电磁发射拦截系统拦截效果仿真

王成学,曹延杰, 李 军，李士忠

(1.海军航空工程学院，山东 烟台 264001；2.北京特种机电研究所，北京 100081)

1 发射装置工作原理

发射装置是电磁发射拦截系统的动力装置，其主要作用是为拦截弹提供足够的动能，使来袭目标毁坏或偏离航向，它的组成及工作原理如图1所示[1]。

从图1(a)可以看出，发射装置主要由平面螺旋状发射线圈、底座、绝缘材料和拦截弹组成。其中，发射线圈和拦截弹为导电性能良好的非磁性金属材料。发射线圈A-A′和B- B′相互垂直，分别与两个独立的高功率脉冲电源(电容器组C1、C2)和控制开关K1、K2相连，构成两个独立的放电回路。若K1、K2闭合，回路中将会有脉冲大电流通过，发射线圈周围会产生变化的强磁场，拦截弹内将产生感应电流，磁场与感应电流相互作用，使拦截弹受到很大的电磁力，在电磁力的作用下拦截弹以一定的速度飞向目标。通过控制装置调节两个放电回路(如图1(b)所示)的放电延时t1和t2，便可控制拦截弹的飞行方向。当线圈B-B′工作(t2=t0)，而线圈A-A′不工作(t1=∞)时，拦截弹将沿方向1飞行；而当线圈A-A′工作，线圈B-B′不工作时，拦截弹将沿方向5发射。在线圈A-A′和线圈B-B′同时工作的情况下，若t1=t2=t0，拦截弹将沿方向3飞行；若t1>t2，拦截弹将沿方向2飞行；若t1

2 碰撞过程仿真

2.1 碰撞姿态构想

以拦截弹与某型动能穿甲弹相碰撞的物理过程为例，分析拦截弹对来袭目标的碰撞效果。由于拦截弹与穿甲弹碰撞时的姿态及相对空间位置存在随机性，分析时假设拦截弹与穿甲弹相碰撞时的姿态如图2所示。图中穿甲弹头部与拦截弹接触面的位置位于拦截弹顶面中心，穿甲弹轴线在拦截弹顶面的投影与顶面长对称线重合。为了分析碰撞角度变化对碰撞效果的影响，选取穿甲弹轴线与其在拦截弹顶面投影的夹角а(即碰撞角度)分别为30°、45°和60°3种情况进行仿真。

2.2 仿真模型

拦截弹与穿甲弹相碰时的物理模型如图2所示。图中，穿甲弹弹芯直径为25 mm，杆长为700 mm，材料为钨合金；拦截弹端面为梯形，长边170 mm，短边20 mm，高度100 mm，厚度100 mm，斜边与上下两底边线的夹角为45°，材料为导电性能良好的铝合金。模型的材料特性参数如表1所示。

表1 模型材料参数

表1中：ρ为材料密度；E为弹性模量；σ为材料的屈服强度；G为剪变模量；μ为泊松比。

碰撞过程中，穿甲弹轴线在拦截弹顶面的投影与拦截弹的对称面重合，因此，为节省时间，分析时可以只建立二分之一模型。为了提高分析效率，采用APDL语言编制仿真程序，建立拦截弹与穿甲弹的有限元模型，用Johnson-cook材料模型和Grüneisen状态方程[4]进行拦截弹对穿甲弹碰撞效果的计算。计算时，在拦截弹模型的对称面施加法向对称约束条件，穿甲弹与拦截弹之间采用*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE接触算法[5]。仿真的总时间为100 μs。分析时，假设拦截弹在碰撞前的速度为270 m/s，动能穿甲弹的速度约为1720 m/s。

2.3 仿真结果及分析

碰撞过程中，拦截弹与穿甲弹的应力及状态变化情况如图3所示。

从图3中可以看出，拦截弹与穿甲弹相碰过程中，拦截弹体经历了开坑、侵彻直至穿透的整个破坏过程。在开坑阶段，穿甲弹与拦截弹开始接触时，产生的碰撞应力很大，所产生的应力波向穿甲弹弹体和拦截弹弹体迅速扩散。由于碰击应力很大，远远超过了拦截弹与穿甲弹的屈服强度，使得穿甲弹头部发生变形、破碎，而拦截弹体则凹陷、破坏并逐渐成坑。在侵彻阶段，穿甲弹和拦截弹弹体在压缩及反射拉伸波的作用下而破坏，穿甲弹头部逐渐变形、钝化、破碎，而拦截弹体则不断地发生侵蚀破坏，并发生撕裂、破碎现象，产生的碎块从坑口跳出。由于拦截弹具有竖直向上的初速度，侵彻孔壁与穿甲弹杆部的接触部位逐渐磨损，使得拦截弹体的侵彻孔逐步增大。对于3种不同的碰撞角度来说，虽然碰撞前穿甲弹与拦截弹的速度相同，但由于碰撞角度不同，穿甲弹穿透拦截弹的时间也不相同，角度越小，穿透拦截弹所经历的时间越长。

