光电干扰箔片高速动态抛撒云团散布试验研究

王政伟， 王浩， 张成， 谢达勇， 金贺龙

(南京理工大学 能源与动力工程学院, 江苏 南京 210094)

光电干扰箔片高速动态抛撒云团散布试验研究

王政伟， 王浩， 张成， 谢达勇， 金贺龙

(南京理工大学 能源与动力工程学院, 江苏 南京 210094)

为了研究大数量光电干扰箔片在高速环境中抛撒后的云团形态分布，以调速小火箭作为高速载体，配合活塞式的箔片抛撒结构，运用子母弹的抛撒方式，进行了不同速度下的抛撒试验。通过抛撒各阶段云团发展状态的高速数字图像记录，清晰反映了箔片出舱、分离、扩散的动态过程。从微观上分析了箔片的运动过程，得出了箔片在高速抛撒过程的分离规律；从宏观上统计分析箔片与云团散布参数，分析了不同速度下箔片散布特征。对比不同载体速度发现，载体速度的增加可明显增大云团的径向分布范围和云团响应速度，但并不能线性增大云团的径向分布范围。

兵器科学与技术； 箔片； 光电干扰； 散布； 面源诱饵

0 引言

现阶段随着红外成像制导技术的日益发展，各型战机面临的导弹威胁越来越大。红外成像制导技术是对红外制导技术的全面升级，它不仅可以抑制背景信号的干扰，还可以通过各种抗干扰识别技术排除传统点源红外诱饵的信号干扰。机载面源式干扰弹能够模拟目标飞机的光谱特性，具有可见光掩蔽特性，可以有效干扰红外成像制导导弹[1-3]。

然而机载面源式干扰弹在机载试验中具有较大的测试难度，在地面发射又很难具备实战下的飞机在高速运动下的发射环境。研究人员大多是采用在工程简化条件下，按照特定的运动规律进行仿真模拟[4-9]，或者进行相关地面低速抛撒试验[6]，这并不能完全真实反映机载面源诱饵的运动规律和高速抛撒环境。本文以调速小火箭作为高速载体，配合活塞式的箔片抛撒结构，运用子母弹的抛撒方式，实现了在高速环境中的干扰箔片动态抛撒过程，获得了干扰箔片在高速动态抛撒环境下的分离散布规律，并与仿真结果吻合较好[10-11]。

1 试验模型与试验方案

1.1 试验模型

本次试验采用120 mm口径小火箭，可携带单发干扰弹，火箭整体结构如图1所示。试验过程中，火箭根据干扰弹所需的发射方向入膛装填。点火后加速至干扰弹发射所需的模拟速度时，延时点火引信点燃干扰弹发射药，在活塞的推动下，干扰箔片抛出,抛撒所需速度可根据火箭装药量进行调整。

图1 火箭三维结构图Fig.1 Three-dimensional structure of rocket

图2为干扰弹结构图，每发干扰弹的箔片装填量在1 000片左右，箔片厚度约为0.025 mm，直径D为50 mm. 大数量圆柱状箔片摞齐装填，箔片在发射时成串射出，快速散开燃烧形成干扰云团。

图2 活塞式抛撒机构示意图Fig.2 Schematic diagram of piston dispersing device

1.2 测试方案

试验采用3台德国photron公司的photron fastcam mini高速摄像仪，其布置方位如图3所示。高速摄像仪与火箭点火通过多通道同步触发仪同步控制触发与点火。

图3 高速摄像场景布置图Fig.3 Arrangement of high speed cameras

1.3 火箭内弹道设计

为了模拟面源式干扰弹在战机巡航飞行状态下(马赫数0.6～0.8)发射时的干扰弹工作过程，通过求解火箭内弹道方程组[12-13]，优化设计了火箭的装药参数，详细装药参数如表1所示。图4为不同装药下的火箭发动机燃烧室压力仿真曲线，图5为不同装药量下火箭速度时间仿真曲线，通过改变火箭的装药参数可实现干扰弹发射时的不同速度需求。

