柔性飞网拦截刚性弹体的性能分析

刘一鸣，熊自明，卢 浩，胡家锋，戎晓力

(1.陆军工程大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室， 南京 210007； 2.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

20世纪70年代以来，我国南海的海洋权益不断受到周边国家的侵犯，资源被大量掠夺。尤其是近些年来，周边国家在南海地区频频挑起事端，严重影响我国周边环境的稳定。基于国家安全形势，为了切实维护国家海洋权益，保障国家和人民安全，必须在南海开展岛礁建设。因而研究如何做好对岛礁工程的有效防护具有重要意义。在对岛礁的多层次立体防护体系中，分为几十公里以外的国家防御，200 m以外的航空防御以及200 m之内的超近层防御。其中，柔性飞网将在超近程防御的弹体拦截中扮演重要角色，具有末端“补漏”和“守门员”的作用，为提高价值目标的战时生存和防护提供重要保障。

国外关于空间飞网的研究主要集中在空间飞网捕捉以及绳索动力学两个方面[1-5]。国内针对空间飞网的研究主要是根据太空环境下的受力特性建立仿真模型以及根据地面环境下的受力特性建立地面实验验证模型，并通过地面发射试验来验证模型的可信度。其中，空间飞网主要的发射方式为太空抛射[6-16]。

李岩[17]提出了一种基于图像的多功能导弹近程防御预警系统；黎春林[18]对超近程反导武器系统使用特点进行了分析研究，提出了总体设想；钟晓声[19]提出了一种基于遗传算法的防空导弹火力分配优化方法。以上近程防御及导弹拦截研究中均未提到利用柔性飞网拦截。

本文所介绍的仿真分析模型和验证实验是在近地面环境下，利用柔性飞网实现飞网飞行、飞网碰撞以及诱爆来袭导弹的过程。其外部条件与上述研究不同，考虑了飞网在近地面所受的外力并且有一定的飞行速度要求，不是在外太空保持相对速度运动进行捕捉，而是利用飞网飞行速度所产生的冲量来诱爆来袭导弹，考虑到飞网速度的关键作用且对飞网的材质有一定的要求。因此，最终选用柔性金属飞网对导弹进行拦截分析与拦截实验验证。金属网由于其轻质和高抗冲击特性，可以造成弹体过载、引信提前作用，对弹体进行成功诱爆。

1 飞网拦截过程仿真

来袭导弹撞击飞网是一种高速、高温、高压状态下的撞击问题，柔性飞网会发生非线性大应变，甚至被击穿，这与“侵彻”问题非常相似[20]。故可视为“侵彻”问题分析，从而确定来袭炸弹对柔性飞网的撞击荷载，只要荷载达到来袭导弹的引信触发条件，柔性飞网就可成功诱爆来袭导弹。本文利用LS-DYNA对来袭导弹撞击柔性飞网的过程进行仿真分析，从而清楚地描述这一过程。

对于机械触发引信大部分触发条件在100～200 g，甚至有些要求能够水面爆炸的引信触发条件只有40～80 g。对于低阻导弹(侵彻钻地弹)触发条件较高，最高达到250～500 g。绝大部分航空导弹的质量小于1 000 kg，最大的航空导弹质量也在1 000 kg左右。速度在1～1.4马赫，即340～480 m/s。短延时引信的延时时间有0.000 s，0.010 s，0.025 s，0.060 s，最大0.060 s。长延时引信时间从0.1 s到36 h。

而柔性飞网拦截是基于诱爆原理，主要针对近炸、碰炸引信和短延时条件下各类来袭弹药实现诱爆。对于毫米波、激光及无线电和电容近炸引信，柔性金属网可以模拟目标特性，具有较好的诱爆效果；对于机械触发碰撞、短延期的机械引信，同样具有较好的诱爆效果。但是对于大质量、长延期的侵彻弹药、深钻地弹药以及密集撒布子弹药，拦截效果较差。

考虑最不利结果为垂直撞击柔性飞网，在预计可能拦截的弹药中选取典型最难以诱爆的MK84低阻爆破炸弹为分析对象。MK84低阻爆破炸弹的重量约为908 kg，弹径457 mm，全弹长3 848 mm，示意图如图1。柔性飞网拟采用钢丝绳网，尺寸约为2 m×2 m，网孔边长约为20 mm×20 mm，如图2所示。

1.1 有限元模型

对柔性飞网拦截来袭导弹这一过程仿真，要建立合适的有限元模型。首先建立三维空间坐标系，在坐标系内完成对各个向量参数的设定。在此基础之上建立实体模型。来袭导弹的实体模型建立较为容易，而柔性飞网的实体模型则相对复杂，但整个拦截飞网实际是由很多规则的小网格单元构成的，单元之间的间隔很小，可以忽略。因此，我们可以将整个柔性飞网近似地看成是由钢丝组成的一张“钢丝网”。这样就能建立拦截飞网实体模型。在建立来袭导弹和柔性飞网实体模型的基础上，建立飞网拦截过程的有限元模型。三维空间坐标系如图3。

