超音速反艦導彈戰斗部著速對引信延期作用時間影響*

吳建剛 詹廣平

(海軍駐武漢三江航天集團軍事代表室 孝感 432000)

超音速反艦導彈戰斗部著速對引信延期作用時間影響*

吳建剛 詹廣平

(海軍駐武漢三江航天集團軍事代表室 孝感 432000)

為研究超音速反艦導彈戰斗部著速對引信延期作用時間的影響,利用LS-DYNA軟件建立超音速反艦導彈侵徹艦船目標模型并進行仿真,獲得了反艦導彈高速碰擊35mm艦船鋼甲過程中戰斗部能量及速度變化規律,計算了引信在艦船鋼甲內2m～4m位置延期作用時間過程中,戰斗部著速的變化對引信延期作用時間的影響。仿真結果表明:著速在5Ma以上的超音速反艦導彈引信可以忽略3.5cm厚艦船鋼甲對引信延期作用時間的影響。仿真得到的引信延期作用時間為設計引信機械發火機構提供了基礎數據支持

超音速反艦導彈; 引信; 延期作用時間; 侵徹

Class Number E927

1 引言

目前針對穿甲問題的研究主要集中于兩個方面:一是各類戰斗部侵徹目標過程的過載特性研究,包括侵徹單層、雙層和多層裝甲靶板[1～3],侵徹土壤混凝土介質[4],侵徹單層和多層混凝土[5～6],侵徹鋼筋混凝土[7];二是硬目標侵徹引信技術研究,主要包括關鍵技術研究[8],半實物仿真虛擬試驗技術[8],引信起爆控制方法研究[9],控制裝置設計[10]等。另外還可見為數不多的侵徹引信用電源和侵徹硬目標發火機構等研究。關于侵徹引信延期時間的研究僅有對引信延期時間裝定方法的研究[11],研究的侵徹目標為地下多層介質。未見文獻對超音速反艦導彈引信侵徹艦船目標的延期作用時間報道。

隨著各國海上作戰能力的不斷提高,反艦導彈飛行速度由亞音速提高到了超音速,反艦導彈引信在亞音速條件下碰擊目標時的工作狀態和延期作用時間已不適于超音速條件,研究超音速反艦導彈引信延期作用時間變化規律對未來超音速反艦導彈引信設計具有理論指導意義。

2 延期時間計算

超音速反艦導彈戰斗部采用截卵形頭部結構,配置觸發延期引信,戰斗部依靠其動能穿過艦船內部合適位置起爆。假設超音速反艦導彈戰斗部碰擊艦船鋼甲時刻作為引信延期作用時間計時起點,戰斗部頭部抵達起爆點時引信延期作用時間結束。圖1為延期時間內超音速反艦導彈戰斗部運動位置示意圖。

圖1 超音速反艦導彈運動位置示意圖

超音速反艦導彈侵徹單層艦船鋼甲時間t包括兩部分:戰斗部碰擊目標開始到戰斗部卵形部分完全穿過艦船鋼甲時間t′和從t′時刻開始到戰斗部頭部到達起爆位置的時間t″。

t=t′+t″

(1)

式中:L為戰斗部卵形部長度;S為預定起爆位置到艦船鋼甲內表面距離;B為艦船鋼甲厚度;v(t′)、v(t″)為兩個運動階段戰斗部運動速度。

3 戰斗部著速對引信延期時間的影響

艦船鋼甲相對于超音速反艦導彈戰斗部直徑來說屬于薄靶板,超音速反艦導彈穿透艦船鋼甲的過程可用能量守恒的方法進行分析。

超音速反艦導彈戰斗部侵徹艦船鋼甲時,艦船鋼甲在穿孔的軸向和徑向產生劇烈的塑性變形,材料沿戰斗部軸向方向運動。超音速反艦導彈戰斗部為截卵形頭部,戰斗部即將穿透艦船鋼甲時,艦船鋼甲被戰斗部沖出一圓柱形塞塊,隨著戰斗部的侵入深度增加,艦船鋼甲在戰斗部卵形頭部邊緣形成徑向破裂,艦船鋼甲上形成的圓形孔洞隨之擴大,戰斗部穿過艦船鋼甲后,形成一個直徑與戰斗部外徑相同的圓形孔洞。戰斗部初始動能一部分被靶板耗散,一部分成為戰斗部剩余動能。假設戰斗部垂直穿過艦船鋼甲,根據動能定理,可以得到戰斗部穿甲后的剩余速度:

(2)

式中:m為戰斗部質量;v0為戰斗部著靶速度;vr為戰斗部穿甲后剩余速度;E0為戰斗部穿甲消耗能量。

將戰斗部穿甲過程中消耗的能量與戰斗部初始動能之比稱為戰斗部能量損失率。則穿甲過程中戰斗部能量損失率λ可表示為

(3)

將戰斗部穿甲后剩余速度與初速的比值稱為戰斗部的存速率。存速率μ可表示為

(4)

由于戰斗部穿甲過程中消耗能量變化不大,其動能與速度的平方成正比,隨著戰斗部著靶速度的提高,其動能顯著提高,由式(3)可得,隨著戰斗部著靶速度的提高,其能量損失率λ將逐漸減小,趨近于0;由式(4)可得,隨著能量損失率λ的減小,戰斗部存速率逐漸增大,接近于1,此時艦船鋼甲對戰斗部穿甲后剩余速度的影響逐步減小,即艦船鋼甲對引信延期作用時間的影響越來越小。

