多种侵彻环境的弹药炸点控制研究

2022-07-10胡晓东蒋学乔赵保全

兵器装备工程学报 2022年6期

胡晓东,熊伟，蒋学乔，芮亮，赵保全

(重庆红宇精密工业集团有限公司，重庆 402760)

1 引言

随着目标防护能力的不断增强，侵彻弹药的需求日趋增多，而侵彻弹药作战效能发挥的关键是穿入目标内部的特定位置爆炸。因此，如何实现弹药有效侵入目标，并在目标内部爆炸，已成为行业研究热点。特别是近年来，作战使用方根据实战需要，对侵彻弹药提出既能适应多种打击目标，又能适应多种弹目交会条件的新要求，将炸点控制研究推向新高潮。

2 多种侵彻环境特点分析

侵彻弹药的打击目标主要有钢甲类和工事类，可细分为单层、多层、单介质、多介质等，而且目标的厚度还存在较大差别。如单层厚约50 mm钢甲的大型舰船甲板、多层厚约10 mm钢甲的舰船隔舱、单层厚约500 mm钢筋混凝土的碉堡、“厚约1 000 mm土层+厚约6 000 mm钢筋混凝土”的多层复合防御工事、多层厚约200 mm钢筋混凝土的楼宇等。

由于弹目距离、目标状态千差万别，导致弹目交会条件多样，体现在侵彻方面的变化主要是着角和着速的波动，有的侵彻弹药着角波动达几十度，着速波动达数百米。

综上，侵彻环境的变化主要涉及目标介质的类型、厚度，弹目交会的角度、速度等参数，各种状态的组合将导致侵彻工况多样，其侵彻过程中的特点也有较大差别。以800 m/s着速、30°着角侵彻20 mm钢甲和600 mm钢筋混凝土为典型工况为例，以弹头部、中部和尾部为3个典型监测点，仿真计算得到侵彻速度与时间的关系、侵彻过载与时间的关系，分别见图1、见图2。

图1 侵彻速度曲线Fig.1 Relationship between penetration velocity and time

图2 侵彻过载曲线Fig.2 Relationship between penetration overload and time

由图中得到侵彻钢甲目标的时间为0.6 ms、速度衰减为54 m/s、3个典型点的弹体最大平均过载35 534，侵彻钢筋混凝土的时间为1.5 ms、速度衰减为192 m/s、3个典型点的弹体最大平均过载27 662。进一步表明，仅目标介质变化就对侵彻时间、过载、速度衰减等参数产生较大严重，若考虑速度波动、着角波动，以及多层、多介质结构的侵彻环境，其影响将更大。故炸点控制设计时需高度关注侵彻环境的影响，必须覆盖所需打击的目标及弹目交会条件，才能实现最佳毁伤效果。

3 炸点控制技术应用分析

侵彻弹药的炸点控制一般以引信为载体，通过增加计时、计层、计行程、介质识别、空穴识别等功能来实现。无论是哪一种功能，其本质上都属于触发延期起爆，包括固定延期、可装定延期，以及具有目标特性识别能力的智能可编程延期等起爆模式。

其中，固定延期起爆模式通常采用惯性触发元件感知侵彻过载，并通过固定延期的电火工品或延期电路，实现靶后延期起爆，如美国FMU-143B/B引信；可装定延期起爆模式通常采用对冲击敏感的触发元件感知侵彻过载，并通过可编程延期控制电路或单片机实现靶后可变延期起爆，如法国MAFIS引信；智能可编程延期起爆模式通常采用对冲击敏感的触发元件感知侵彻过程的动态信号，并比对目标特征参数判定目标类别，以实现对多层、多介质等复杂目标的智能打击，是侵彻弹药引信的重要发展方向，如德国的PIMPF引信。

分析三类延期起爆模式工作原理可知，固定延期起爆模式具有实现简单、可靠性高的优点，但存在延期时间不可改变，目标适应性差等缺点，可广泛应用于低成本的无控弹药；可装定延期起爆模式能根据打击目标特性提前进行时间装定，具有目标适应性强的优点，但存在作战规划要求高，弹药必须具有装定功能等缺点，可广泛应用于具有装定功能的制导弹药；智能可编程延期起爆模式能根据目标特性实时装定延期时间，具有更高的目标适应性和炸点控制能力，但存在抗高过载要求高、抗干扰要求高及成本高等缺点，可应用于高价值、多用途的先进侵彻弹药。