根据柔性飞网和来袭导弹弹头材料属性的不同，定义两种材料模型。其中，来袭导弹弹头简化处理为*MAT_RIGID刚体材料模型。柔性飞网是钢丝绳网，采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性随动强化模型，弹性模量为1.969×105MPa，屈服强度为1 770 MPa，采用 Cowper-Symonds模型考虑材料的塑性应变效应。在表1中，ρ代表密度；E代表杨氏模量；μ代表泊松比；B代表硬化系数；C代表应变率系数；σ代表屈服强度。

材料模型Ⅰ：来袭导弹弹头采用*MAT_RIGID刚体材料模型，并且限制除了Y方向平动外的所有自由度，因此只允许Y方向运动，模型参数如表1所示。

表1 MK84导弹弹头材料模型参数

材料模型Ⅱ：柔性飞网采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性随动强化模型，模型参数如表2所示。

表2 柔性飞网材料模型参数

直接在LS-DYNA中建立导弹弹头和柔性金属拦截网的实体模型。弹头实体模型如图4所示。其中弹头全长480 mm，弹体直径为96 mm。

柔性飞网的实体模型，如图5所示。图5中，柔性飞网的尺寸为2 m×2 m。

为了能够清楚地观察整个撞击过程，应在导弹弹头撞击到拦截网之前就开始仿真。弹头离拦截飞网开始仿真模拟的初始距离，将直接影响到观察的结果。考虑到弹头尺寸较小，而柔性拦截网的尺寸非常大，因此在导弹弹头离拦截飞网还有一定距离时就仿真。这时，弹头与柔性飞网的相对位置如图6所示。

1.2 定义仿真条件

仿真条件可以按照如下步骤依次完成(见图7)。

1.3 后处理

采用后处理器LS-PREPOST对结果进行处理分析。可通过图像观察到撞击过程中导弹弹头的速度及加速度变化情况，如图8所示。

图8是来袭导弹撞击柔性飞网的示意图。导弹弹头以初速度撞击柔性飞网并贯穿，柔性飞网对弹头产生过载。

撞击过程中弹头所受过载情况变化如图9所示。

从图9可以看出，在0.25 ms左右，弹头与柔性飞网接触碰撞，并在0.25 ms和0.33 ms分别达到706 g和1 200 g两个极大值。整个撞击过程中弹头所受荷载发生两个明显的突变。但因弹头所受荷载只要达到引信的触发条件就被诱爆，这是一个临界条件，所以在分析弹头所受的过载时取整个仿真过程中的最大值而不需考虑其荷载如何变化。因此，可以得到在此参数条件下弹头所受的荷载为1 200 g。

2 撞击过程过载分析

2.1 钢丝绳直径、弹体速度和和弹体攻角对弹体加速度的影响

通过改变模型当中不同的参数设置，可以得到不同的参数对弹体所受的过载的影响。设置弹体攻角为90°、弹体质量为8 kg、网孔边长为20 mm，保持钢丝绳直径不变，分别设置弹体的初始速度为250 m/s、350 m/s、450 m/s可以得到弹体速度对弹体所受过载的影响曲线。保持弹体速度等参数不变，分别设置钢丝绳的直径为2 mm、3 mm、4 mm，可以得到钢丝绳直径对弹体所受过载的影响曲线。弹体速度和钢丝绳直径对弹体过载的影响曲线如如图10所示。

从图10可以看出：

① 在相同的钢丝绳网尺寸情况下，随着弹体冲击速度的增大，弹体的过载越大。

② 在弹体冲击速度相同的情况下，随着钢丝绳直径的增大，弹体过载增大，且增幅较明显。当钢丝绳直径为2 mm，弹体速度为250 m/s时，弹体过载最小约为45.3 g。

设置弹体的初始速度为450 m/s、钢丝绳的直径为4 mm时，改变不同的弹体攻角分别为45°、60°、75°、90°时，可以得到弹体过载与弹体攻角之间的关系曲线如图11所示。

从图11可以看出在冲击速度为450 m/s，钢丝绳直径为4 mm的情况下，弹体的过载随攻角的增大逐渐增大，且增幅呈近似线性关系，当攻角为45°时，弹体过载最小，约为82.9 g。

从以上分析可得出，当钢丝绳直径为4 mm，弹体冲击速度为450 m/s，弹体攻角为90°的情况下，弹体过载最大，此时弹体的过载约为325.5 g。

影响弹体过载特性的因素较多，诸如弹头形状、弹体曲线参数、弹体实际质量和弹体尾翼的布置方式等。数值计算分析弹体过载，需要开展模型试验研究，确定数值计算的合理参数范围，并逐渐修正数值模型。

