高速侵徹戰斗部終點彈道和引信過載特征

杜長河,李彩芳,賀一軒,邵志豪,張 珂,李 蓉

(1.機電動態控制重點實驗室,陜西 西安 710065;2.西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

現代戰爭中,高速侵徹彈藥對地面多層建筑、飛機洞庫、地下指揮所、地下導彈發射庫等深藏高價值硬目標和航母、驅逐艦等大中型水面艦船進行有效打擊可以迅速摧毀敵方的有生戰斗力量,甚至達到扭轉戰局的效果[1-2]。侵徹引信實時探測目標環境信息并進行信號處理,控制侵徹彈藥在預定最佳炸點位置起爆,可實現對打擊目標的最大毀傷效應[3]。

提高動能侵徹戰斗部速度可以顯著提升彈藥的侵徹能力,但同時也給引信帶來更為惡劣的生存環境和更加復雜的目標信息。引信過載信號疊加大量振蕩信號,高頻振蕩將目標層信息淹沒,層間過載彼此粘連,無法精確地辨識目標層[4]?？萍既藛T采用不同方法對過載粘連進行解析和信號處理,以實現侵徹引信在打擊多層硬目標時的精準計層。文獻[5]對硬目標侵徹引信炸點控制方法進行了綜述。文獻[6]總結了國內外侵徹多層硬目標領域的引信研究現狀,并分析了多層硬目標侵徹引信所涉及的侵徹信號獲取與處理方式、計層算法研究及實現等關鍵技術。文獻[7]基于侵徹過載數值仿真進行了侵徹引信計層起爆控制算法設計,提出采用彈丸識別入靶過載信號后短時屏蔽計層功能的方法實現目標正確計層。文獻[8]對侵徹戰斗部-引信系統進行了動力學建模仿真。文獻[9]分析了基于應力波衰減材料的侵徹引信目標層特征凸顯方法。

目前,對侵徹引信研究尚缺少高速侵徹戰斗部打擊硬目標時的終點彈道和引信過載特征分析,其中戰斗部穿靶歷程和戰斗部速度、引信動態過載的時空對應規律研究尤其匱乏。實際上,新一代硬目標靈巧引信和智能侵徹引信的創新研制需要準確可靠的戰斗部穿靶和引信過載基礎數據與力學響應機理作為有效支撐。本文基于大型戰斗部侵徹多層混凝土靶板和堅固厚靶典型硬目標場景,建立了包含戰斗部外殼、炸藥、引戰結構、引信、目標靶板的有限元仿真模型,分析了戰斗部終點彈道變化和靶板破壞形態,給出了戰斗部典型穿靶狀態與戰斗部速度、引信過載的對應關系,以期為侵徹引信基礎研究與創新應用提供技術參考。

1 基本概念和原理

侵徹戰斗部高速撞擊硬目標時,產生高壓力使目標和戰斗部發生變形造成破壞,戰斗部擠壓目標材料形成彈孔或貫穿目標。侵徹過程和破壞效果同戰斗部的材料力學性質、結構、著速、著角、目標的材料力學性質和結構有關。侵徹終點彈道主要描述彈丸或戰斗部在侵徹目標歷程的運動規律、對目標的作用機理及破壞效應。侵徹引信作為侵徹彈藥的起爆大腦,感知目標和環境信息,并控制彈藥在最佳位置實施起爆達到預定毀傷效果。侵徹引信加速度過載作為起爆控制算法中重要的參考物理量,蘊含侵徹戰斗部在終點彈道中的穿靶計層信息。設計侵徹引信起爆控制算法,需要戰斗部侵徹終點彈道和引信過載特征的數據支撐。尤其在戰斗部高速或超高速侵徹狀態下,引信過載呈現高頻振蕩特征,常規起爆識別算法可能會造成控制失效,更需要加深對侵徹引信過載特征的認識。

2 侵徹戰斗部終點彈道和引信過載

2.1 數值計算方法

為了保證研究結論具有通用性,本文選取1 200 kg大型戰斗部侵徹4層混凝土靶板和9 m混凝土厚靶硬目標為研究對象。圖1給出1 200 kg戰斗部侵徹混凝土靶標模型。如圖所示,戰斗部包含外殼、炸藥、引戰連接結構和侵徹引信4部分。對于4層混凝土靶板,靶板抗壓強度C45,厚度(0.3+0.18×3) m,靶板幅面3 m×3 m,靶板垂直間距為3.5 m,靶板傾角80°;對于9 m混凝土厚靶,靶標抗壓強度C45,靶標長度9 m,靶標幅面3 m×3 m,厚靶傾角80°?？紤]到模型對稱性,建立1/2模型進行仿真計算,在不影響仿真精度的前提下對戰斗部進行幾何簡化清理。

