多種侵徹環(huán)境的彈藥炸點控制研究

胡曉東,熊 偉，蔣學喬，芮 亮，趙保全

(重慶紅宇精密工業(yè)集團有限公司， 重慶 402760)

1 引言

隨著目標防護能力的不斷增強，侵徹彈藥的需求日趨增多，而侵徹彈藥作戰(zhàn)效能發(fā)揮的關鍵是穿入目標內(nèi)部的特定位置爆炸。因此，如何實現(xiàn)彈藥有效侵入目標，并在目標內(nèi)部爆炸，已成為行業(yè)研究熱點。特別是近年來，作戰(zhàn)使用方根據(jù)實戰(zhàn)需要，對侵徹彈藥提出既能適應多種打擊目標，又能適應多種彈目交會條件的新要求，將炸點控制研究推向新高潮。

2 多種侵徹環(huán)境特點分析

侵徹彈藥的打擊目標主要有鋼甲類和工事類，可細分為單層、多層、單介質(zhì)、多介質(zhì)等，而且目標的厚度還存在較大差別。如單層厚約50 mm鋼甲的大型艦船甲板、多層厚約10 mm鋼甲的艦船隔艙、單層厚約500 mm鋼筋混凝土的碉堡、“厚約1 000 mm土層+厚約6 000 mm鋼筋混凝土”的多層復合防御工事、多層厚約200 mm鋼筋混凝土的樓宇等。

由于彈目距離、目標狀態(tài)千差萬別，導致彈目交會條件多樣，體現(xiàn)在侵徹方面的變化主要是著角和著速的波動，有的侵徹彈藥著角波動達幾十度，著速波動達數(shù)百米。

綜上，侵徹環(huán)境的變化主要涉及目標介質(zhì)的類型、厚度，彈目交會的角度、速度等參數(shù)，各種狀態(tài)的組合將導致侵徹工況多樣，其侵徹過程中的特點也有較大差別。以800 m/s著速、30°著角侵徹20 mm鋼甲和600 mm鋼筋混凝土為典型工況為例，以彈頭部、中部和尾部為3個典型監(jiān)測點，仿真計算得到侵徹速度與時間的關系、侵徹過載與時間的關系，分別見圖1、見圖2。

圖1 侵徹速度曲線Fig.1 Relationship between penetration velocity and time

圖2 侵徹過載曲線Fig.2 Relationship between penetration overload and time

由圖中得到侵徹鋼甲目標的時間為0.6 ms、速度衰減為54 m/s、3個典型點的彈體最大平均過載35 534，侵徹鋼筋混凝土的時間為1.5 ms、速度衰減為192 m/s、3個典型點的彈體最大平均過載27 662。進一步表明，僅目標介質(zhì)變化就對侵徹時間、過載、速度衰減等參數(shù)產(chǎn)生較大嚴重，若考慮速度波動、著角波動，以及多層、多介質(zhì)結(jié)構(gòu)的侵徹環(huán)境，其影響將更大。故炸點控制設計時需高度關注侵徹環(huán)境的影響，必須覆蓋所需打擊的目標及彈目交會條件，才能實現(xiàn)最佳毀傷效果。

3 炸點控制技術應用分析

侵徹彈藥的炸點控制一般以引信為載體，通過增加計時、計層、計行程、介質(zhì)識別、空穴識別等功能來實現(xiàn)。無論是哪一種功能，其本質(zhì)上都屬于觸發(fā)延期起爆，包括固定延期、可裝定延期，以及具有目標特性識別能力的智能可編程延期等起爆模式。

其中，固定延期起爆模式通常采用慣性觸發(fā)元件感知侵徹過載，并通過固定延期的電火工品或延期電路，實現(xiàn)靶后延期起爆，如美國FMU-143B/B引信；可裝定延期起爆模式通常采用對沖擊敏感的觸發(fā)元件感知侵徹過載，并通過可編程延期控制電路或單片機實現(xiàn)靶后可變延期起爆，如法國MAFIS引信；智能可編程延期起爆模式通常采用對沖擊敏感的觸發(fā)元件感知侵徹過程的動態(tài)信號，并比對目標特征參數(shù)判定目標類別，以實現(xiàn)對多層、多介質(zhì)等復雜目標的智能打擊，是侵徹彈藥引信的重要發(fā)展方向，如德國的PIMPF引信。

分析三類延期起爆模式工作原理可知，固定延期起爆模式具有實現(xiàn)簡單、可靠性高的優(yōu)點，但存在延期時間不可改變，目標適應性差等缺點，可廣泛應用于低成本的無控彈藥；可裝定延期起爆模式能根據(jù)打擊目標特性提前進行時間裝定，具有目標適應性強的優(yōu)點，但存在作戰(zhàn)規(guī)劃要求高，彈藥必須具有裝定功能等缺點，可廣泛應用于具有裝定功能的制導彈藥；智能可編程延期起爆模式能根據(jù)目標特性實時裝定延期時間，具有更高的目標適應性和炸點控制能力，但存在抗高過載要求高、抗干擾要求高及成本高等缺點，可應用于高價值、多用途的先進侵徹彈藥。

4 延期起爆設計與驗證

4.1 典型彈藥侵徹工況及仿真分析

以105 mm炮彈為典型，彈重為15 kg，長徑比為6，采用彈底引信，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 彈丸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of projectile structure

根據(jù)彈道及目標分析，設定表1中的8種侵徹工況。

表1 典型彈藥侵徹工況Table 1 Typical ammunition penetration conditions

就表1各種侵徹工況采用LS-DYNA軟件進行仿真計算。其中，彈體為30CrMnSiA，船用鋼為907A，材料模型均采用Johnson-Cook；鋼筋混凝土采用直徑6.5 mm的鋼筋，并按3層125 mm×125 mm網(wǎng)格的均布排列，材料模型采用Johnson-Holmquist-Concrete，著角為彈軸與靶標法線方向夾角，不考慮攻角。由此得到表2所示的侵徹時間、余速及引信位置的最大過載。

