动能棒超高速对地撞击毁伤效应研究*

王 鹏,李 鹤,申明辉,王新泉,郭立力

(1 北京航天长征飞行器研究所, 北京 100076; 2 通号物资集团有限公司, 北京 100070)

0 引言

在现代高技术局部战争中,永备地下工事[1]如地下指挥中心等高价值关键目标,是重点打击的对象,只有通过不断加大侵彻体质量和增大落速以期获得对此类目标的有效毁伤,但现有动能加化学能类传统钻地武器,由于受壳体材料性能及装药安定性等限制,无法承受落速不断增加所产生的高过载[2-3],很难对此类永备地下工事造成有效毁伤,因此需研制具有新型毁伤模式的对地毁伤武器。

根据理论计算,一定质量的单一物体撞击速度大于3 000 m/s时,其撞击产生的能量已大于等质量的炸药爆炸释放的热量,且由于其内不含化学能,突破了战斗部高过载条件下装药和引信安定性的限制,具有结构简单、作用可靠、免后勤维护、能适应超高速撞击恶劣环境的强度以及耐侵彻的能力等优势[4],因此动能武器逐渐受到世界各军事强国的重视,有必要开展其毁伤效果研究,也为将来动能武器发展做相应技术储备。作为武器级的动能棒最少也得在百千克级[5]甚至吨级[6]以上才能对此类目标实施有效毁伤,不过由于对动能武器研究仍处于探索阶段,目前受地面试验手段限制,只能将克级小长径比加载到3 000 m/s以上[7],而很难将百千克级大长径比动能棒加载到该速度,且由于缩比量太大,地面试验已经无法反应原型动能武器的真实情况,因此尚未开展其毁伤效应研究。

文中首先通过动能棒超高速撞击混凝土数值仿真,给出了动能棒超高速对地撞击的主要毁伤模式,然后据此提出了各毁伤效应的主要表征参量及其相应的测试方法,最后结合百千克级动能棒超高速对地撞击试验,按照确定的测试方法,探索性地获得了动能棒超高速对地撞击毁伤效应数据,一定程度上验证了提出的测试方法的可行性。

1 动能棒超高速对地撞击数值仿真及其分析

对于超高速,文献[8]给出的定义为：弹着靶后,弹靶材料呈流体动力学形态,材料的强度效应影响逐步减弱,而密度效应和可压缩性对侵彻过程的影响趋于明显,此时弹靶材料的应变率通常在106～107s-1之间,对应的弹靶相对速度在3 000～12 000 m/s之间。

因受地面试验手段限制,目前只能通过二级轻气炮可将克级弹丸加载到超高速,文献[8-9]给出了30 g铝丸以4 250 m/s撞击素混凝土,通过预埋传感器获得压力曲线。文中以此为基础,采用文献[10]介绍的光滑粒子流体动力学(SPH)方法计算了30 g钨弹丸以4 250 m/s速度撞击C30素混凝土靶板(如图1所示),并通过内埋高斯点,获得了类似试验的压力曲线,据此判定采用数值仿真分析能够一定程度反映试验状况。

图1 超高速动能棒对地撞击强冲击波传播过程(6个点)

仿真计算结果表明:动能棒超高速撞击地面后,主要产生撞击成坑和波动效应两种毁伤效应,如图2所示,其中波动效应根据传播方向的不同又分为与地震类似的3种波[11],即沿地层深度传入的纵波(P波)、垂直纵波波阵面的剪切波(S波),以及沿地表传播的横波(R波),因此超高速对地撞击形成的毁伤形式主要由这3种波共同作用而造成,毁伤形式主要表现为撞击成坑、地冲击和地震动。

图2 超高速撞击后形成的不同区域示意图

撞击成坑主要指的是弹丸超高速撞击目标后,目标在强冲击压力作用下,撞击点附近材料被压垮,弹丸的部分能量转化到被压垮的材料上形成飞溅,进而在目标表面形成崩落区,通常随着毁伤深度的增加,飞溅再次回落到撞击坑,该种毁伤即宣告结束。相对于深层地下目标覆盖层厚度来说该种毁伤形式非常微弱,可忽略。

地冲击主要沿地层深度方向传播,由P波与S波的垂直分量共同叠加形成,其特点表现为强度大(GPa级)、传播速度快(通常约1 000 m/s左右)、衰减快、频率高(几百Hz)、传播距离近。如果目标为半无限介质,在强冲击波作用下,与棒体接触部分的地层材料迅速变形、压垮,不断被压实,直至形成不可压缩态,然后再将冲击波传递给相邻材料,逐步在地层中形成压实区。该种毁伤形式是造成深层地下目标毁伤的主要形式。