圖1 1 200 kg戰斗部侵徹混凝土靶標模型

對1 200 kg戰斗部侵徹混凝土靶標模型進行有限元劃分如圖2所示。為了提高有限元仿真精度,采用六面體單元剖分方法。對單元進行光順處理以提升單元質量,保持戰斗部不同部件連接處單元密度一致以減小數據傳遞插值誤差。對靶標侵徹位置區域單元進行局部加密以準確捕捉侵徹過程中引信動態過載變化。本文進行了單元數量無關性驗證,最終確定侵徹4層混凝土靶板和9 m混凝土厚靶模型單元數量分別為183萬和386萬。

圖2 有限元單元劃分示意圖

戰斗部外殼材料為G50高強度鋼。炸藥選用雙線性隨動塑性材料模型,侵徹過程中不考慮炸藥爆炸效應。引戰連接結構和引信為鈦合金材料。表1給出戰斗部各組件材料模型參數。混凝土靶板選用HJC材料模型,采用kg-m-s單位制的材料模型參數如表2所示。定義合適的混凝土失效模型。

表1 戰斗部組件材料模型參數

戰斗部外殼與引戰連接結構、引戰連接結構和引信之間采用固連方式連接。戰斗部外殼與炸藥、炸藥與引戰連接結構、炸藥與引信之間采用面-面連接方式,可以承受壓力,承受拉力時面-面分離。戰斗部與混凝土靶板之間采用面-面侵蝕接觸模型,戰斗部侵徹混凝土靶板時會刪除達到失效標準的混凝土單元,戰斗部與刪除單元后的新表面形成面-面侵蝕接觸。采用縮減積分算法進行顯示動力學積分運算以加快計算速度,進行沙漏控制減小沙漏能輸出。

利用火箭撬實驗的戰斗部速度和引信過載數據進行1∶1的數值模擬來校核有限元仿真數值方法準確性。本文邊界和初始條件:戰斗部初始速度900 m/s,固定混凝土靶板四周,時間比例因子0.6,定義合適的數據輸出步長以有效捕捉戰斗部終點彈道變化和引信動態過載特征。

2.2 研究結果分析

2.2.1戰斗部侵徹4層混凝土靶板

戰斗部侵徹4層混凝土靶板對應打擊地面多層建筑作戰場景。圖3給出戰斗部侵徹4層C45混凝土靶板終點彈道與應力云圖。圖4給出4層混凝土靶板侵徹破壞形態。可以看到,大型戰斗部在高速侵徹過程中保持自身姿態不變,4層混凝土靶板對戰斗部侵徹姿態的影響有限。戰斗部卵型部區域直接與混凝土靶板發生侵徹撞擊,侵徹過程中此處應力水平最高。混凝土靶板出現明顯的孔洞擴張隧道區,隨后彈體頭部和混凝土背面間形成破碎塊沖塞。由于應力波傳遞機制,應力波動由彈頭向彈尾逐次傳播,并在戰斗部體發生反射和透射過程。戰斗部彈尾穿出靶板后,卵型部區域應力明顯下降。

圖3 戰斗部侵徹4層C45混凝土靶板終點彈道與應力云圖

圖4 混凝土靶板侵徹破壞形態

圖5給出侵徹4層C45混凝土靶板戰斗部速度曲線,圖中各時刻代表的典型穿靶過程物理含義如表3所示。對于戰斗部高速侵徹多層靶板,戰斗部速度呈現出明顯的階梯降低特征。彈尖碰靶后由于戰斗部在混凝土靶板進行開坑會受到明顯的阻力作用,戰斗部速度開始迅速降低。卵型部完全入靶后混凝土靶板形成完整的開坑隧道,侵徹此層混凝土靶板的戰斗部速度降低趨勢終止。在卵型部完全入靶到彈尾離靶區間內,戰斗部沿著開坑隧道前進,速度保持相對穩定。在彈尾離靶到彈尖碰下一層混凝土靶板區間內,戰斗部在空中自由飛行,速度繼續保持穩定狀態。

表3 侵徹4層C45混凝土靶板典型穿靶時刻

圖5 侵徹4層C45混凝土靶板時戰斗部速度曲線

圖6給出侵徹4層C45混凝土靶板引信加速度過載曲線。從圖中可以看到,戰斗部高速侵徹混凝土靶板,引信動態過載呈現明顯的高頻振蕩特征,難以準確進行層識別。這是因為戰斗部卵型部侵入靶板后由于彈靶之間發生劇烈撞擊,戰斗部內激發出應力波。應力波首次傳遞到引信位置處引起引信過載峰值激勵,而后應力波在戰斗部內不斷發生反射、投射等傳遞過程導致應力波逐漸衰減,引信過載曲線發生高頻振蕩,此時過載振蕩明顯低于過載峰值激勵,直至發生下一次彈靶撞擊并引起新的峰值激勵和振蕩。觀察圖6可知,引信加速度過載存在著4個過載峰值明顯高于前后過載振蕩幅值,峰值量級在40 000～50 000g,這與戰斗部高速侵徹4層混凝土物理過程相對應。由于侵徹引信安裝在戰斗部底部,彈尖區域碰靶首先激發應力波動而后傳遞到彈底引信位置需要一定時間,過載峰值位置出現在卵型部完全入靶ti2到彈尾離靶ti3的約前1/4區間時刻處。

