高速机动目标毁伤试验替代技术可行性研究

王菲菲， 贺奇龙

（郑州机电工程研究所， 河南 郑州 450015）

0 引言

国外现役的隐身战机对地面目标实施首波打击时，将主要采用防区外发射精确制导弹药对机动作战单元实施攻击， 各类精确制导弹药是我军地面防御设施面临的主要威胁。精确制导弹药的战斗部厚度尺寸较大，且范围较广，为应对此类日益增强的高速导弹、精确制导炸弹的威胁，为研究高效毁伤武器、提高武器装备的作战效能，世界各军事强国都十分重视其靶标技术的研究与应用工作。靶标主要用于武器系统的论证研究、作战性能评估和鉴定等，对武器装备试验与鉴定的可信度，在很大程度上取决于靶标模拟威胁目标的逼真程度。

1 研究现状

1.1 国外研究现状

目前，美、俄等国家高度重视靶标特别是超声速靶弹的发展建设，以美国为代表，先后发展形成超音速靶标有AQM-37 超声速靶弹、 丛林狼超声速掠海靶弹和MA-31超声速靶弹。 同时美国对无人机靶标投入逐年加大，并发展出“石鸡”（Chukar）系列靶机、“火蜂-1”（Firebee-1）系列靶机、“火蜂-2”（Firebee-2）系列靶机、“火弩”（Firebolt）超音速靶机、“掠夺”（JAYHAWK） 超音速靶机等靶机系列，几乎涵盖了低速靶、亚音速靶和超音速靶类型，但是成本都普遍偏高。

世界其它国家也都投入大量经费来研制、生产和靶标，俄罗斯也发展有RM-5V27A 火绳枪靶弹和宠臣-M 靶弹；南非研制的“贼鸥”（Skua）靶机最高速度能达到0.81Ma。

现阶段，国外超声速靶标发展趋势主要体现在改装、新研与引进多种靶弹发展方式相结合，突出实战需求、广泛的模拟能力等方面。 但目前没有查询到可在地面进行高速运动靶标模拟的试验装备。

1.2 国内研究现状

根据国内导弹武器的需求，我国自力更生发展起来了自己的靶标系统， 如S-200W、S-300 靶标等已大量供应部队使用。 国内对高速靶标的研制也在紧跟国际研发思路，成立了低、中、高速靶标的研究团队。 但同样都是采用专门研制或者是利用废旧弹药改造方式的研发思路，无法摆脱成本高、试验场地要求高、速度难控制，弹目交汇窗口小等技术瓶颈。 因此，难以在防空弹药战斗部研制及验收过程中进行有效威力指标验证，现有的杀伤元对快速目标的毁伤能力多以静态实验数据作为验收依据，缺少毁伤元对快速目标毁伤能力的有效实验数据，因此也难以有效评估防空弹药的威力指标。 与国外先进水平相比，还有一定差距。

从总体上看， 国内外武器研究机构在当前技术条件下，对高速目标的毁伤模拟实验大多采用靶机、靶弹或静态靶板。 试验用靶机飞行成本高，击落即可，对于模拟弹药毁伤效果不做要求。 静态靶只模拟对导弹壳体的静态毁伤，未能考虑威胁目标空中飞行速度的影响，特别是针对聚能装药，由于涂抹效应，静态靶射击试验效果差别较大。 而采用高速旋转实验平台来模拟高速导弹的线速度进行实验比较恰当可以解决上述两方案的不足， 需要研发高速旋转实验平台， 高速旋转靶可一定程度上替代前述产品，且国内外尚无类似产品。

2 旋转运动目标替代高速直线运动目标可行性技术研究

基于上述背景， 通过仿真研究和实弹射击试验数据比对来寻求直线运动靶和旋转运动靶的等效关系。

2.1 侵彻直线运动靶和旋转运动靶仿真分析

通过垂直侵彻横向运动靶来分析靶板横向运动对弹丸侵彻的影响。主要工况如下：侵彻模型中弹丸为钨合金锥形弹，圆柱部分直径为16mm，质量为150g，以1150m/s的速度， 侵彻以0～300m/s 速度移动的45# 钢平板靶，靶板厚度为25mm。 弹丸最大直径为16mm，弹丸材料参数为：密度17.0g/cm3，弹性模量为407GPa，泊松比0.28；靶板材料参数为：密度7.83g/cm3，弹性模量为206.8GPa，泊松比0.3，侵彻直线运动靶模型如图1 所示。