4 延期起爆设计与验证

4.1 典型弹药侵彻工况及仿真分析

以105 mm炮弹为典型，弹重为15 kg，长径比为6，采用弹底引信，其结构如图3所示。

图3 弹丸结构示意图Fig.3 Schematic diagram of projectile structure

根据弹道及目标分析，设定表1中的8种侵彻工况。

表1 典型弹药侵彻工况Table 1 Typical ammunition penetration conditions

就表1各种侵彻工况采用LS-DYNA软件进行仿真计算。其中，弹体为30CrMnSiA，船用钢为907A，材料模型均采用Johnson-Cook；钢筋混凝土采用直径6.5 mm的钢筋，并按3层125 mm×125 mm网格的均布排列，材料模型采用Johnson-Holmquist-Concrete，着角为弹轴与靶标法线方向夹角，不考虑攻角。由此得到表2所示的侵彻时间、余速及引信位置的最大过载。

表2 各种侵彻工况下的计算值Table 2 Calculation data under various penetration conditions

4.2 延期起爆设计及参数设定

根据3种炸点控制技术，以靶后3 m内起爆为目标，对105 mm炮弹进行3种延期起爆设计。

1) 固定延期起爆设计

固定延期起爆设计的关键在于触发过载阈值和延期时间。对于过载阈值设计，一是要确保弹道安全；二是要兼顾各种侵彻工况；三是要确保具有高灵敏度，具体值可根据实际情况设定。对于延期时间设计，一是延期零点尽可能靠前，降低引信抗高过载设计的难度；二是时间精度尽可能高，尽可能采用高精度的延期火工品或电路；三是兼顾所有侵彻工况，尽可能确保各种工况都能在目标内部爆炸。

根据以上原则，可以峰值过载的10%为阈值，以触靶为时间零点，按靶后直线弹道3 m距离起爆点为延期时间，计算得到表3中各种侵彻工况的过载阈值及延期时间。分析表3的数据可知，过载阈值只能选择8种侵彻工况中的最小值，即1 094；但延期时间若设定为4.47 ms，因第7和第8种侵彻工况的侵彻时间已大于此值，会出现靶中炸现象，无法实现靶后炸要求；若将延期时间增大，靶后弹丸飞行距离会超过3 m，可能导致弹丸二次碰击目标，对弹丸及引信强度设计带来更大难度。由此表明固定延期起爆有时将无法满足所有侵彻工况，延期时间设计可根据主要的打击目标及弹目交会条件做一定取舍。

表3 各种侵彻工况下的触发过载阈值及延期时间Table 3 Trigger overload threshold and delay time under various penetration conditions

2) 可装定延期起爆设计

可装定延期起爆与固定延期起爆类似，主要差别在于侵彻弹药需具备装定功能，且射击前需根据目标特性及弹目交会条件进行装定，不仅确保靶后炸，而且确保在目标内部的特定位置炸，一般期望在目标内部几何中心炸。根据靶后 3 m内起爆要求，按靶后1.5 m的几何中心炸，计算8种侵彻工况的延期时间，具体数据见表4。实战使用时，因目标特性、着速、着角等变化组合很多，难以根据各种组合来装定不同的延期时间，一般选取有代表性的侵彻工况装定特定的延期时间，实现在目标内部几何中心附近炸即可。

表4 各种侵彻工况下的靶后1.5 m炸延期时间(ms)Table 4 Delay time of 1.5 m behind target under various penetration conditions

3) 智能可编程延期起爆设计

智能可编程延期起爆设计的关键是判定弹丸出靶时刻和出靶速度。对于出靶时刻，可通过加速度传感器感知卸载来判定，即可设定过载小于1 000时判定弹丸已出靶，以消除8种侵彻工况侵彻时间近10 ms的差别，确保百分之百的靶后炸；对于出靶速度，可对传感器所测数据进行解算得到，再根据炸点要求计算延期时间，实现在目标内部最佳位置爆炸。但由于引信需在侵彻过程中进行实时解算，对其抗过载性能和抗干扰性能要求高。

4.3 试验

鉴于105 mm炮弹属于低成本的定装式弹药，且为弹底引信，难以实现装定；同时鉴于智能可编程受干扰因素多，解算复杂。故暂对固定延期起爆设计进行了验证。

试验时设定过载阈值为1 094 g，延期时间为4.47 ms，以后靶面为距离零点，向后为正，向前为负，采用高速摄像和标杆判定靶后炸点位置，共进行了14发有效试验，其主要参数见表5，实际拍摄的典型炸点见图4。

图4 试验典型炸点场景图Fig.4 Typical explosion point of test

表5 各种侵彻工况下炸点的主要技术参数Table 5 Explosion point under various penetration conditions

分析表5中数据，发现实际炸点比理论炸点靠前，其原因主要有2个方面：一是时间零点为弹头接触靶标时，而引信处于弹底，故炸点的距离零点为弹底刚离开靶面，即需考虑一个弹身长的运动时间，可按弹长除以靶后余速得此时间；二是炸点判读受高摄视场远、爆炸火光及烟尘干扰等影响，特别是近靶爆炸的火光和烟尘影响非常大，不易精确判读炸点位置。经时间修正后，得到的修正炸点与实际炸点基本吻合，表明固定延期起爆设计方法的正确性。