2.2.2戰斗部侵徹9 m混凝土厚靶

戰斗部侵徹9 m混凝土厚靶對應打擊深埋高價值硬目標。圖7給出侵徹9 m C45混凝土厚靶戰斗部終點彈道和應力云圖。戰斗部以高速在混凝土厚靶進行開坑和形成隧道區,彈尖區域因為直接與混凝土侵徹前端接觸,戰斗部在靶內侵徹過程中此處應力水平最高。

圖7 侵徹9 m C45混凝土厚靶戰斗部終點彈道和應力云圖

圖8給出侵徹9 m C45混凝土厚靶戰斗部速度曲線。戰斗部在侵徹混凝土厚靶時速度變化較為平緩。自彈尖碰靶t1至彈尖出靶t4區間,戰斗部速度逐漸下降;隨著戰斗部侵入混凝土厚靶,戰斗部速度下降趨勢略有減緩;彈尖出靶t4至卵型部完全出靶t5區間,戰斗部下降速度放緩;卵型部完全出靶t5至彈尾出靶t6區間,由于混凝土隧道區完全形成,戰斗部速度保持不變。

圖8 侵徹9 m C45混凝土厚靶戰斗部速度曲線

圖9給出侵徹9 m C45混凝土厚靶引信加速度過載曲線。戰斗部侵徹混凝土厚靶過程中,引信動態過載高頻振蕩,過載峰值達9萬g量級?？梢钥吹?由于應力波在彈體內傳遞,彈尖碰靶t1至卵型部完全入靶t2區間內引信過載較低,卵型部完全入靶t2至彈尖出靶t4區間內引信過載劇烈振蕩,引信過載峰值出現在彈尾入靶t3時刻。彈尖出靶后引信過載迅速降低到較低水平。

圖9 侵徹9 m C45混凝土厚靶引信加速度過載曲線

3 數值計算驗證

以某全尺寸戰斗部侵徹多層混凝土靶板火箭撬動態試驗為基準,建立1∶1有限元仿真模型,進行數值計算驗證。動態試驗工況為1 200 kg戰斗部高速侵徹10層混凝土試驗,首層靶板厚度0.3 m,其余9層靶板厚度0.18 m,靶板垂直間距3.5 m。在高速侵徹試驗中,侵徹引信加速度傳感器獲取加速度過載信息,侵徹引信依據過載信號特征進行目標識別與炸點控制。對于侵徹引信加速度過載,最重要的過載特征為侵徹過載峰值、過載脈寬。基于2.1節數值計算方法,本文進行沖擊動力學有限元數值計算,并選取具有典型代表性的侵徹過載峰值、脈寬作為評價指標,比較試驗與仿真的過載特征以驗證數值計算方法正確性。圖10和圖11分別給出侵徹過載峰值、脈寬對比結果。可以看到,利用本文有限元仿真方法進行數值計算可以準確地對戰斗部侵徹多層混凝土及引信過載特征進行描述。

圖10 戰斗部侵徹多層混凝土靶板引信過載峰值對比

圖11 戰斗部侵徹多層混凝土靶板引信過載脈寬對比

4 結論

本文基于高速侵徹彈藥打擊地面多層建筑與深埋高價值硬目標場景,建立了包含戰斗部外殼、炸藥、引戰結構、引信和目標靶板的有限元仿真模型,分析了戰斗部終點彈道特性、混凝土靶板侵徹破壞形態和引信動態過載特征,研究了戰斗部穿靶歷程和戰斗部速度變化、引信過載的時空對應規律,主要研究結論如下:

1) 戰斗部高速侵徹4層C45混凝土靶板時,混凝土靶板出現明顯的隧道區,卵型部直接與靶板撞擊導致應力最高。戰斗部速度呈現出明顯的階梯降低特征,在彈尖碰靶至卵型部完全入靶區間戰斗部速度開始迅速降低,而后在彈尖碰下一層靶板前速度保持相對穩定。引信動態過載呈現明顯的高頻振蕩特征并存在4個過載峰值,過載峰值位置出現在卵型部完全入靶到彈尾離靶的約前1/4 區間時刻處,可為依據引信過載曲線設計識別與起爆算法并最終控制戰斗部在最佳位置實施起爆提供理論基礎和數據支撐。

2) 戰斗部高速侵徹9 m C45混凝土厚靶時,戰斗部在混凝土厚靶進行開坑和形成隧道區,彈尖碰靶至彈尖出靶區間戰斗部速度逐漸下降,隨著戰斗部侵入混凝土厚靶戰斗部的速度下降趨勢略減緩。卵型部完全入靶至彈尖出靶區間內引信過載劇烈振蕩,引信過載峰值出現在彈尾入靶時刻。