表1 火箭装药参数Tab.1 Charge parameters of rocket

图4 不同装药量下的压力仿真曲线图Fig.4 Simulation curves of pressure under different charge mass

图5 不同装药下的火箭速度曲线Fig.5 Simulation curves of velocity under different charge mass

2 结果与分析

在抛撒试验中，火箭飞行稳定，姿态良好,如图6所示。

图6 出膛时刻的火箭姿态Fig.6 Attitude of rocket at the moment of rockect being out of muzzle

2.1 高速动态抛撒试验结果

根据试验情况，选取能够反映集束箔片和单体箔片运动变化特性的数据来进行分析。根据标尺标定，绘制平面网格线。试验中，根据火箭内弹道计算与试验经验分析，设置干扰弹延时点火引信延时时间。为了方便描述箔片云团的发展过程，设置干扰弹点火时刻为0时刻。

试验图像记录显示，在干扰弹点火后大数量的箔片经历了集束箔片出舱、集束拉长、集束弯曲变形、集束分解、箔片脱离、箔片扩散和箔片沉降几个形态变化。本文根据箔片形态的变化过程，将此过程分为集束出舱、分离、扩散和沉降3个过程进行描述。

2.1.1 出舱阶段的集束箔片

如图7所示为集束箔片出舱过程，网格间距为100 mm，干扰弹点火以后，密实装填的集束箔片在活塞的推动下从舱体中抛出。集束箔片在活塞的大推力作用下保持线形出舱，出舱后与火箭完全脱离。从干扰弹触发点火到集束箔片完全出舱耗时10 ms左右，出舱时刻集束段长度约为151.5 mm,相比于装填长度150 mm,变化不大。出舱后的集束箔片段具有火箭运动方向的牵连速度和垂直于火箭的发射速度，脱离火箭继续运动。

图7 出舱过程的集束箔片(0～15 ms，2号高速摄像仪拍摄)Fig.7 Cahff cluster launched from dispenser

2.1.2 分离阶段

在出舱阶段，密实装填的集束箔片在活塞的压迫下尚能保持其紧密状态，但箔片集束完全出舱以后，所有约束解除。图8为集束薄片的变形分解过程，在内应力的作用下集束箔片开始向两端伸展拉长，集束段的长度变化如图9所示。拉长后的集束段变得松散，并有小的间隙在箔片之间形成。在伸展拉长过程中，位于头部与尾部的集束段两端的间隙增加更快，高速运动的集束箔片，在高速来流的冲击下出现断层与弯折，并伴有箔片个体开始从两端脱离出去，此时集束箔片开始进入分解阶段。

图8 集束箔片段的变形分解过程(10～45 ms，2号高速摄像仪拍摄)Fig.8 Deforming and disintegrating processing of chaff cluster

图9 集束长度随时间变化曲线Fig.9 Change of cahff cluster length with time

拉长后的集束分解首先在两端出现了弯折，弯折后的集束由于其本身装填结构的原因，弯折区出现“楔形”间隙。高速气流流入楔形间隙后，在间隙中形成高压力区间，压差作用力驱动松散段箔片远离集束段主体运动，并阻碍主体段的拉长与伸展，形成了集束段主体与两端松散段的特征断裂分离现象。如图10(a)所示，集束主体段在高速气流作用下头尾部出现弯折，并已经形成了①和②两个特征断裂段，特征段长度分别约为2.2D和1.7D，但先脱离的特征断裂段较为松散，箔片间间隙较大。图10(b)为箔片从特征段的脱离过程，其中存在6个特征断裂段，特征段并行排列，明显的箔片脱离现象可从特征断裂段①看出。分析集束分解过程的高速图像发现，集束主体分解为特征断裂段时具有一定的规律性，集束段的分解头尾依次进行，图10(b)中①、③、⑤从头部断裂形成,②、④、⑥特征段从集束段尾部断裂形成，初始脱离时尺寸基本相近，约为1.1D. 随着高速气流的继续作用，特征断裂段中的箔片间间隙继续增大，直至脱离为薄片单体。分解过程中，各段保持其轴向运动与径向运动。