地震动主要沿目标表面传播,由R波和S波水平分量叠加而成,主要表现为强度低、传播速度漫、衰减慢、频率低、传播距离远等特点。通过地表横波可引起建筑物震动,一旦震动过载超过建筑物设计的承受值,将使得建筑物墙体开裂、坍塌形成破坏。该种毁伤形式是造成撞击点附近地表目标毁伤的主要形式。

从上述数值仿真可以看出,动能棒超高速撞击从开始撞击到侵彻结束,一直在形成纵波、横波和表面波,而且3种波几乎同时发生。在弹体正下方的土介质中,除了直接与弹体接触的表层土部分被熔化外,由里向外依次为破碎压实圈、塑性区(包括硬土中的拉伸破坏裂隙区)和弹性区。

2 动能棒超高速对地撞击毁伤效应表征参量

由于撞击成坑毁伤形式较为微弱,着重分析并得出波动效应的表征参量,包括地冲击和地震动,即主要通过测量地冲击波和地震动波来获得其对目标造成的破坏效应。

2.1 地冲击表征参量分析

地冲击主要沿目标法向向目标内传播,文献[8]通过在靶板中布设传感器的方法,获得了超高速撞击压力曲线,但该方法只适实于实验室,若要切实获取百千克级动能棒超高速对地撞击产生的地冲击数据,因撞击点有很强的不确定性,而地冲击主要沿深度方向传播,布设传感器一旦偏离传感器敏感位置,将造成测试数据的严重失真,因此布设传感器无法适应,需另找方法。

通过数值仿真结果可以看出：地冲击通过传入地层的强冲击波,可在地层中形成不同破坏区,这些破坏区主要有压实区、塑性区、弹性区等,而不同动能武器携带能量的大小可间接通过最终形成这些区的深度来反映,尤以压实区厚度为主,文献[12]研究表明,岩土中的压实区厚度,与超高速撞击的严重破坏深度大致成正比。为此通过测量压实区厚度,可更加直观地反映超高速动能棒对地的毁伤效果。

相对于未扰动部分,所形成的压实区参数的变化主要表征量为阻抗的变化,即密度ρ的变化和声速c的变化,现有测量技术条件能较准确测量介质密度ρ变化,通过压实区密度相对于原状土密度的增益来表征压实区厚度。

2.2 地震动波表征参量分析

超高速动能棒撞击地面后产生的强冲击波,沿地层传至地表后,引起地表物体的震动,这种震动主要表现为物体随R波产生的加速度,可通过安装在地表不同位置的3个方向(垂直地表方向、朝理论撞击点方向、逆时针沿圆周切向)过载传感器进行测试,进而积分求出震动速度和震动位移。

3 试验及测量方案

考虑到试验时实际撞击点的不确定性,动能棒超高速对地撞击毁伤评估参数主要表现为:在同一位置布设过载传感器实时测量撞击过程中表面波(R波)引起的地震动参数变化,以及试验后对实际撞击点压实区厚度(深度)的测试,最终获得动能棒超高速对地撞击的毁伤效果。

3.1 压实区厚度测量方案

根据数值仿真,地冲击是引起被撞击地层塑性变形的直接原因,而对于土壤这种多相介质而言,压实区厚度最直观的反映就是介质密度的变化,为此测量方案主要围绕着撞击前后土壤介质密度ρ的变化测量来确定压实区厚度,也就是说对于地冲击造成的压实区深度,主要考虑相对于原状土,密度有变化的区域即反映为压实区深度,直到与原状土密度相当为止。

测量介质密度ρ变化的主要方法是土工灌沙法。灌砂法是一种较为成熟方法[13],具体方法为:将均匀颗粒的标准砂,通过标准工装,由一定高度下落到一既定容积的筒或洞内,按标准砂密度不变的原理来测量试洞的容积,进而计算土体密度。

如图3所示,现场在撞击成坑正下方和距该坑中心50 m位置(未受扰动的区域)处开挖测试探井,探井采用阶梯式开挖,最上一级探井作业面台阶从撞击成坑边缘开始,每级探井作业面台阶深0.35～0.4 m,每一层探井作业面缩减尺寸根据防止探井塌方而定,直到与原状土密度相当为止;每级台阶根据台阶的实际大小测量3～6个点,每个实际测点尺寸约0.4 m×0.4 m,然后取密度平均值为该层密度。在每级台阶的平面上,采用现场土工灌沙法测量干容重和湿容重,并与同一相近位置处原状土干容重和湿容重进行比较,直到土样的密度与原状土密度相近(相差0.01 g/cm3)为止,最终确定压实厚度。

