徹過載由數個小振蕩包絡組成，根據兩層過載之間的時間計算應力波振蕩的頻率為1.538 kHz。對7層實測過載的頻譜分析如圖3所示。

圖2 戰斗部侵徹7層靶的實測過載曲線Fig.2 Measured overload curve of warhead penetrating 7-layer target

圖3 戰斗部對7層靶的實測過載的頻譜Fig.3 Spectrum of measured overload of warhead to 7-layer target

從圖3中可以看到1.53 kHz和1.547 kHz是兩個高頻成分，距離很近，可以認為 1.54 kHz是該過載信號振蕩頻率。該侵徹彈體的長度為1.68 m，根據式(2)計算得到的振蕩頻率為1.532 kHz。由此可見，通過過載頻譜分析、依據振蕩脈沖數以及根據應力波沿著彈長方向傳播計算三個方法得到的侵徹過載振蕩頻率均一致。

通過以上彈體侵徹多層目標過程中，應力波的激發和傳播的定性分析、根據實測過載信號的定量計算，表明多層目標侵徹過載粘連的機理是：侵徹過程中彈體所受到的應力波沿著彈長方向傳播、反射和疊加形成，粘連信號的振蕩頻率能夠根據式(2)計算獲得。

2.3 過載層間粘連的消除方法

根據對多層實測過載分析得到粘連過載的振蕩頻率，根據該頻率進行低通濾波處理后的過載信號粘連得到有效的改善，能夠清晰得到信號的層過載。

同樣，根據粘連機理確定的式(2)，計算出圖2中7層實測過載的振蕩頻率為1.54 kHz ，以此頻率為截止頻率的低通濾波器及處理后結果如圖4所示。圖中可見，層間過載粘連與圖2相比得到很大的改善，目標層過載清晰可辨。

圖4 以圖2粘連過載振蕩頻率為截止頻率的低通濾波器及其處理后效果Fig.4 Low pass filter with the cut-off frequency of Fig. 2 conglutination overload oscillation frequency and its effect after processing

3 消除過載層間粘連方法驗證

采用半實物仿真系統對粘連過載濾波處理方法進行仿真驗證。引信半實物系統由仿真計算機、引信電路、信號轉換裝置等構成。根據式(2)由彈體長度和應力波傳播速度計算得出振蕩頻率，作為7層粘連過載低通濾波的截止頻率。起爆控制電路根據該截止頻率對輸入的侵徹加速度信號進行濾波，獲得層識別信號。

半實物仿真系統首先將多層靶板侵徹加速度數據輸入到信號轉換裝置，得到多層靶板侵徹加速度模擬信號，得到符合要求的數據格式和大小。將該信號作為激勵輸入到起爆控制電路。起爆控制電路對輸入的模擬加速度信號進行實時采集和信號處理并進行有效層包絡識別和計層起爆控制，通過示波器監測信號輸出。圖5是7層實測粘連過載經起爆控制模塊濾波后的半實物仿真結果，圖6是12層實測粘連過載裝定10層起爆的半實物仿真結果。

圖5中上半部分是實測的多層目標侵徹粘連過載信號，圖中短脈沖信號是計層引信起爆控制模塊發出的層識別標識信號，每識別到一層目標則給出一個層識別標識信號。從圖中可以看到起爆控制模塊能夠準確地識別到每層目標。圖6中黃色曲線是實測的12層目標侵徹粘連過載信號，圖中橙色信號是計層引信起爆控制模塊發出的層識別標識信號，每識別到一層目標則給出一個層識別標識信號。從圖中可以看到起爆控制模塊能夠準確地識別到每層目標，并在10層目標后輸出計10層起爆信號。通過對多層目標侵徹過載中粘連機理分析，得到振蕩頻率，依據該頻率對粘連過載進行低通濾波處理后，粘連得到有效改善，凸顯層包絡，引信能夠實現準確地進行目標層識別和計層起爆控制。

圖5 7層目標粘連過載半實物仿真結果Fig.5 Hardware in the loop simulation results of 7-layer target adhesion overload

圖6 12層目標粘連過載裝定10層起爆半實物仿真結果Fig.6 Hardware in the loop simulation results of 12 layer target conglutination overload setting and 10 layer initiation

4 結論

本文提出超高速侵徹引信多層目標過載層間粘連機理，對實測過載信號包絡進行細節分析，過載粘連是由于彈體高速侵徹瞬間產生的應力波在彈軸方向來回傳播和疊加造成，粘連過載的主頻頻率是應力波傳播的頻率。仿真驗證結果表明該機理能夠指導粘連過載的信號處理方法，根據過載粘連機理設計的濾波方法能夠有效消除層間粘連，凸顯層包絡，為解決過載層間粘連導致引信計層精度下降的問題提供關鍵技術支撐。