2.2 弹体质量对弹体加速度的影响

设置弹体攻角为90°、网孔边长为20 mm、钢丝绳直径为4 mm，分别设置弹体的初始速度为250 m/s、350 m/s、450 m/s可得到不同弹体速度条件下弹体质量对弹体所受过载的影响曲线如图12所示。

从图12可以看出：① 在相同的弹体质量情况下，随着弹体冲击速度的增大，弹体的过载越大；② 在弹体冲击速度相同的情况下，随着弹体质量的增大，弹体过载逐渐减小。当钢丝绳直径为4 mm、弹体速度为250 m/s、弹体质量为14 kg时，弹体过载最小约为78.5 g；

2.3 飞网网孔对弹体加速度和速度的影响

设置弹体的初始速度为450 m/s，弹体攻角为90°，钢丝绳直径为4 mm，设置柔性飞网的网孔边长非别为16 mm和20 mm，可以得到弹体过载和弹体速度的变化曲线如图13～图16所示。

图13、图14、图15和图16中分别给出了钢丝绳直径为4 mm，网孔边长为16 mm和20 mm，攻角90°时，弹体的加速度和速度随时间的变化关系曲线。从图中可以看出：

① 在网孔边长为16 mm时，弹体速度从450 m/s减小到449.676 m/s，之后保持不变，经历时间约为2.672 m/s；弹体在刚接触金属网之后0.015 8 ms后加速度达到最大，而后迅速衰减；

② 在网孔边长为20 mm时，弹体速度从450 m/s减小到449.690 m/s，之后保持不变，经历时间约为3.882 ms；弹体在刚接触金属网之后0.016 1 ms后加速度达到最大，而后迅速衰减。

综上所述，当飞网网绳的直径大于4 mm，飞网网孔边长为20 mm，来袭弹体大于1.4马赫时，能够产生200 g以上的过载，从而满足了MK84引信灵敏度要求，达到诱爆弹体的目的。本次分析计算没有考虑弹体尾翼对网产生的二次碰撞形成的二次过载，预计产生的过载还应该大于计算结果。

3 飞网拦截仿真试验校验

为了验证柔性飞网装置拦截弹体的可靠性，结合刚性弹正侵彻钢筋混凝土靶所建立的阻力模型[21]以及弹目交汇[22]的相关内容，开展了与之对应的柔性钢丝网诱爆原理试验研究。因采用MK84低阻爆破炸弹进行原型试验较难实现，试验拦截弹种采用40 mm火箭破甲弹，网丝直径约1.2 mm，网孔直径约10 mm，钢丝强度大于1 500 MPa，受保护的靶板为钢筋混凝土材质，拦截试验示意图如图17所示，柔性钢丝网实物如图18所示。

将钢丝网固定在金属靶框架上，40 m远距离射击，钢丝网试验前后如图19所示。碰撞后，柔性钢丝网破坏，40 mm破甲弹完全被诱爆。诱爆成功后，靶板仅受到损毁战斗部弹体的撞击，发生一些脱落现象。未进行拦截时，弹体直接穿透靶板，损毁程度明显，靶板损毁程度如图20所示，表明采用柔性金属网拦截诱爆弹体的方案可行。图21所示为实验时高速摄像机拍摄的目标弹着靶全过程。

4 结论

1) 弹头撞击柔性飞网以后，弹头所受的荷载随弹头初速度、弹体质量以及弹体攻角的变化而变化。

2) 在其他条件相同的情况下，弹体过载随弹体冲击速度的增大而增大；弹体过载随钢丝绳直径的增大而增大，且增幅较明显。

当钢丝绳直径为2 mm，弹体速度为250 m/s时，弹体过载最小约为45.3 g。弹体过载随攻角的增大逐渐增大，且增幅呈近似线性关系，当攻角为45°时，弹体过载最小，约为82.9 g。综合弹体冲击速度、钢丝绳直径以及攻角三个因素发现，当钢丝绳直径为4 mm，弹体冲击速度为450 m/s，弹体攻角为90°的情况下，弹体过载最大，此时弹体的过载约为325.5 g。此外，在其他条件相同的情况下，随着弹体质量的增大，弹体过载逐渐减小。当钢丝绳直径为4 mm、弹体速度为250 m/s、弹体质量为14 kg时，弹体过载最小约为78.5 g。

3) 在网绳直径大于4 mm，飞网网孔边长为20 mm，来袭弹体大于1.4马赫时，能够产生200 g以上的过载，满足MK84引信灵敏度要求，可以产生诱爆效果。本次分析计算没有考虑弹体尾翼对网产生的二次碰撞形成的二次过载。因此，预计产生的过载还应该大于计算结果。

对柔性飞网拦截系统建立的只是简化模型，地面验证试验中，把柔性飞网也简单地设置成了一个固定的平面。而在实际过程中柔性飞网是慢慢展开的，在展开过程中其有效拦截面积是不断变化的，并且柔性飞网的速度也是不断变化的。今后可以通过对发射过程中的柔性飞网进行动力学建模，研究其张口面积及速度的变化过程。