基于激光近感探測的遠距離捕捉網彈設計

鄒攀攀，劉加凱，王 婭

(武警工程大學 裝備管理與保障學院，西安 710086)

1 引言

捕捉網又叫抓捕網，是以撒網方式捉拿目標的非致命武器，在國內外遂行各項使命任務中能夠發揮奇效[1-3]。傳統捕捉網原理簡單、安全可靠，對目標無傷害，但運用捕捉網遂行任務時，由于在發射后捕捉網隨即張開，使得速度衰減極快，其有效作用距離短，容易造成目標逃脫，不能夠實現遠距離精準抓捕，國內外捕捉網有效作用距離通常為10～30 m[4]。

本研究中基于激光近感探測的遠距離捕捉網彈是使用38 mm防暴槍進行射擊，利用激光近感探測引信實現彈體在距離目標固定距離上爆炸，使用二次爆炸后張開的捕捉網對目標實施較低程度的打擊(抓捕和控制)的一種造價較低但實用性更高的彈藥，有效作用距離可達70 m。

2 捕捉網彈總體設計

結合捕捉網彈的任務需要，分析各部分的結構組成以及工作原理、性能特點等，研究遠距離捕捉網彈各部件之間的關系，在參考當前38 mm槍發式防暴彈藥的基礎上，對遠距離捕捉網彈進行總體設計[5-6]，如圖1所示。

圖1 彈體外觀效果圖Fig.1 Exterior rendering of the projectile body

工作原理：捕捉網彈在發射火藥點燃后產生的高溫氣體的推力的作用下飛向目標，同時探測器開關啟動，激光探測器開始供電；防暴彈彈體在飛行的途中，處于彈體前端的探測器利用不斷發射的高頻激光來探測飛行中的網彈與目標之間的距離，當網彈彈體飛行到距離目標固定距離時(考慮到捕捉網完全張開的時間以及張開的速度，距離設定為4～5 m)，激光探測器接收到返回波后，瞬間向電點火頭發出點火信號，接著點火頭點燃彈體火藥，彈體爆炸進而將捕捉網發射，捕捉網會在瞬間張開從而捕獲或限制目標。

3 捕捉網彈關鍵部件設計

3.1 激光近感探測引信設計

根據遠距離捕捉網彈對測距準確度、質量、體積和成本的要求，合理地設計激光近感探測引信的結構尺寸，確定合適的激光近感探測引信的定距距離和反應靈敏度，合理確定起爆時機[7-8]。研究激光近感探測引信的信號處理電路，使處理后的目標信號能夠準確形成防暴彈的起爆信號。激光近感探測引信可采取幾何截斷定距探測式激光探測器，具有結構簡單、精確度較高以及售價便宜的特點，其探測原理如圖2所示。

由圖2中右圖看出，從T1位置光束反射回來形成的光斑T1′處于探測器的處理范圍之外，而當彈體與目標的之間的距離為T2時，反射的激光束光斑T2′進入探測器的處理范圍，此時光電探測器就能將接收到信號進行光—電的轉化，而后電信號經過處理后便可形成啟動信號。T2處與激光探測器的距離即為激光探測器的定距距離L，其計算公式為

圖2 激光幾何截斷定距探測原理圖Fig.2 Schematic diagram of laser geometric truncation distance detection

(1)

式中：d為兩準直透鏡軸線的距離；α為激光發射器射出光束同目標、探測器連線之間所形成的夾角。調節激光發射器和光電探測器的相對位置就可以改變激光探測器的定距距離L[9]。信號處理電路是激光近感探測引信發揮作用的關鍵部分，主要由微處理器和比較器組成[10-12]。激光近感探測引信的微處理器使用8051單片機，比較器使用PC2530比較器，都擁有較好的可靠性[13-15]，信號處理電路示意圖，如圖3所示。

圖3 激光近感探測引信中的信號處理電路Fig.3 Signal processing circuit in laser proximity detection fuze

3.2 電源、彈筒、底火、發射裝藥設計

遠距離捕捉網彈的電源選擇蓄電時間長、儲能密度高、體積小、質量輕、自放電小的鋰電池；彈筒、底火和發射裝藥部分可參考防暴槍和發射器發射防暴彈藥的結構和設計方法來進行設計。

3.3 安全與解除保險裝置設計

安全與解除保險機構安裝于彈體系統中，用于保證捕捉網彈平時的安全性和作用過程的可靠性。在平時狀態下，彈丸處于保險狀態，電源處于未激活狀態；當發射后，安全與解除保險機構在后坐力和離心力作用下解除保險，電源激活并在解除保險后向激光探測器供電。

