復合戰斗部侵徹引信分布式探測過載響應

胡 越,孫 航,李長生

(南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室,江蘇 南京 210014)

0 引言

侵徹彈藥是對付深埋工事、多層指揮場所等高價值目標的殺手锏武器[1]。硬目標侵徹引信作為侵徹彈藥的“大腦”,在侵徹目標過程中實時探測過載信息并處理數據,在毫秒級的反應時間內按照預定控制策略,控制戰斗部起爆摧毀目標[2]。針對不同侵徹環境與打擊目標,起爆控制策略也不盡相同,如計時起爆、計侵深起爆與計空穴/計層起爆等。計空穴/計層起爆模式是指根據戰斗部侵徹目標過程中引信部位加速度過載信號特征來識別彈丸侵徹運動過程,進而實現預定起爆控制效果[3]。這種控制方式的優點是侵徹過程產生的過載物理量經信號處理后能看出變化特征、信號容易獲取、處理電路簡單,是目前硬目標侵徹引信的主要探測手段[4-5],且過載信號質量關系炸點控制精度,最終決定武器系統的終端毀傷效能。

隨著現代戰場攻防加劇,武器系統速度與精度越來越高,為提高侵徹能力,有學者提出復合戰斗部概念,復合戰斗部是指彈頭與彈身采用不同的材料并將兩者固連結合,采用長桿彈結構且彈頭大多數采用鎢合金材料來提升侵徹效能[6-7],而這種結構下應力波會在戰斗部中來回反射、折射,使彈底引信上過載響應變得更加復雜。且對于高速甚至超高速戰斗部侵徹多層目標情況,彈體由于自身的結構響應會產生大量高頻振蕩,這種振蕩信號不會迅速衰減,如果侵徹彈丸在相鄰層間飛行時間少于振蕩信號衰減時間,振蕩信號會與穿層信號混疊,導致目標層數誤判,炸點位置錯誤,嚴重削弱戰斗部毀傷效能[8-12]。而分布式探測與信息融合是解決該類戰斗部炸點控制的有效途徑,因此研究戰斗部不同部位過載響應十分必要。

本文針對大型復合戰斗部分布式引信系統模型,獲取復合戰斗部內應力波傳遞規律,對高速侵徹多層靶情況下戰斗部不同部位過載信號分別進行研究,并將各部位過載信號進行比較,研究發現彈前端過載響應優于尾部,為基于分布式探測、數據融合的侵徹過程識別提供仿真數據支撐。

1 侵徹引信分布式探測原理及不同部位過載差異產生機理

1.1 侵徹引信分布式探測原理

為了提高侵徹引信控制精度,提升戰斗部侵徹復雜目標時的毀傷效能,分布式探測與信息融合理念應運而生。早在2007年,Applied Research Associates公司在美國第51屆引信年會上針對多層復合目標提出一種分布式探測技術[13],在彈頭及彈尾分別安裝加速度傳感器、電池、記錄儀,結構如圖1所示,最終實現多層復合目標的侵徹過程識別。美國Sandia國家實驗室于2020年第63屆引信年會提出分布式引信系統總體設計概念,包括分布式引信有線信息交聯、無線信息交聯兩種模式[14],如圖2所示,通過探測或感受戰斗部不同部位過載信號識別侵徹過程。

圖1 分布式探測戰斗部模型Fig.1 Distributed detection warhead model

圖2 分布式引信系統總體設計概念Fig.2 The design concept of distributed fuze system

1.2 不同部位過載差異產生機理

應力波普遍存在于固體動力學分析中,當外加載荷隨時間變化時,介質的運動響應過程為應力波傳播、反射相互作用的過程。例如侵徹過程中,戰斗部受到的外加載荷變化十分劇烈,應力波在戰斗部中的傳遞還未完成,載荷已經發生顯著變化,因此戰斗部各部位過載會出現明顯差異,這時必須考慮應力波的傳遞與反射。如果將戰斗部看作是一個圓柱桿,圓柱桿以速度v向靶板撞擊,則在圓柱桿中產生自左向右傳播的壓縮應力波,即縱波;與此同時,彈侵徹發生偏轉,還會與靶板發生剪切撞擊,產生剪切波,即橫波。波速公式由波動方程可求出,式(1)、式(2)分別為縱波、橫波波速公式:

(1)

(2)