图4和图5所示为碰撞过程中穿甲弹和拦截弹速度随时间变化的规律。

从图4和图5可以看出，穿甲弹与拦截弹的碰撞过程中，穿甲弹的速度逐渐减小，但期间速度的变化率却不相同。在开坑阶段，穿甲弹速度曲线的斜率较小，速度的变化率也较小。这是因为：开坑阶段，穿甲弹头部与拦截弹顶部的接触过程为由点到面逐渐增大，同时穿甲弹头部的变形也较小，所以弹体受到的阻力相对较小。当开坑结束转变为侵彻过程时，随着穿甲弹头部变形和破损的不断加剧，弹体所受的阻力也不断增大，穿甲弹的速度衰减较快，而随着侵彻过程的进行，拦截弹体未侵彻的部分越来越小(如图3(a)中t=72 μs所示)，穿甲弹所受阻力也逐渐减小，当拦截弹体被穿透后，穿甲弹弹头部的侵彻阻力消失，穿甲弹所受的阻力仅为侵彻孔壁与穿甲弹杆部的摩擦阻力，所以穿甲弹的速度变化较小，这时穿甲弹的速度曲线出现了明显的弯折现象。

从碰撞效果来看，碰撞角度为30°时，穿甲弹的速度由1 720 m/s减至1 679 m/s，降低41 m/s，动能减少4.7%，同时，穿甲弹的运动方向偏转3.5°；碰撞角度为45°时，穿甲弹的速度由1 720 m/s减至1 677 m/s，降低43 m/s，动能减少4.9%。同时，穿甲弹的运动方向偏转3.1°，碰撞角度为60°时，穿甲弹的速度由1 720 m/s减至1 676 m/s，降低了44 m/s，动能减少5.0%。同时，穿甲弹的运动方向偏转2.85°。穿甲弹与拦截弹碰撞，头部变形、破碎，速度降低，再碰撞到装甲车辆钢板后，穿甲深度将大大降低。

而对拦截弹来讲，碰撞后，在侵彻部位弹体被贯穿成孔，拦截弹的速度减小。入射角为30°、45°和60°时，拦截弹的速度由270 m/s分别减至236 m/s、243 m/s和247 m/s。

假设拦截弹在距装甲车辆10 m处与穿甲弹相碰撞，碰撞后，穿甲弹的运动方向偏转角度越大，穿甲弹在触及装甲车辆时偏转距离将越大，使穿甲弹偏离装甲车辆的可能性也越大。碰撞角度为30°时，运动方向偏转3.5°，穿甲弹在触及装甲车辆时将偏转1.6 m，使穿甲弹偏离装甲车辆的可能性增大。

3 构材料变化对碰撞效果的影响

拦截弹对来袭目标的碰撞效果，除了与碰撞姿态有关外，还与拦截弹的材料密切相关。为了分析拦截弹材料变化对穿甲弹碰撞效果的影响，将拦截弹设计成复合结构，由钢和铝合金钢材料复合而成，其结构如图6所示，图中h表示钢的厚度。仍以图2中的碰撞姿态为例，假定碰撞角度α为30°，穿甲弹的入射速度和拦截弹的初速度分别为1 720 m/s和270 m/s的条件下，分别在拦截弹钢材料的厚度为1 cm、2 cm和3 cm的情况下，对拦截弹与穿甲弹的碰撞过程进行了分析，图7所示为与不同结构的拦截弹相碰撞时穿甲弹速度随时间变化的规律。

从图7可知，由于钢的硬度和屈服强度较大，穿甲弹与由钢和铝合金复合制成的拦截弹相碰后，其速度衰减较大，并且钢的厚度越大，穿甲弹速度的减小量也越大。复合结构拦截弹中钢的厚度为1 cm、2 cm和3 cm时，穿甲弹的速度由1 720 m/s分别减至1 655 m/s、1 651 m/s和1 643 m/s，其动能减小量分别为7.4% 、7.8%和8.7%。因此，钢和铝合金复合而成的拦截弹比单纯铝合金结构的拦截弹对穿甲弹的碰撞效果好，并且钢的厚度越大，对穿甲弹的毁伤效果越明显。

4 结束语

文中介绍了电磁发射拦截系统发射装置的组成和工作原理，构想了拦截弹与穿甲弹的碰撞姿态，在碰撞角度分别为30°、45°和60°的情况下，对拦截弹与某型穿甲弹的碰撞过程进行了仿真，并分析了钢铝复合结构的拦截弹参数变化对碰撞效果的影响规律。结果表明：穿甲弹与拦截弹碰撞后，弹头发生钝化、破碎现象，速度降低，方向偏转，对装甲车辆的毁伤能力将明显降低。对比碰撞角度分别为30°、45°和60°的碰撞结果来看，碰撞角度越小，穿甲弹的偏转角度越大，偏离被防护目标的可能性也越大。钢铝复合结构的拦截弹对穿甲弹的毁伤效果会显著增强。

参考文献(References)

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