反向弹道火箭橇试验方法研究

胡 兵，王昆仑，李 辉，陈 诚，王玉涛

(中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200)

0 引 言

利用运动靶标(原为静止)去撞击静止弹体(原为运动)的试验方法称为反向弹道试验方法[1].从应力波传播观点来分析，弹丸以某一速度垂直撞击静止靶板和靶板以同一速度垂直撞击静止弹丸时，其受力过程与变形过程应是一致的.反向弹道试验主要基于轻气炮开展，是目前在战斗部研制前期进行壳体、装药以及引信试验的重要手段.

国内开展了大量战斗部缩比模型的反向弹道试验.孙有光[2]通过轻气炮反向弹道试验和靶场测试压电引信瞬发的对比试验，证明了反向弹道试验法可以代替实弹测试压电引信瞬发度；刘坚成等[3]利用反向弹道试验技术和数字图像方法，在152 mm轻气炮加载平台上建立了反向弹道实验系统，得到了不同侵彻条件下弹体结构的定量响应规律；赵生伟等[4]在130 mm轻气炮上进行模拟装药实验,结合数值计算结果评测缩比弹的装药安定性.上述研究均基于缩比模型开展，然而正反弹道试验在系统的初始输入动能、边界条件上不可避免地存在差异.赵生伟等[5]研究认为在相同的碰撞速度下，靶板相对弹体的质量比大于20时，变形能偏差在5%以内.轻气炮反向弹道试验中，试验靶板的尺寸和质量都很小，模拟弹丸的直径一般为10 mm级，与真实弹体差别较大，实验室环境对装药或引信也有限制，难以建立试验结果与全尺寸模型的等效性.

与轻气炮相比，基于火箭橇的反向弹道试验可以不受实验室环境的限制，特别适用于全尺寸(或大尺寸缩比)、全装药和具有完备引信的实弹系统.本文研究了反向弹道火箭橇试验方法、原理、特点以及在国外的发展现状，开展了某战斗部反向弹道火箭橇验证试验，获取了撞击过程的完整数据，验证了反向弹道火箭橇试验方法的可行性和优势.

1 原理与特点

火箭橇是在专用的轨道上，利用火箭发动机作动力推动火箭滑车高速前进的大型地面动态试验系统.火箭橇可以开展大到全弹系统，小至元器件的功能考核、参数测试等试验，试验领域几乎覆盖武器系统所有的功能，其中，高动态条件下的撞击试验应用最为广泛.常规战斗部火箭橇撞击试验采用正向弹道，即将战斗部固定于火箭橇车上，将战斗部作用的目标静止固定在轨道末端，战斗部随橇车加速至指定速度后撞击轨道末端的目标.反向弹道火箭橇试验是通过支架将战斗部可靠固定在火箭橇滑轨终点，火箭橇车搭载作用靶标加速至所需速度后，直接撞击静止战斗部.反向弹道火箭橇试验原理如图1 所示.

图1 反向弹道火箭橇试验原理示意图

反向弹道火箭橇试验主要通过高速摄影、X光照相、应力波测试、冲击振动测试等测试手段获取碰撞过程所需的数据，包括碰炸引信作用瞬发度，串联战斗部多级作用时间、破甲弹射流参数以及战斗部壳体结构响应、装药安定性等多种特征量.与正向弹道火箭橇试验方法相比，反向弹道火箭橇具有以下特点：

1)战斗部处于静止状态，不用经受火箭橇运行过程中恶劣的振动、冲击环境，不受火箭橇地面设施的干扰.战斗部安装姿态可以事先调整，从而精确控制弹目交会的姿态.

2)可以在弹体上安装传感器等测试设备，并通过硬线与数据采集设备相连，从而获得大量高分辨率测试数据，克服了正向弹道试验中弹体一直处于高速移动状态，无法进行测试数据的在线同步监测或者弹载测试的数据采样率及存储量受限等问题.

3)可以同时布设多个状态被试产品，实现单发试验考核不同状态产品性能，由于目标运行状态一致，各状态数据分析比对具有更高置信度，可有效节省试验费用.

反向弹道火箭橇试验特别适用于安装有敏感电子器件、不能承受火箭橇运行环境、性能易受火箭橇试验设施干扰的战斗部.反向弹道火箭橇试验的局限性主要在于：试验靶标的尺寸和重量受到火箭橇轨道的限制，也无法模拟高动态环境对被试产品性能的影响.

2 国外发展

美国桑迪亚国家实验室(SNL)首创了将目标加速撞击静止产品的反向弹道火箭橇试验，先后在Mk21再入飞行器、B61-12核炸弹等武器型号的地面试验中应用.