图1 弹丸侵彻直线运动靶模型

弹丸侵彻以0～300m/s 切线速度旋转运动的旋转靶，旋转靶的最大线速度等同于直线运动靶的直线速度，侵彻旋转靶模型如图2 所示。图3 与图4 对比发现，当旋转靶的切线速度增大时，弹丸存速下降。 弹丸轴向速度历程曲线变化规律与侵彻直线运动靶的特征一致。 旋转靶在不同切线速度下的弹丸曲线在100μs 之前基本重合，而在此之后，弹丸轴向位移随着旋转靶切线速度的增大而减小。 弹丸轴向位移时程曲线变化规律与侵彻直线运动靶的特征一致。 弹轴与射击水平方向的夹角是在不断变化的， 靶板横向速度越大，弹丸角度偏转值越大。弹丸角度偏转曲线变化规律与侵彻直线运动靶的特征一致。

图2 弹丸侵彻旋转运动靶模型

图3 侵彻直线运动时弹丸轴向速度曲线、轴向位移曲线及弹丸角度偏转曲线

图4 侵彻旋转运动弹丸轴向速度曲线、轴向位移曲线及弹丸角度偏转曲线

2.2 侵彻贯穿孔洞大小特征分析

构建高速射弹侵彻动目标的模型， 通过仿真获得了弹丸侵彻25mm 厚钢制靶板的数据， 弹丸侵彻直线运动和旋转运动目标的毁伤效果如图5 所示， 毁伤穿透形成的孔洞大小见表1。

表1 侵彻毁伤结果

图5 弹丸侵彻不同运动速度靶板的毁伤效果

表1 列出了直线运动靶和旋转靶在不同速度下的被弹丸毁伤穿透的数据，仿真结果表明：①在同等速度下，弹丸对旋转靶造成的毁伤孔洞尺寸比对直线运动靶板造成的毁伤尺寸大，但较为接近；②弹丸对直线运动靶和旋转靶的毁伤孔洞尺寸变化规律一致， 均随着靶板运动速度的升高，弹丸对靶板毁伤形成的孔洞越大，且孔洞形态的长宽比随靶板速度升高而增大； ③毁伤孔洞尺寸随着靶板速度升高后的增长趋势变缓， 弹体将更多的动能转化为侵彻深度；④剩余动能情况对比表明，弹丸侵彻同等速度下的直线运动靶损失能量更多， 但二者的剩余动能相对误差均小于12%。

2.3 对比结论

通过以上的分析计算结果对比， 表明弹丸侵彻直线运动靶与等效后的旋转运动靶相比， 其弹丸剩余速度大小、 弹丸的轴向位移变化和弹丸角度偏转情况变化具有一致性， 弹丸侵彻贯穿直线运动靶板和旋转靶板形成的孔洞特征一致且大小相近， 旋转靶的切线速度和直线运动靶的速度对弹丸侵彻毁伤的影响接近。 从弹丸侵彻动目标损耗的能量角度方面看， 旋转靶与直线运动靶具有较好的等效替代性。综上所述，旋转靶代替直线靶的试验研究具有较好的等效替代性，等效研究方法合理性，可为实验室条件下开展弹丸侵彻旋转靶的等效试验方法设计、理论的深入分析提供较好的参考价值。

3 实验平台的射击试验与评估

高速旋转实验平台系统是为模拟弹药毁伤试验而设计的一套专用系统， 具备在地面上实现对亚音速目标运动的模拟，可为高速目标毁伤能力研究提供试验平台。主要由旋转靶装置、驱动系统、监测控制系统、液压制动系统、辅助设备（动平衡检测系统、温度检测系统、冷却润滑系统）和防护装置组成，组成结构如图6 所示。

图6 高速旋转实验平台产品组成

图7 高速旋转实验平台实体模型

3.1 静态射击仿真与试验

侵彻毁伤试验的典型方式为动能弹垂直侵彻静止靶，如图8 所示，30mm 次口径脱壳穿甲弹（钨芯）以1150m/s侵彻25mm 厚钢制静止靶，弹丸最大直径为16mm，弹丸材料参数为：密度17.0g/cm3，弹性模量为407GPa， 泊松比0.28；靶板材料参数为：密度7.83g/cm3，弹性模量为206.8GPa， 泊松比0.3。

