高速侵彻战斗部终点弹道和引信过载特征

杜长河,李彩芳,贺一轩,邵志豪,张 珂,李 蓉

(1.机电动态控制重点实验室,陕西 西安 710065;2.西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

现代战争中,高速侵彻弹药对地面多层建筑、飞机洞库、地下指挥所、地下导弹发射库等深藏高价值硬目标和航母、驱逐舰等大中型水面舰船进行有效打击可以迅速摧毁敌方的有生战斗力量,甚至达到扭转战局的效果[1-2]。侵彻引信实时探测目标环境信息并进行信号处理,控制侵彻弹药在预定最佳炸点位置起爆,可实现对打击目标的最大毁伤效应[3]。

提高动能侵彻战斗部速度可以显著提升弹药的侵彻能力,但同时也给引信带来更为恶劣的生存环境和更加复杂的目标信息。引信过载信号叠加大量振荡信号,高频振荡将目标层信息淹没,层间过载彼此粘连,无法精确地辨识目标层[4]。科技人员采用不同方法对过载粘连进行解析和信号处理,以实现侵彻引信在打击多层硬目标时的精准计层。文献[5]对硬目标侵彻引信炸点控制方法进行了综述。文献[6]总结了国内外侵彻多层硬目标领域的引信研究现状,并分析了多层硬目标侵彻引信所涉及的侵彻信号获取与处理方式、计层算法研究及实现等关键技术。文献[7]基于侵彻过载数值仿真进行了侵彻引信计层起爆控制算法设计,提出采用弹丸识别入靶过载信号后短时屏蔽计层功能的方法实现目标正确计层。文献[8]对侵彻战斗部-引信系统进行了动力学建模仿真。文献[9]分析了基于应力波衰减材料的侵彻引信目标层特征凸显方法。

目前,对侵彻引信研究尚缺少高速侵彻战斗部打击硬目标时的终点弹道和引信过载特征分析,其中战斗部穿靶历程和战斗部速度、引信动态过载的时空对应规律研究尤其匮乏。实际上,新一代硬目标灵巧引信和智能侵彻引信的创新研制需要准确可靠的战斗部穿靶和引信过载基础数据与力学响应机理作为有效支撑。本文基于大型战斗部侵彻多层混凝土靶板和坚固厚靶典型硬目标场景,建立了包含战斗部外壳、炸药、引战结构、引信、目标靶板的有限元仿真模型,分析了战斗部终点弹道变化和靶板破坏形态,给出了战斗部典型穿靶状态与战斗部速度、引信过载的对应关系,以期为侵彻引信基础研究与创新应用提供技术参考。

1 基本概念和原理

侵彻战斗部高速撞击硬目标时,产生高压力使目标和战斗部发生变形造成破坏,战斗部挤压目标材料形成弹孔或贯穿目标。侵彻过程和破坏效果同战斗部的材料力学性质、结构、着速、着角、目标的材料力学性质和结构有关。侵彻终点弹道主要描述弹丸或战斗部在侵彻目标历程的运动规律、对目标的作用机理及破坏效应。侵彻引信作为侵彻弹药的起爆大脑,感知目标和环境信息,并控制弹药在最佳位置实施起爆达到预定毁伤效果。侵彻引信加速度过载作为起爆控制算法中重要的参考物理量,蕴含侵彻战斗部在终点弹道中的穿靶计层信息。设计侵彻引信起爆控制算法,需要战斗部侵彻终点弹道和引信过载特征的数据支撑。尤其在战斗部高速或超高速侵彻状态下,引信过载呈现高频振荡特征,常规起爆识别算法可能会造成控制失效,更需要加深对侵彻引信过载特征的认识。

2 侵彻战斗部终点弹道和引信过载

2.1 数值计算方法

为了保证研究结论具有通用性,本文选取1 200 kg大型战斗部侵彻4层混凝土靶板和9 m混凝土厚靶硬目标为研究对象。图1给出1 200 kg战斗部侵彻混凝土靶标模型。如图所示,战斗部包含外壳、炸药、引战连接结构和侵彻引信4部分。对于4层混凝土靶板,靶板抗压强度C45,厚度(0.3+0.18×3) m,靶板幅面3 m×3 m,靶板垂直间距为3.5 m,靶板倾角80°;对于9 m混凝土厚靶,靶标抗压强度C45,靶标长度9 m,靶标幅面3 m×3 m,厚靶倾角80°。考虑到模型对称性,建立1/2模型进行仿真计算,在不影响仿真精度的前提下对战斗部进行几何简化清理。