式中:E為材料楊氏模量;G為剪切模量,單位GPa;ρ為材料密度,單位kg/m3。

2 數值建模及仿真

2.1 建立數值仿真模型

在Solidworks軟件中建立彈體、靶板三維模型。由于彈體、靶板均為軸對稱結構,且彈體正侵靶板,為方便繪制有限元網格,節省計算時間,提升效率,采用1/4模型,如圖3、圖4所示。彈長2 m,最大直徑0.4 m,彈重約600 kg。整個彈體由彈頭、彈身、戰斗部主裝藥、引信及測試體4部分組成,在彈頭及裝藥前端分別放置一套測試體,彈尾放置一套引信。引信及測試體均由殼體、灌封料、電路板3部分組成,灌封料將電路板保護在內。

圖3 復合戰斗部分布式引信系統1/4幾何模型Fig.3 The composite warhead distributed fuze system

圖4 5層鋼筋混凝土靶板1/4幾何模型Fig.4 5-layer reinforced concrete target

靶板為5層3 m×3 m正方形鋼筋混凝土靶板,第1層靶厚0.3 m,第2～5層厚0.18 m,每層靶板間距3 m。

在Hypermesh軟件中建立整個系統的有限元模型,如圖5所示。整個模型采用8節點6面體網格離散,最小網格尺寸為5 mm,集中在彈頭、測試體、引信處,其余部位網格劃分稍粗,均滿足網格質量要求。最后將有限元模型導出K文件,導入ANSYS-lsprepost前處理軟件中配置參數,放入LS-Dyna中求解計算,獲取仿真結果。

圖5 復合戰斗部侵徹5層靶板有限元模型Fig.5 The finite element model of the composite warhead penetrates the 5-layer target

2.2 材料本構與參數配置

2.2.1戰斗部及混凝土靶板材料模型參數

戰斗部均采用塑性各向同性硬化模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,其中彈頭使用鎢合金,彈身、底蓋結構均使用高強度合金鋼30CrMnSiNi2A,C80鋼筋混凝土靶板采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料模型。各材料具體參數如表1所示。

表1 各材料具體參數Tab.1 Specific parameters of each material

2.2.2材料接觸、控制及邊界設置

本文仿真中接觸設置主要涉及到彈體與鋼筋混凝土靶板的侵蝕接觸,彈體內部各結構之間的接觸等;控制設置中給戰斗部設定軸向初速,并設定計算步長與終止時間;邊界設置中給靶板設定邊界約束。

2.3 仿真數據結果分析及應力波在復合戰斗部中的傳遞規律

本文首先分析復合結構彈體上的過載信號,獲得應力波在復合彈體中的傳遞規律,隨后分別將復合戰斗部以900,1 300,1 700 m/s速度侵徹5層C80鋼筋混凝土靶板3種情況下頭、中部測試體,彈底引信的過載信號進行對比,結合仿真與理論計算結果,分析復合戰斗部不同部位過載信號的差異與聯系,為基于分布式探測、數據融合的侵徹過程識別提供數據基礎。

對于大型復合戰斗部,其長徑比大,彈頭與彈身材料不同,這種結構下應力波會在不同材料交界處發生反射、折射,使測試體及引信過載響應變得更為復雜。因此,為了研究戰斗部不同部位過載信號特征,需要先研究復合彈體上的過載信號,獲得應力波在彈體內的傳遞規律。由于1 700 m/s速度下過載幅值更大,侵徹過程更加明顯,取1 700 m/s速度下彈頭與彈身過載信號更易看出應力波在復合戰斗部中的傳遞規律,圖6為仿真獲得的1 700 m/s速度下彈頭與彈身部位過載信號。

圖6 1 700 m/s 速度彈頭與彈身部位時程-過載曲線Fig.6 1 700 m/s speed warhead and body part time history-overload curve

彈頭與彈身每穿一層靶板,過載信號均有兩個向下的脈沖,如圖7所示。

圖7 彈頭、彈身部位過載信號與侵徹過程關系Fig.7 The relationship between the overload signal of the warhead and the body part and the penetration process

截取并分析侵徹第1層靶板及第1,2層間飛行過程中彈頭與彈身的時程-過載曲線,如圖8所示。可以看到彈頭部位過載信號的第一個脈沖是由于戰斗部在穿靶過程中,靶板給予彈頭阻力,彈頭產生一個突變的減加速度;彈身部位過載信號的第一個脈沖,脈寬大,減加速度不斷增加,這是因為在侵徹過程中彈身受到來自彈頭的作用力且侵徹深度增加,彈身與靶板的接觸面積增大,阻力不斷增大,當彈身與靶板的接觸面積不再增加時,達到峰值,同時彈頭處出現與前者幾乎呈鏡像的正加速度,即彈頭與彈身受到方向相反的相互作用力,與前文所述相符;彈頭部位過載信號的第二個脈沖,是由于彈頭受到作用力產生的應力波經反射回到原處產生的。