图8 弹丸垂直侵彻静止靶

3.1.1 侵彻静态目标模型建立弹丸侵彻静态目标的有限元模型， 经过前处理所得到网格模型如图9 所示，将靶板固定，给钨合金弹丸施加1150m/s 的速度垂直侵彻25mm 厚的靶板， 分析侵彻冲击过程的靶板毁伤情况。

图9 侵彻静态目标模型

3.1.2 侵彻仿真结果

弹丸侵彻静止靶过程中， 弹丸对靶板穿透形成一个孔洞毁伤， 孔洞最大尺寸为21.6×21 （mm），穿透后弹丸存速为868m/s，靶板被侵彻过程中受到的最大应力为1072.2MPa。 在不同时刻侵彻靶板的过程图如图10 所示。

图10 30 脱壳穿甲弹对静态圆柱靶板侵彻过程图

3.1.3 侵彻试验结果

通过对典型目标进行的易损性分析， 结合旋转靶的结构， 设计与之等效的模拟圆柱靶板， 并采用30 弹道炮发射Ⅱ型30mm脱壳穿甲弹 （弹丸初速为1150m/s）对静态圆柱靶板（速度为0m/s、材料为45 钢、壁厚为25mm）进行射击试验。

3.1.4 结果对比

静态射击仿真与试验结果对比如表2 所示。

图11 射击静态圆柱靶板影像

表2 静态射击结果对比

3.2 动态射击仿真与试验

3.2.1 侵彻动目标模型

侵彻模型中弹丸为钨合金锥形弹， 圆柱部分直径为20mm，质量为150g，以1150m/s 的速度，分别侵彻以120、300m/s 速度移动的45# 钢平板靶， 靶板厚度为25mm，见图12。

图12 弹丸90°侵彻旋转靶板模型

3.2.2 侵彻仿真结果

弹丸侵彻钢板时的速度变化曲线如图13、14 所示。

图13 弹丸速度变化曲线（300m/s）

弹丸侵彻300m/s的旋转靶板过程中， 弹丸对移动靶板穿透形成一个孔洞毁伤，孔洞最大尺寸为42.4mm×28mm，弹丸速度减小到525m/s，靶板被侵彻过程中最大应力为1131.7MPa。 弹丸侵彻120m/s 的旋转靶板过程中，孔洞最大尺寸为28mm×26mm，穿透后弹丸存速为841m/s，靶板被侵彻过程中受到的最大应力为1101.7MPa，见图15、图16 所示。

图14 弹丸速度变化曲线（120m/s）

图15 300m/s 速度侵彻旋转目标

图16 120m/s 速度侵彻旋转目标

3.2.3 侵彻试验结果

驱动旋转靶分别以最大切线速度为120m/s、300m/s稳定运行后，用30 弹道炮发射Ⅱ型30mm 脱壳穿甲弹对圆柱靶板进行射击试验， 记录了圆柱靶板的毁伤情况如图17、图18 所示。

图17 动态射击靶板毁伤情况（120m/s）

图18 动态射击靶板毁伤情况（300m/s）

3.2.4 结果对比

动态射击仿真与试验结果对比如表3 所示。

表3 动态射击结果对比

3.3 仿真与试验结果对比

通过对试验数据取平均值，靶板在0、120m/s、300m/s 旋转速度下的毁伤孔洞大小分别为22.8×21.3×25（mm）、26.9×24.8×25（mm）、48.1×25.7×25（mm），与仿真数据相比，试验结果接近， 表明高速旋转实验平台的旋转靶动目标的毁伤数据与作直线运动动目标的毁伤效果接近， 证明用旋转靶的切线速度等效直线运动动目标是合理的。

4 结束语

本文提出的高速旋转实验平台作为一套专用实弹射击毁伤模拟的试验系统，以旋转角速度换取高速线速度，在地面上利用旋转靶外圆周面的切线速度模拟亚音速目标运动，进而进行实弹射击试验，可模拟空中直线运动目标的毁伤效果， 开展对高速运动目标的毁伤效果模拟试验研究任务。后续可通过积累的试验数据，建立动目标的毁伤评估模型， 形成一套完善的动目标毁伤评估模拟系统。 可解决防空兵器对高速精确制导弹药的毁伤试验研究存在靶标费用高、 靶标重复利用率低、 靶标速度难控制、射击难命中、毁伤形态难保存、试验结果难复现、试验场地要求高、试验难组织效率低等多重问题。