4 仿真驗證

4.1 有限元模型

采用三維Lagrange方法[12]進行計算,為了減少計算周期,建立戰斗部垂直侵徹艦船鋼甲四分之一模型,如圖2所示。計算模型使用三維實體solid164單元進行劃分,為了準確模擬艦船鋼甲破壞,艦船鋼甲與戰斗部直接作用區域網格加密。在對稱邊界上施加對稱約束,戰斗部和艦船鋼甲之間的接觸采用*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE算法,在艦船鋼甲靶板邊界處施加非反射邊界,采用cm-μs-g建模,每5μs輸出一次計算結果。

圖2 超音速反艦導彈戰斗部穿過艦船鋼甲有限元模型

4.2 仿真結果及分析

分別對超音速反艦導彈戰斗部以1700m/s、1800m/s、1900m/s及2000m/s四種著速垂直穿過3.5cm艦船鋼甲進行了仿真。仿真結果如下:

4.2.1 穿甲過程中戰斗部能量變化

通過仿真得到了超音速反艦導彈穿過艦船鋼甲過程戰斗部能量隨時間變化規律。圖3為反艦戰斗部以不同著靶速度垂直穿過艦船鋼甲的能量變化曲線。

圖3 穿甲過程中戰斗部能量變化

反艦戰斗部以4種不同速度穿過艦船鋼甲過程的能量變化情況如表1所示。隨著反艦戰斗部著靶速度的提高,戰斗部穿甲后能量損失率有逐漸下降的趨勢。

表1 戰斗部穿過艦船鋼甲能量變化

以上結果表明,隨著超音速反艦導彈戰斗部著靶速度的增加,反艦戰斗部穿甲后的能量損失有逐漸增加的趨勢,但是變化不大,反艦戰斗部能量損失率有逐漸減小的趨勢,說明艦船鋼甲對反艦戰斗部的影響越來越小,進而對引信延期時間的影響也越來越小。

4.2.2 穿甲過程中戰斗部速度變化

通過仿真得到了四種著靶速度垂直穿過艦船鋼甲的速度變化規律。由仿真結果可以得出如下結論。

1) 反艦戰斗部以5Ma以上速度穿過艦船鋼甲時速度衰減量變化很小,從1700m/s～2000m/s著速穿過艦船鋼甲的存速率變化如表2所示,存速率具有逐漸逼近1的趨勢。

表2 穿過艦船鋼甲的存速率

2) 獲得了戰斗部穿透艦船鋼甲的時間、卵形部完全穿過艦船鋼甲的時間和戰斗部頭部進入到艦船鋼甲內2m～4m的時間等參數,仿真數據如表3所示。

表3 戰斗部穿過艦船鋼甲仿真數據

從動能定理出發分析了超音速反艦導彈戰斗部著靶速度對引信延期作用時間的影響。得出的規律是隨著超音速反艦導彈著靶速度增加,穿目標后反艦戰斗部的能量損失率逐漸減小,速度降低越來越小,艦船鋼甲對引信延期作用時間的影響越來越小。

通過LS-DYNA軟件建立模型并進行仿真,獲得了反艦導彈高速碰擊35mm艦船鋼甲過程中戰斗部能量及速度變化規律,計算了引信在艦船鋼甲內2～4m位置延期作用時間。得出如下結論:

(1)采用能量損失率描述反艦導彈戰斗部穿過艦船鋼甲過程能量變化規律。研究表明隨著反艦戰斗部著靶速度增加能量損失率逐漸減小,表明反艦戰斗部初始動能越大艦船鋼甲對其穿甲能力影響越小。

(2)采用存速率描述反艦戰斗部碰擊艦船鋼甲后剩余速度變化規律。研究表明隨著速度增加存速率具有逼近1的趨勢,表明碰擊速度越高戰斗部穿目標后速度降低越小,艦船鋼甲對引信延期作用時間影響越來越小。

(3)著速達到5Ma以上的超音速反艦導彈引信感受碰擊目標信息后,可忽略3.5cm厚艦船鋼甲對引信延期作用時間的影響,采用定時方法達到短延期作用的目的。

5 結語

從動能定理出發分析了超音速反艦導彈著速對引信延期作用時間的影響,得出的規律是隨著超音速反艦導彈速度增加,穿目標后反艦戰斗部能量損失率逐漸減小,速度降低越來越小,艦船鋼甲對引信延期作用時間影響越來越小。仿真結果表明:隨著著速的增加反艦戰斗部存速率具有逼近1的趨勢,著速在5Ma以上的超音速反艦導彈引信可以忽略3.5cm厚艦船鋼甲對引信延期作用時間的影響。通過仿真計算得到了超音速反艦導彈戰斗部進入艦船鋼甲內2m～4m位置引信延期作用時間。仿真得到的引信延期作用時間可為設計引信機械發火機構提供基礎數據支持。

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Effects of Impact Velocity of Supersonic Anti-ship Missile’s Warhead on the Delayed Action Time of Fuze

WU Jiangang ZHAN Guangping

(Military Representatives Office of CASIC in Sanjiang, Xiaogan 432000)

With the help of LS-DYNA software, the model of supersonic anti-ship missile penetrating the ship targets was established and simulated in order to research the effects of impact velocity of supersonic anti-ship missile’s warhead to the delayed action of fuze. The change regulation of warhead’s energy and velocity when the anti-ship missile penetrating the 35mm ship armor with high speed was researched. The effects of warhead’s impact velocity to the action delay time when the fuze works in the position of 2～4m in the ship armor were analyzed. The simulation results show that the supersonic anti-ship missiles fuze with speed higher than 5Ma can ignore the effects of 35mm ship armor to the delayed action time of fuze. Also the simulation results can provide basic data support for the design of mechanical firing mechanism of fuze.

supersonic, fuze, delayed action time, penetration

2014年6月6日,

2014年7月28日

吳建剛,男,碩士,工程師,研究方向:引信技術。詹廣平,男,高級工程師,研究方向:引信技術。

E927

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.010