超音速反舰导弹战斗部着速对引信延期作用时间影响*

吴建刚 詹广平

(海军驻武汉三江航天集团军事代表室 孝感 432000)

超音速反舰导弹战斗部着速对引信延期作用时间影响*

吴建刚 詹广平

(海军驻武汉三江航天集团军事代表室 孝感 432000)

为研究超音速反舰导弹战斗部着速对引信延期作用时间的影响,利用LS-DYNA软件建立超音速反舰导弹侵彻舰船目标模型并进行仿真,获得了反舰导弹高速碰击35mm舰船钢甲过程中战斗部能量及速度变化规律,计算了引信在舰船钢甲内2m～4m位置延期作用时间过程中,战斗部着速的变化对引信延期作用时间的影响。仿真结果表明:着速在5Ma以上的超音速反舰导弹引信可以忽略3.5cm厚舰船钢甲对引信延期作用时间的影响。仿真得到的引信延期作用时间为设计引信机械发火机构提供了基础数据支持

超音速反舰导弹; 引信; 延期作用时间; 侵彻

Class Number E927

1 引言

目前针对穿甲问题的研究主要集中于两个方面:一是各类战斗部侵彻目标过程的过载特性研究,包括侵彻单层、双层和多层装甲靶板[1～3],侵彻土壤混凝土介质[4],侵彻单层和多层混凝土[5～6],侵彻钢筋混凝土[7];二是硬目标侵彻引信技术研究,主要包括关键技术研究[8],半实物仿真虚拟试验技术[8],引信起爆控制方法研究[9],控制装置设计[10]等。另外还可见为数不多的侵彻引信用电源和侵彻硬目标发火机构等研究。关于侵彻引信延期时间的研究仅有对引信延期时间装定方法的研究[11],研究的侵彻目标为地下多层介质。未见文献对超音速反舰导弹引信侵彻舰船目标的延期作用时间报道。

随着各国海上作战能力的不断提高,反舰导弹飞行速度由亚音速提高到了超音速,反舰导弹引信在亚音速条件下碰击目标时的工作状态和延期作用时间已不适于超音速条件,研究超音速反舰导弹引信延期作用时间变化规律对未来超音速反舰导弹引信设计具有理论指导意义。

2 延期时间计算

超音速反舰导弹战斗部采用截卵形头部结构,配置触发延期引信,战斗部依靠其动能穿过舰船内部合适位置起爆。假设超音速反舰导弹战斗部碰击舰船钢甲时刻作为引信延期作用时间计时起点,战斗部头部抵达起爆点时引信延期作用时间结束。图1为延期时间内超音速反舰导弹战斗部运动位置示意图。

图1 超音速反舰导弹运动位置示意图

超音速反舰导弹侵彻单层舰船钢甲时间t包括两部分:战斗部碰击目标开始到战斗部卵形部分完全穿过舰船钢甲时间t′和从t′时刻开始到战斗部头部到达起爆位置的时间t″。

t=t′+t″

(1)

式中:L为战斗部卵形部长度;S为预定起爆位置到舰船钢甲内表面距离;B为舰船钢甲厚度;v(t′)、v(t″)为两个运动阶段战斗部运动速度。

3 战斗部着速对引信延期时间的影响

舰船钢甲相对于超音速反舰导弹战斗部直径来说属于薄靶板,超音速反舰导弹穿透舰船钢甲的过程可用能量守恒的方法进行分析。

超音速反舰导弹战斗部侵彻舰船钢甲时,舰船钢甲在穿孔的轴向和径向产生剧烈的塑性变形,材料沿战斗部轴向方向运动。超音速反舰导弹战斗部为截卵形头部,战斗部即将穿透舰船钢甲时,舰船钢甲被战斗部冲出一圆柱形塞块,随着战斗部的侵入深度增加,舰船钢甲在战斗部卵形头部边缘形成径向破裂,舰船钢甲上形成的圆形孔洞随之扩大,战斗部穿过舰船钢甲后,形成一个直径与战斗部外径相同的圆形孔洞。战斗部初始动能一部分被靶板耗散,一部分成为战斗部剩余动能。假设战斗部垂直穿过舰船钢甲,根据动能定理,可以得到战斗部穿甲后的剩余速度:

(2)