表2 各種侵徹工況下的計算值Table 2 Calculation data under various penetration conditions

4.2 延期起爆設計及參數(shù)設定

根據(jù)3種炸點控制技術，以靶后3 m內(nèi)起爆為目標，對105 mm炮彈進行3種延期起爆設計。

1) 固定延期起爆設計

固定延期起爆設計的關鍵在于觸發(fā)過載閾值和延期時間。對于過載閾值設計，一是要確保彈道安全；二是要兼顧各種侵徹工況；三是要確保具有高靈敏度，具體值可根據(jù)實際情況設定。對于延期時間設計，一是延期零點盡可能靠前，降低引信抗高過載設計的難度；二是時間精度盡可能高，盡可能采用高精度的延期火工品或電路；三是兼顧所有侵徹工況，盡可能確保各種工況都能在目標內(nèi)部爆炸。

根據(jù)以上原則，可以峰值過載的10%為閾值，以觸靶為時間零點，按靶后直線彈道3 m距離起爆點為延期時間，計算得到表3中各種侵徹工況的過載閾值及延期時間。分析表3的數(shù)據(jù)可知，過載閾值只能選擇8種侵徹工況中的最小值，即1 094；但延期時間若設定為4.47 ms，因第7和第8種侵徹工況的侵徹時間已大于此值，會出現(xiàn)靶中炸現(xiàn)象，無法實現(xiàn)靶后炸要求；若將延期時間增大，靶后彈丸飛行距離會超過3 m，可能導致彈丸二次碰擊目標，對彈丸及引信強度設計帶來更大難度。由此表明固定延期起爆有時將無法滿足所有侵徹工況，延期時間設計可根據(jù)主要的打擊目標及彈目交會條件做一定取舍。

表3 各種侵徹工況下的觸發(fā)過載閾值及延期時間Table 3 Trigger overload threshold and delay time under various penetration conditions

2) 可裝定延期起爆設計

可裝定延期起爆與固定延期起爆類似，主要差別在于侵徹彈藥需具備裝定功能，且射擊前需根據(jù)目標特性及彈目交會條件進行裝定，不僅確保靶后炸，而且確保在目標內(nèi)部的特定位置炸，一般期望在目標內(nèi)部幾何中心炸。根據(jù)靶后 3 m內(nèi)起爆要求，按靶后1.5 m的幾何中心炸，計算8種侵徹工況的延期時間，具體數(shù)據(jù)見表4。實戰(zhàn)使用時，因目標特性、著速、著角等變化組合很多，難以根據(jù)各種組合來裝定不同的延期時間，一般選取有代表性的侵徹工況裝定特定的延期時間，實現(xiàn)在目標內(nèi)部幾何中心附近炸即可。

表4 各種侵徹工況下的靶后1.5 m炸延期時間(ms)Table 4 Delay time of 1.5 m behind target under various penetration conditions

3) 智能可編程延期起爆設計

智能可編程延期起爆設計的關鍵是判定彈丸出靶時刻和出靶速度。對于出靶時刻，可通過加速度傳感器感知卸載來判定，即可設定過載小于1 000時判定彈丸已出靶，以消除8種侵徹工況侵徹時間近10 ms的差別，確保百分之百的靶后炸；對于出靶速度，可對傳感器所測數(shù)據(jù)進行解算得到，再根據(jù)炸點要求計算延期時間，實現(xiàn)在目標內(nèi)部最佳位置爆炸。但由于引信需在侵徹過程中進行實時解算，對其抗過載性能和抗干擾性能要求高。

4.3 試驗

鑒于105 mm炮彈屬于低成本的定裝式彈藥，且為彈底引信，難以實現(xiàn)裝定；同時鑒于智能可編程受干擾因素多，解算復雜。故暫對固定延期起爆設計進行了驗證。

試驗時設定過載閾值為1 094 g，延期時間為4.47 ms，以后靶面為距離零點，向后為正，向前為負，采用高速攝像和標桿判定靶后炸點位置，共進行了14發(fā)有效試驗，其主要參數(shù)見表5，實際拍攝的典型炸點見圖4。

圖4 試驗典型炸點場景圖Fig.4 Typical explosion point of test

表5 各種侵徹工況下炸點的主要技術參數(shù)Table 5 Explosion point under various penetration conditions

分析表5中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實際炸點比理論炸點靠前，其原因主要有2個方面：一是時間零點為彈頭接觸靶標時，而引信處于彈底，故炸點的距離零點為彈底剛離開靶面，即需考慮一個彈身長的運動時間，可按彈長除以靶后余速得此時間；二是炸點判讀受高攝視場遠、爆炸火光及煙塵干擾等影響，特別是近靶爆炸的火光和煙塵影響非常大，不易精確判讀炸點位置。經(jīng)時間修正后，得到的修正炸點與實際炸點基本吻合，表明固定延期起爆設計方法的正確性。

5 結(jié)論

1) 固定延期起爆設計的關鍵在觸發(fā)過載閾值和延期時間。

2) 裝定延期起爆設計對侵徹彈藥總體和作戰(zhàn)規(guī)劃要求更高，可實現(xiàn)靶后特定位置炸，具有更高的作戰(zhàn)效能，其延期時間設計與固定延期起爆設計類似。

3) 智能可編程延期起爆設計對引信抗高過載性能和抗干擾性能要求高，但可通過傳感器準確解算彈丸出靶時刻和出靶速度，實現(xiàn)在目標內(nèi)部最佳位置爆炸。