图10 箔片的分离过程(45～100 ms，2号高速摄像仪拍摄)Fig.10 Fracture location of foils cluster

集束的分解和箔片的部分脱离，逐渐形成了集束在前，脱离箔片在后部扩散的锥形云团分布。

2.1.3 扩散和沉降阶段

箔片作为轻质物品，比表面积较大,脱离后的速度在高速气流中速度降低极快，如图11所示(网格尺寸为1 000 mm),速度可在极短之内降低到数十米每秒。箔片在脱离初期分布密度较大，在分离过程中出现明显碰撞现象。碰撞与高速气流的气动力综合作用形成了箔片初始脱离状态。箔片脱离时的初始姿态决定了箔片分离后的初始气动作用力，不同的初始气动作用力赋予了箔片的初始运动偏向，即形成了箔片的上浮、侧偏、下沉等分离状态。

图11 箔片扩散与沉降过程(105～155 ms，3号高速摄像仪拍摄)Fig.11 Dispersion and descent processes of chaffs

随着集束的发展，位于云团头部的集束段慢慢分解完全，全部散开为向各方向扩散的箔片单体，云团轴向截面由锥形截面演化为长方形截面，并随着箔片向四周扩散，箔片截面散布面积逐渐扩大。脱落后的箔片在其初始发射动能消耗殆尽后进入沉降阶段，沉降过程中的箔片在重力作用下缓慢飘落[14]。

2.1.4 箔片的径向分布

根据高速后方高速摄像，记录了集束箔片径向分离扩散过程，根据标尺标定绘制云团标尺网格，记录箔片集束的膨胀过程，如图12所示，图12中网格尺寸为3 000 mm.

从图12可以看出，箔片由于分离后的初始姿态的不同，呈中心向四周扩散。在500 ms后云团形态保持稳定，800 ms后可观察到明显的箔片沉降。

2.2 高速动态抛撒试验结果数据分析

针对箔片集束分离扩散过程的运动发展状态，根据试验高速摄像处理图片，统计了箔片的分离轨迹、云团散布尺寸、箔片的落点位置等参数进行了对比分析。试验中进行了不同火箭速度的对比，如表2所示。

表2 集束出舱时刻速度参数Tab.2 Velocity of chaff cluster in dispersion process

2.2.1 集束段箔片的运动

高速摄像显示，箔片在脱离主体段后速度降低很快，其分离后的散布位置主要由其脱离时集束位置与脱离时的姿态决定，所以，箔片云团的散布区间主要与主体段的运动相关，有必要对主体的运动进行单独分析。图13为集束箔片的轴向和径向的运动参数变化曲线，箔片从出舱至箔片完全分解耗时150 ms. 通过不同载体速度的集束速度变化比较可以看出，初速高的集束箔片在高速气流中集束分解和箔片个体脱离更加迅速，其速度降低也较快，集束段的速度曲线出现了交汇。所以，增大载体速度能够明显增大云团的径向分布和减小干扰弹的响应时间，并不能线性增加云团的轴向分布范围。

图12 云团径向截面膨胀过程(1号高速摄像仪拍摄)Fig.12 Expansion process of cahff cloud in radial direction

图13 集束段运动变化曲线Fig.13 Motion characterstics of chaff cluster

2.2.2 箔片个体的运动轨迹

为了研究箔片在脱离集束后的运动特性，从高速图像记录中提取了不同时刻脱离于集束与同一时刻不同集束位置脱离的3个箔片的运动参数，如图14所示。从图14可以看出，不同位置时刻脱离的箔片脱离速度取决于脱离时刻所处集束的运动速度，不同时刻与不同集束段脱离的箔片速度变化趋势一致。箔片在脱离后轴向速度骤降明显,径向方向的变化主要受到其脱离时姿态影响，并在脱离20 ms后箔片速度缓慢变化，直至进入沉降阶段。