图1 1 200 kg战斗部侵彻混凝土靶标模型

对1 200 kg战斗部侵彻混凝土靶标模型进行有限元划分如图2所示。为了提高有限元仿真精度,采用六面体单元剖分方法。对单元进行光顺处理以提升单元质量,保持战斗部不同部件连接处单元密度一致以减小数据传递插值误差。对靶标侵彻位置区域单元进行局部加密以准确捕捉侵彻过程中引信动态过载变化。本文进行了单元数量无关性验证,最终确定侵彻4层混凝土靶板和9 m混凝土厚靶模型单元数量分别为183万和386万。

图2 有限元单元划分示意图

战斗部外壳材料为G50高强度钢。炸药选用双线性随动塑性材料模型,侵彻过程中不考虑炸药爆炸效应。引战连接结构和引信为钛合金材料。表1给出战斗部各组件材料模型参数。混凝土靶板选用HJC材料模型,采用kg-m-s单位制的材料模型参数如表2所示。定义合适的混凝土失效模型。

表1 战斗部组件材料模型参数

战斗部外壳与引战连接结构、引战连接结构和引信之间采用固连方式连接。战斗部外壳与炸药、炸药与引战连接结构、炸药与引信之间采用面-面连接方式,可以承受压力,承受拉力时面-面分离。战斗部与混凝土靶板之间采用面-面侵蚀接触模型,战斗部侵彻混凝土靶板时会删除达到失效标准的混凝土单元,战斗部与删除单元后的新表面形成面-面侵蚀接触。采用缩减积分算法进行显示动力学积分运算以加快计算速度,进行沙漏控制减小沙漏能输出。

利用火箭撬实验的战斗部速度和引信过载数据进行1∶1的数值模拟来校核有限元仿真数值方法准确性。本文边界和初始条件:战斗部初始速度900 m/s,固定混凝土靶板四周,时间比例因子0.6,定义合适的数据输出步长以有效捕捉战斗部终点弹道变化和引信动态过载特征。

2.2 研究结果分析

2.2.1战斗部侵彻4层混凝土靶板

战斗部侵彻4层混凝土靶板对应打击地面多层建筑作战场景。图3给出战斗部侵彻4层C45混凝土靶板终点弹道与应力云图。图4给出4层混凝土靶板侵彻破坏形态。可以看到,大型战斗部在高速侵彻过程中保持自身姿态不变,4层混凝土靶板对战斗部侵彻姿态的影响有限。战斗部卵型部区域直接与混凝土靶板发生侵彻撞击,侵彻过程中此处应力水平最高。混凝土靶板出现明显的孔洞扩张隧道区,随后弹体头部和混凝土背面间形成破碎块冲塞。由于应力波传递机制,应力波动由弹头向弹尾逐次传播,并在战斗部体发生反射和透射过程。战斗部弹尾穿出靶板后,卵型部区域应力明显下降。

图3 战斗部侵彻4层C45混凝土靶板终点弹道与应力云图

图4 混凝土靶板侵彻破坏形态

图5给出侵彻4层C45混凝土靶板战斗部速度曲线,图中各时刻代表的典型穿靶过程物理含义如表3所示。对于战斗部高速侵彻多层靶板,战斗部速度呈现出明显的阶梯降低特征。弹尖碰靶后由于战斗部在混凝土靶板进行开坑会受到明显的阻力作用,战斗部速度开始迅速降低。卵型部完全入靶后混凝土靶板形成完整的开坑隧道,侵彻此层混凝土靶板的战斗部速度降低趋势终止。在卵型部完全入靶到弹尾离靶区间内,战斗部沿着开坑隧道前进,速度保持相对稳定。在弹尾离靶到弹尖碰下一层混凝土靶板区间内,战斗部在空中自由飞行,速度继续保持稳定状态。

表3 侵彻4层C45混凝土靶板典型穿靶时刻

图5 侵彻4层C45混凝土靶板时战斗部速度曲线

图6给出侵彻4层C45混凝土靶板引信加速度过载曲线。从图中可以看到,战斗部高速侵彻混凝土靶板,引信动态过载呈现明显的高频振荡特征,难以准确进行层识别。这是因为战斗部卵型部侵入靶板后由于弹靶之间发生剧烈撞击,战斗部内激发出应力波。应力波首次传递到引信位置处引起引信过载峰值激励,而后应力波在战斗部内不断发生反射、投射等传递过程导致应力波逐渐衰减,引信过载曲线发生高频振荡,此时过载振荡明显低于过载峰值激励,直至发生下一次弹靶撞击并引起新的峰值激励和振荡。观察图6可知,引信加速度过载存在着4个过载峰值明显高于前后过载振荡幅值,峰值量级在40 000～50 000g,这与战斗部高速侵彻4层混凝土物理过程相对应。由于侵彻引信安装在战斗部底部,弹尖区域碰靶首先激发应力波动而后传递到弹底引信位置需要一定时间,过载峰值位置出现在卵型部完全入靶ti2到弹尾离靶ti3的约前1/4区间时刻处。