3.4 捕捉網設計

捕捉網從飛行中的戰斗主體彈體中拋出，在空中瞬間張開至足以罩住目標的大小，借助慣性向前繼續運動直到將目標纏繞并牢牢束縛住，使之行動受限或失去行動能力。

3.4.1捕捉網材料

目前比較合適的高強度纖維材料有2種，一種是凱夫拉，另一種是迪尼瑪，如表1所示。

表1 幾種高強度纖維的性能比較Table 1 Comparison of properties of several high strength fibers

通過對比2種材料的優缺點對于捕捉網的實際影響，決定選擇凱夫拉材料制作捕捉網。

3.4.2捕捉網面積

根據設計要求和設計原則，結合實戰需要充分發揮性能，經過查閱相關資料以及在前人研究的基礎上，最終決定選用10 m2左右的捕捉網[16]。

3.4.3捕捉網形狀

現有的捕捉網主要有四邊形、圓形、六邊形和八邊形[17]。四邊形網在捕網發射出來后如果有1～2個牽引頭出現初速慢或方向偏移的情況，極有可能會對捕捉網的張開、方向造成較大影響；八邊形由于牽引頭數量較多，在出網的瞬間可能因為發射者跑動或其他原因造成牽引頭纏繞導致發射失敗。對比圓形和六邊形捕捉網，因為六邊形網可由三角形組成，有更加穩定的結構，捕捉效果更出色。綜合以上分析，更為合適的選擇為六邊形捕捉網。

3.4.4網孔大小

參考《中國成年人人體尺寸(GB10000—88)》，普通成年人頭部周長平均為56～58 cm，16～60周歲的男性的肩寬平均為37.5 cm，18～55周歲的女性的肩寬平均為35.1 cm。選取網體中間段長度為35 cm，最外側邊長為2 m，通過計算得出網體面積為10.38 m2，如圖4所示。之所以選擇網體中間段長度為35 cm，考慮到即使外側網孔大于人體平均肩寬，捕捉網的有效作用面在網體中心附近位置，仍然能夠將目標完全罩住；同時，要兼顧網孔大小，如果網孔設計過密，將會增加網體質量，影響飛行速度。因此，捕捉網的疏密程度以35 cm為參考標準進行設計，能夠最大限度滿足要求。

圖4 捕捉網展開示意圖Fig.4 Diagram of capture net expansion

3.5 牽引塊設計

為了使牽引塊更容易將彈筒擊碎，而又不至于對目標造成傷害，牽引塊靠近彈筒一端采取圓錐體設計，牽引塊前端直徑初步設計為5 mm，如圖5所示。

圖5 牽引塊結構示意圖Fig.5 Diagram of traction block structure

牽引塊系于六邊形捕捉網的各頂點，置于拋撒裝置前端的凹槽內，如圖6所示。

圖6 拋撒裝置結構示意圖Fig.6 Diagram of spreader structure

4 效能分析與仿真

分析捕捉網在空中飛行時的受力情況，對捕捉網作用效能進行仿真[18-19]。

4.1 捕捉網彈的應力分析

4.1.1牽引塊的受力分析

牽引塊在飛行過程中主要受3個力的作用，即空氣阻力F，牽引繩拉力R，重力G。牽引塊受空氣阻力F方向與飛行方向相反，空氣阻力F大小可表示為：

(2)

牽引塊迎風面積S大小可表示為：

(3)

式中：ρ為空氣密度；v為飛行速度；S為迎風面積；Cx為空氣阻力系數；d為牽引塊前端直徑。

牽引繩拉力R大小可表示為：

(4)

式中：zmax為張力極限；L為拉伸線性比；ε為應變；W為單位長度抗拉能。

4.1.2捕捉網受力分析

捕捉網在牽引塊拉力帶動下飛行過程中，共受到4個力作用，即牽引塊拉力Rf；放線阻力f；空氣阻力FZ；捕捉網的重力mg。牽引塊拉力Rf的方向與牽引頭飛行方向相同；放線阻力與放線方式有關，在計算中忽略不計；空氣阻力FZ大小可表示為：

(5)

式中：S為捕捉網網體面積；Cxf為捕捉網與空氣間的摩擦阻力系數。

4.2 捕捉網張開的模擬仿真

根據已有的網繩材料非線性數據，設置建模仿真基本參數[20-21]，如表2所示。

表2 網體建模仿真基本參數Table 2 Basic parameters of mash modeling and simulation

網的各頂點分別配置一個牽引塊，通過牽引線與網相連。主要研究網體在發射后，在牽引塊作用下飛行的這段過程，網體的選擇易采用柔性和非線性因素，材料選用高強度、防灼燒、密度低的凱夫拉纖維絲繩。基于以上要素進行仿真，得出如圖7所示結果。

根據仿真要求，捕捉網在空中受到爆炸沖擊力后，牽引塊帶動網體張開飛向目標，如圖7(a)所示，張開到最大面積并且不斷接近目標，如圖7(b)所示，最終捕獲目標進行纏繞，如圖7(c)所示。通過模擬仿真結果可以看出，網體在空中飛行過程中，能夠有效反映出捕捉網的作用效能。

圖7 網體仿真運動狀態圖Fig.7 Network body simulation motion diagram

5 結論

針對傳統捕捉網系統作用距離近、捕捉效果差等問題，提出了一種基于激光近感探測原理的遠距離捕捉網彈設計方法，并通過仿真驗證該方法的有效性。所設計的遠距離捕捉網彈能夠最大限度發揮捕捉網效能，實現了對目標遠距離實時捕捉功能，為執法部門遂行執勤、處突任務提供裝備支撐。