式中:m为战斗部质量;v0为战斗部着靶速度;vr为战斗部穿甲后剩余速度;E0为战斗部穿甲消耗能量。

将战斗部穿甲过程中消耗的能量与战斗部初始动能之比称为战斗部能量损失率。则穿甲过程中战斗部能量损失率λ可表示为

(3)

将战斗部穿甲后剩余速度与初速的比值称为战斗部的存速率。存速率μ可表示为

(4)

由于战斗部穿甲过程中消耗能量变化不大,其动能与速度的平方成正比,随着战斗部着靶速度的提高,其动能显著提高,由式(3)可得,随着战斗部着靶速度的提高,其能量损失率λ将逐渐减小,趋近于0;由式(4)可得,随着能量损失率λ的减小,战斗部存速率逐渐增大,接近于1,此时舰船钢甲对战斗部穿甲后剩余速度的影响逐步减小,即舰船钢甲对引信延期作用时间的影响越来越小。

4 仿真验证

4.1 有限元模型

采用三维Lagrange方法[12]进行计算,为了减少计算周期,建立战斗部垂直侵彻舰船钢甲四分之一模型,如图2所示。计算模型使用三维实体solid164单元进行划分,为了准确模拟舰船钢甲破坏,舰船钢甲与战斗部直接作用区域网格加密。在对称边界上施加对称约束,战斗部和舰船钢甲之间的接触采用*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE算法,在舰船钢甲靶板边界处施加非反射边界,采用cm-μs-g建模,每5μs输出一次计算结果。

图2 超音速反舰导弹战斗部穿过舰船钢甲有限元模型

4.2 仿真结果及分析

分别对超音速反舰导弹战斗部以1700m/s、1800m/s、1900m/s及2000m/s四种着速垂直穿过3.5cm舰船钢甲进行了仿真。仿真结果如下:

4.2.1 穿甲过程中战斗部能量变化

通过仿真得到了超音速反舰导弹穿过舰船钢甲过程战斗部能量随时间变化规律。图3为反舰战斗部以不同着靶速度垂直穿过舰船钢甲的能量变化曲线。

图3 穿甲过程中战斗部能量变化

反舰战斗部以4种不同速度穿过舰船钢甲过程的能量变化情况如表1所示。随着反舰战斗部着靶速度的提高,战斗部穿甲后能量损失率有逐渐下降的趋势。

表1 战斗部穿过舰船钢甲能量变化

以上结果表明,随着超音速反舰导弹战斗部着靶速度的增加,反舰战斗部穿甲后的能量损失有逐渐增加的趋势,但是变化不大,反舰战斗部能量损失率有逐渐减小的趋势,说明舰船钢甲对反舰战斗部的影响越来越小,进而对引信延期时间的影响也越来越小。

4.2.2 穿甲过程中战斗部速度变化

通过仿真得到了四种着靶速度垂直穿过舰船钢甲的速度变化规律。由仿真结果可以得出如下结论。

1) 反舰战斗部以5Ma以上速度穿过舰船钢甲时速度衰减量变化很小,从1700m/s～2000m/s着速穿过舰船钢甲的存速率变化如表2所示,存速率具有逐渐逼近1的趋势。

表2 穿过舰船钢甲的存速率

2) 获得了战斗部穿透舰船钢甲的时间、卵形部完全穿过舰船钢甲的时间和战斗部头部进入到舰船钢甲内2m～4m的时间等参数,仿真数据如表3所示。

表3 战斗部穿过舰船钢甲仿真数据

从动能定理出发分析了超音速反舰导弹战斗部着靶速度对引信延期作用时间的影响。得出的规律是随着超音速反舰导弹着靶速度增加,穿目标后反舰战斗部的能量损失率逐渐减小,速度降低越来越小,舰船钢甲对引信延期作用时间的影响越来越小。

通过LS-DYNA软件建立模型并进行仿真,获得了反舰导弹高速碰击35mm舰船钢甲过程中战斗部能量及速度变化规律,计算了引信在舰船钢甲内2～4m位置延期作用时间。得出如下结论:

(1)采用能量损失率描述反舰导弹战斗部穿过舰船钢甲过程能量变化规律。研究表明随着反舰战斗部着靶速度增加能量损失率逐渐减小,表明反舰战斗部初始动能越大舰船钢甲对其穿甲能力影响越小。