2.2.2战斗部侵彻9 m混凝土厚靶

战斗部侵彻9 m混凝土厚靶对应打击深埋高价值硬目标。图7给出侵彻9 m C45混凝土厚靶战斗部终点弹道和应力云图。战斗部以高速在混凝土厚靶进行开坑和形成隧道区,弹尖区域因为直接与混凝土侵彻前端接触,战斗部在靶内侵彻过程中此处应力水平最高。

图7 侵彻9 m C45混凝土厚靶战斗部终点弹道和应力云图

图8给出侵彻9 m C45混凝土厚靶战斗部速度曲线。战斗部在侵彻混凝土厚靶时速度变化较为平缓。自弹尖碰靶t1至弹尖出靶t4区间,战斗部速度逐渐下降;随着战斗部侵入混凝土厚靶,战斗部速度下降趋势略有减缓;弹尖出靶t4至卵型部完全出靶t5区间,战斗部下降速度放缓;卵型部完全出靶t5至弹尾出靶t6区间,由于混凝土隧道区完全形成,战斗部速度保持不变。

图8 侵彻9 m C45混凝土厚靶战斗部速度曲线

图9给出侵彻9 m C45混凝土厚靶引信加速度过载曲线。战斗部侵彻混凝土厚靶过程中,引信动态过载高频振荡,过载峰值达9万g量级。可以看到,由于应力波在弹体内传递,弹尖碰靶t1至卵型部完全入靶t2区间内引信过载较低,卵型部完全入靶t2至弹尖出靶t4区间内引信过载剧烈振荡,引信过载峰值出现在弹尾入靶t3时刻。弹尖出靶后引信过载迅速降低到较低水平。

图9 侵彻9 m C45混凝土厚靶引信加速度过载曲线

3 数值计算验证

以某全尺寸战斗部侵彻多层混凝土靶板火箭撬动态试验为基准,建立1∶1有限元仿真模型,进行数值计算验证。动态试验工况为1 200 kg战斗部高速侵彻10层混凝土试验,首层靶板厚度0.3 m,其余9层靶板厚度0.18 m,靶板垂直间距3.5 m。在高速侵彻试验中,侵彻引信加速度传感器获取加速度过载信息,侵彻引信依据过载信号特征进行目标识别与炸点控制。对于侵彻引信加速度过载,最重要的过载特征为侵彻过载峰值、过载脉宽。基于2.1节数值计算方法,本文进行冲击动力学有限元数值计算,并选取具有典型代表性的侵彻过载峰值、脉宽作为评价指标,比较试验与仿真的过载特征以验证数值计算方法正确性。图10和图11分别给出侵彻过载峰值、脉宽对比结果。可以看到,利用本文有限元仿真方法进行数值计算可以准确地对战斗部侵彻多层混凝土及引信过载特征进行描述。

图10 战斗部侵彻多层混凝土靶板引信过载峰值对比

图11 战斗部侵彻多层混凝土靶板引信过载脉宽对比

4 结论

本文基于高速侵彻弹药打击地面多层建筑与深埋高价值硬目标场景,建立了包含战斗部外壳、炸药、引战结构、引信和目标靶板的有限元仿真模型,分析了战斗部终点弹道特性、混凝土靶板侵彻破坏形态和引信动态过载特征,研究了战斗部穿靶历程和战斗部速度变化、引信过载的时空对应规律,主要研究结论如下:

1) 战斗部高速侵彻4层C45混凝土靶板时,混凝土靶板出现明显的隧道区,卵型部直接与靶板撞击导致应力最高。战斗部速度呈现出明显的阶梯降低特征,在弹尖碰靶至卵型部完全入靶区间战斗部速度开始迅速降低,而后在弹尖碰下一层靶板前速度保持相对稳定。引信动态过载呈现明显的高频振荡特征并存在4个过载峰值,过载峰值位置出现在卵型部完全入靶到弹尾离靶的约前1/4 区间时刻处,可为依据引信过载曲线设计识别与起爆算法并最终控制战斗部在最佳位置实施起爆提供理论基础和数据支撑。

2) 战斗部高速侵彻9 m C45混凝土厚靶时,战斗部在混凝土厚靶进行开坑和形成隧道区,弹尖碰靶至弹尖出靶区间战斗部速度逐渐下降,随着战斗部侵入混凝土厚靶战斗部的速度下降趋势略减缓。卵型部完全入靶至弹尖出靶区间内引信过载剧烈振荡,引信过载峰值出现在弹尾入靶时刻。