图3 土工灌砂法测试原理示意图

首先在试验地点取出一定质量的湿土mh,soil,灌入标准砂,并用式(1)计算填满试坑所需砂的质量msand：

msand=m0,sand-mc,sand-ml,sand

(1)

式中:m0,sand为灌砂入试坑前筒内砂的初始质量(g)；mc,sand为灌砂筒下部圆锥体内砂的平均质量(g)；ml,sand为灌砂入试坑后筒内剩余砂的质量(g)。

然后用式(2)计算试验地点砂砾土的湿密度ρh,soil(g/cm3)：

(2)

式中:mhsoil为试坑中取出的全部湿土样质量(g)；ρsand为标准砂的堆积密度(g/cm3)。

接着取出部分湿土样按式(3)计算其含水量ω:

(3)

式中:mh,soil为部分湿土样质量；md,soil为该土样烘干后剩余干土样质量。最后用式(4)计算出砂砾土的干密度ρd,soil(g/cm3),并与用相同方法测得相同深度处原状土干密度进行对比,给出压实区深度。

(4)

3.2 撞击过程中地震动参数试验方案

由于动能棒超高速对地撞击引起的地震动只存在于撞击过程,撞击结束后地震动在很短时间内即消失,而在此过程中,最直接反映地震动效果的就是过程中的加速度,因此对于撞击过程中地震动表征参数测量用实时加速度来反映。

为了获得较为准确的值,需在距撞击点不同位置处布设测量站,测量站由多路、多量程、三方向(垂直地表方向、朝理论撞击点方向、逆时针沿圆周切向)加速度传感器及其他辅助设备组成,通过数据采集设备实现对撞击产生过载的测量。

为确保不同测量站所测数据时间零位统一,采用“GPS时钟同步数据采集仪系统”完成时统和数据采集工作,所用采样率为100 kbit/s,分辨率为16 bit,每个通道的存储深度为120 MSa,相对精度为全量程的±0.5% (有效值),带宽为20 kHz(-3 dB时),为确保能采到数据,供电时间设计不小于6 h。

具体工作流程为:试验开始前1 h,打开采集仪和信号调理器的工作电源,使其处于待触发工作状态;设置GPS时钟定时器;GPS时钟定时时间到,输出触发信号启动采集仪记录数据,并存入存储器中;试验完成后,回收采集仪,通过笔记本电脑回读数据并进行数据分析处理。

4 测量方法验证

为探索超高速动能棒对地撞击的毁伤效果,并根据上述测量方案,进行了百千克级动能棒以超高速对硬戈壁(抗压强度约30 MPa)介质的撞击试验,获得了距撞击点不同距离处的地震动过载,及到地表不同深度的密度,进而获得了压实区厚度。

为方便对比,试验中除完成了2个动能棒的试验,同时还完成了3个非动能棒的试验,其中动能棒结构形式与数值仿真所用模型结构形式类似,材料为钨合金,非动能棒结构形式近似为圆台形,材料为普通钢。

图4给出了垂直地表方向“5次不同时刻、到测试点不同距离超高速动能对地撞击地震动”的测试结果,其中1和2为动能棒,3、4、5为非动能棒。由测量结果可以看出:从所测加速度值来说,动能棒沿地表释放的能量小,持续时间短,动能棒比非动能棒在地表形成地震动能量峰值小约50%;压实区深度明显大于非动能棒产生的压实区深度,二者相比动能棒所产生的压实区深度比非动能棒产生的压实区深度大约80%;动能棒沿深度方向释放的能量明显大于非动能棒沿深度方向释放的能量,这也进一步说明动能棒的主要毁伤形式是沿地层深度方向,对深层地下工事目标毁伤的可能性较大。

图4 验证试验结果

5 结论

根据动能棒超高速对地撞击数值仿真结果,得出了毁伤模式主要为地冲击和地震动,根据相应特点提出压实区密度和震动过载分别是地冲击和地震动的主要表征量,其值可分别通过灌砂法和实时动态震动传感器结合GPS同步采集仪来获取,通过动能棒超高速对地撞击试验,验证了该方法的可行性,为后续超高速动能棒对地撞击毁伤效果机理研究奠定了基础。