图14 箔片单体速度变化曲线Fig.14 Change of chaff velocity with time

2.2.3 箔片云团的最大偏移量

最大偏移量是指箔片在散布过程中的各向偏移最小和最大值，本质上即是箔片云团的最大边界值，同时也是对云团外轮廓的描述。云团最大偏移量随时间的变化曲线如图15所示。

图15 云团各向最大偏移量与时间曲线Fig.15 Maximum offsets of chaff cloud in X,Y,Z directions

从图15可以看出，X方向的最小值从发射后即平稳发展，这是由于尾部的箔片首先分离并且速度很快衰减达到滞留状态，Y方向的下边界由于试验过程中初始高度较小，较早地出现部分箔片落地，下边界不计入边界统计。约0.5 s后，所有质点均进入沉降阶段，X方向、Z方向的最大偏移量变化较小。各个箔片经历初始振荡后沉降速度就稳定在一个均值附近跳动，使得整个云团的沉降速度也稳定在一个均值附近，即云团中所有质点的Y坐标平均值随时间的变化是近似线性的。采用文献[7]方法对试验中两种初速的散布进行了仿真模拟，通过试验与仿真曲线对比可以看出，云团发展趋势一致，曲线吻合较好。通过不同初速的分布图对比可以发现，高载体初速的干扰箔片在抛撒后箔片云团空间分布更大。

2.2.4 落点散布统计

箔片经过分离、扩散、沉降后最终落地，对落点范围进行观察与测量。箔片的落点分布在轴向15～45 m范围内分布数量较多，径向分布较为均匀。其分布测量范围如表3所示。

表3 落点分布范围Tab.3 Droppoint distribution of chaffs

注：试验场地一面靠墙，径向分布只统计单向。

3 结论

试验采用高速火箭搭载的方法实现了箔片在高速环境中的动态抛撒过程，模拟干扰弹在机载高速巡航飞行状态下发射的工作过程，研究了大数量装填下的箔片动态抛撒的出舱、分离、扩散、沉降过程。分析得出以下结论：

1)试验中通过不同方位的多个数字图像系统记录得出了大数量箔片高速动态抛撒的分离过程与云团形态变化规律。大数量箔片的云团演变过程分为直线出舱、集束段变形、集束分解、箔片脱离、箔片扩散和箔片沉降过程，云团形态由直线型出舱，经历弯曲变形，扩散为锥形分布，稳定为长方体型空间分布。

2)通过子母分离的箭载试验方案有效地解决了干扰弹机载发射试验过程中高成本，不易于测试等问题，为同类高速动态抛撒问题提供了参考。

3)大数量箔片的抛撒分离是在集束内部应力的作用下向两端拉长，产生初始间隔，高速来流作用于集束主体使其产生变形并进入间隙，集束出现了规律性的特征断裂脱落现象。

4)箔片的扩散方向与运动距离主要取决于箔片脱离时的初始姿态与速度，轻质箔片密度小，在高速气流中扩散速度衰减快，沉降过程中滞空性能好。云团启动时间短，滞空时间长，并能保持良好的干扰形态。

5)增大载体速度能够明显增大云团的径向分布和减小云团的响应时间。但是，较大的轴向初始速度加快了箔片集束分解和箔片个体脱离，并不能线性增加云团的轴向分布范围。

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Experimental Study of Distribution of Chaff Cloud Launched at High-speed

WANG Zheng-wei, WANG Hao, ZHANG Cheng, XIE Da-yong, JIN He-long

(School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

In order to study the separation and dispersion of chaff cloud launched at high-speed, the chaffs were packed and launched by the adjustable speed rocket at different speeds, which utilize the throwing system structure of airborne dispenser. The chaffs were launched from a piston, separated and dispersed in the high speed airflow, and the detailed motion of chaff cloud was clearly recorded using several high speed cameras. After statistical analysis of the test results, the separation mechanism and dispersion parameter of chaff cloud are concluded. In comparison with the experimental results launched at different speeds, it is clearly concluded that the radial distribution of chaff cloud and the onset time increases with the increment of the velocity of carrier. However, the radial distribution of chaff cloud will not linearly increases with the increment of velocity of carrier.

ordnance science and technology; chaff; electrooptic interference; dispersion; surface-type decoy

2016-12-19

王政伟(1987—)，男，博士研究生。E-mail:wangzhengwei2421@163.com

王浩(1964—)，男，研究员，博士生导师。E-mail:wanghao@njust.edu.cn

TN972+.41

A

1000-1093(2017)06-1075-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.005