Mk21再入飞行器是美国和平卫士、民兵Ⅲ等洲际弹道导弹的末端载具.20世纪80年代，SNL在Mk21地面试验中开展了反向弹道高速撞击试验研究，试验靶标质量从百公斤到吨级，速度从亚声速至6 M[6-7].1985年4月，SNL完成了200 kg 目标以1 844 m/s的速度撞击再入飞行器的反向弹道火箭橇试验，如图2 所示.试验采用双轨火箭橇车，橇车头部垂直楔形上表面设计20°撞击斜面，有效载荷圆柱内部空腔包含有235 kg 的混凝土靶标.测试系统包括14个通道，使用了4个应变计，3个加速度计和7个压力传感器.试验时将Mk21再入飞行器固定在轨道末端，测试系统获取了撞击过程的完整数据.

图2 Mk21再入飞行器反向弹道火箭橇试验

B61-12核炸弹作为美国最新研发的一种可钻地氢弹，为了测试引信冲击传感器对撞击的反应以及弹体其他部件和系统的损坏时间序列，SNL进行了部件和系统级的反向弹道火箭橇试验[8-9]，如图3 所示.试验中，钢筋混凝土靶标安装在火箭橇车上，部件级试验中，B61-12引信组件悬吊在轨道末端；系统级试验中，B61-12模拟弹悬挂固定在轨道末端.撞击过程由高速摄像和DIC(数字图像相关)方法记录，模拟弹内的传感器数据通过外接电缆传输到测试系统，获取弹体变形数据，并与试验前的计算机仿真结果对比分析，以完善模型与真实产品的等效性[10-11].

(a)部件级试验

作为SNL滑轨的特色试验方法，SNL认为反向弹道火箭橇试验方法是在精确控制条件下进行撞击试验的最实用手段之一.SNL通过对轨道系统和发动机动力系统进行升级，以实现更高速度、更重目标的试验任务要求.同时SNL特别注重反向弹道火箭橇试验获取的高分辨率数据对计算机仿真模型的修正作用，通过多种工况仿真分析与典型工况试验相结合，节省研发成本，提升研发效率[12].

3 试验验证

某战斗部火箭橇试验的目的是获取引信作用和装药爆轰过程参数.采用反向弹道火箭橇试验方案，利用火箭橇装载靶标加速，与固定在滑轨终点的战斗部撞击，战斗部与靶标撞击后，引信触发，起爆试验战斗部.战斗部尾部数据线连接地面专用引信测试设备，地面布设高速摄像机.

火箭橇橇车前部安装靶标，后部安装4枚助推发动机.在发射点静态同步点燃助推发动机，发动机工作结束时火箭橇达到最大速度，之后惯性滑行至滑轨终点，降至指定速度，靶标撞击被试产品.靶标通过圆柱形舱段固定，舱段与火箭橇焊接连接，压板将混凝土板压紧在舱段内，靶标直径500 mm，火箭橇车如图4 所示.

图4 验证试验火箭橇示意图

模拟战斗部通过固定支架及钢锭安装在滑轨终点，将支架与钢锭焊接连接，四周用土层夯实，战斗部通过卡箍压紧在支架上，后端面通过挡板进行限位，避免撞击过程中后移.战斗部布设如图5 所示.地面数据采集设备和地面高速摄像布设在轨道终点一侧掩体内.采集设备通过信号线与被试产品连接，用于获取被试产品受撞击后引信触发时序，高速摄像用于捕获战斗部撞击与侵爆过程.

图5 验证试验战斗部布设示意图

试验系统工作正常，撞击速度706 m/s，战斗部起爆瞬间高速摄像照片如图6 所示.地面采集设备获取了靶标撞击战斗部时，战斗部不同位置的冲击过载，记录了传感器闭合—引信触发—主装药起爆的动作时序.通过地面高速摄影精确记录了发火起爆过程，并判读了从靶板撞击战斗部弹尖到装药爆轰的传递时间.

图6 战斗部起爆瞬间高速摄像照片

4 结 论

火箭橇试验相比于飞行试验的优点是它相对较低的成本，而反向弹道火箭橇试验相比正向弹道试验在安全性和数据质量上更有优势.

从SNL的经验看，数值计算和仿真已经成为战斗部和引信研制中重要的技术手段.通过创建计算机模型执行大量工况的仿真计算，从仿真分析中识别的趋势和影响条件中选取典型工况，开展全尺寸或大尺寸反向弹道火箭橇试验，利用试验获取的高速碰撞响应数据对计算机仿真模型进行校准，从而极大地缩短研制周期并降低成本.反向弹道火箭橇试验有望在未来更多类型战斗部火箭橇试验中应用.