(2)采用存速率描述反舰战斗部碰击舰船钢甲后剩余速度变化规律。研究表明随着速度增加存速率具有逼近1的趋势,表明碰击速度越高战斗部穿目标后速度降低越小,舰船钢甲对引信延期作用时间影响越来越小。

(3)着速达到5Ma以上的超音速反舰导弹引信感受碰击目标信息后,可忽略3.5cm厚舰船钢甲对引信延期作用时间的影响,采用定时方法达到短延期作用的目的。

5 结语

从动能定理出发分析了超音速反舰导弹着速对引信延期作用时间的影响,得出的规律是随着超音速反舰导弹速度增加,穿目标后反舰战斗部能量损失率逐渐减小,速度降低越来越小,舰船钢甲对引信延期作用时间影响越来越小。仿真结果表明:随着着速的增加反舰战斗部存速率具有逼近1的趋势,着速在5Ma以上的超音速反舰导弹引信可以忽略3.5cm厚舰船钢甲对引信延期作用时间的影响。通过仿真计算得到了超音速反舰导弹战斗部进入舰船钢甲内2m～4m位置引信延期作用时间。仿真得到的引信延期作用时间可为设计引信机械发火机构提供基础数据支持。

[1] 朱峰,朱卫华,王怡舒.弹丸初速度对侵彻双层钢板影响的数值模拟[J].四川兵工学报,2010,31(9):24-29.

[2] 张清爽.弹丸侵彻装甲钢板过载特性数值模拟[J].弹箭与制导学报,2009,29(4):133-135.

[3] 纪霞,王利.弹丸侵彻多层靶板数值分析[J].探测与控制学报,2006,28(2):42-45.

[4] 蒋建伟,门建兵,万丽珍,等.动能弹侵彻土壤混凝土复合介质的试验研究[J].北京理工大学学报,2011,21(4):420-423.

[5] 虞青俊,李玉龙,金连宝,等.侵彻多层混凝土目标弹丸过载特性研究[J].探测与控制学报,2007,29(1):13-17.

[6] 王瑞臣,王志军,蔡汉文.弹丸斜侵彻混凝土介质的分析计算方法[J].弹道学报,2000,12(1):73-77.

[7] 黄民荣,顾晓辉,高永宏.刚性弹丸侵彻钢筋混凝土的实验和简化分析模型[J].实验力学,2009,24(4):283-290.

[8] 张志安,陈荷娟.硬目标侵彻引信半实物仿真关键技术研究[J].计算机仿真,2008,25(3):17-20.

[9] 高国旺,张瑞萍.侵彻硬目标的导弹引信起爆控制方法研究[J].弹箭与制导学报,2012,32(2):103-106.

[10] 陈兴荣,王昌平,何宏坤.硬目标灵巧引信控制装置的设计[J].兵工自动化,2007,26(4):76-77.

[11] 侯满义,刘加丛,刘占辰.侵彻战斗部引信延期作用时间装定计算方法[J].探测与控制学报,2004,26(2):59-61.

[12] 时党勇,李裕春,张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显式动力分析[M].北京:清华大学出版社,2005:7-12.

Effects of Impact Velocity of Supersonic Anti-ship Missile’s Warhead on the Delayed Action Time of Fuze

WU Jiangang ZHAN Guangping

(Military Representatives Office of CASIC in Sanjiang, Xiaogan 432000)

With the help of LS-DYNA software, the model of supersonic anti-ship missile penetrating the ship targets was established and simulated in order to research the effects of impact velocity of supersonic anti-ship missile’s warhead to the delayed action of fuze. The change regulation of warhead’s energy and velocity when the anti-ship missile penetrating the 35mm ship armor with high speed was researched. The effects of warhead’s impact velocity to the action delay time when the fuze works in the position of 2～4m in the ship armor were analyzed. The simulation results show that the supersonic anti-ship missiles fuze with speed higher than 5Ma can ignore the effects of 35mm ship armor to the delayed action time of fuze. Also the simulation results can provide basic data support for the design of mechanical firing mechanism of fuze.

supersonic, fuze, delayed action time, penetration

2014年6月6日,

2014年7月28日

吴建刚,男,硕士,工程师,研究方向:引信技术。詹广平,男,高级工程师,研究方向:引信技术。

E927

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.010