圖8 截取侵徹第1層靶及第1,2層間飛行過程中彈頭與彈身的時程-過載曲線Fig.8 The time-history-overload curve of the warhead and the warbody during the penetration of the first layer target and the flight between the first and second

將圖8彈頭過載信號放大,與彈身過載信號對比,如圖9所示。

彈頭處過載信號的第二個脈沖與前面的正向波峰波形基本一致,前者脈寬約為0.51 ms,峰值為12 100g,后者脈寬約為0.50 ms,峰值為23 000g,幅值衰減一半;彈身部位過載信號的第二個脈沖是由于彈身過載產生的應力波,在彈體內部循環一個周期導致,由于應力波傳遞過程會產生衰減,彈身部位過載信號的第二個峰值比第一個峰值小,根據縱向應力波速度公式(1),求出應力波在不同材料中的傳播速度,進而求出應力波在彈體內部傳遞時間。

根據式(1)求出應力波在鎢合金中傳遞速度為VW=4 278.44 m/s,在30CrMnSiNi2A合金鋼中傳遞速度為Vsteel=5 151.15 m/s,于是求出應力波在彈體中傳播一個周期的時間為T=0.90 s。圖9中彈身部位過載信號的第一個脈沖與第二個脈沖的時間差ΔT=0.91 s,理論計算時間與數值仿真得到的時間基本一致。

為了驗證上述理論,分別截取彈體侵徹第2—5層及層間過程時程-過載曲線進行分析,如圖10所示。

圖10 彈體侵徹第2～5層及層間過程彈頭與彈身過載信號對比圖Fig.10 Comparison of warhead and body overload signals during the penetration of layers 2～5 and interlayers of the projectile

第2—5層中,彈頭部位過載信號第一個脈沖均為幅值較大的瞬時減加速度;彈身部位過載信號第一個脈沖脈寬大,且減加速度不斷增加;彈身部位過載信號的第一個脈沖與第二個脈沖時間差分別為1.01,0.96,0.95,0.90 ms,與理論值接近。每層過載信號均符合上述理論。

綜上所述,大型復合戰斗部在侵徹過程中所受沖擊產生的應力波,會在彈體內部循環往復傳遞直至衰減,在不同材料邊界發生反射及折射,本文觀察彈體過載信號特征,理論計算應力波傳遞時間,初步獲得應力波在大型復合戰斗部內傳遞規律。

3 復合戰斗部不同部位過載信號分析及比較

3.1 頭部測試體過載信號分析

頭部測試體位于彈頭處,圖11為大型復合戰斗部以900,1 300,1 700 m/s速度侵徹5層C80鋼筋混凝土靶板情況下頭部測試體時程-過載曲線。可以看到,頭部測試體處過載信號能夠明顯分辨出侵徹過程,且過載曲線趨勢與彈頭過載趨勢相符,驗證了應力波在復合戰斗部中的傳遞規律。對比不同速度情況,隨著速度增加,侵徹過程更加明顯易辨,900,1 300,1 700 m/s速度下過載最大峰值分別為149 000,185 000,201 000g。

圖11 900,1 300,1 700 m/s速度下彈頭及頭部測試體時程-過載曲線Fig.11 Time-history-overload curves of warhead and head test bodies at speeds of 900, 1 300 and 1 700 m/s

對于1 700 m/s速度情況,頭部測試體過載信號兩處向下的脈沖與彈頭過載信號的兩個脈沖同步出現;而對于900,1 300 m/s速度情況,由于彈速變慢,戰斗部在兩層靶板間飛行時間變長,根據上述理論可以預見到層間過程應力波在彈體中循環次數增加,應力波循環次數由層間時間與循環周期共同決定:

(3)

式中:層間飛行時間由靶板間距h與彈速決定,T層間=h/V彈;應力波循環時間由應力波波速與彈長l共同決定,T應力波=l/V應力波。900 m/s速度下戰斗部在兩層靶板間的飛行時間為3.333 ms,應力波循環次數為3.36;1 300 m/s速度下層間飛行時間為2.308 ms,應力波循環次數為2.33;1 700 m/s速度下層間飛行時間為1.765 ms,應力波循環次數為1.78。因此,900 m/s速度下層間過程應力波在彈體中能夠完整循環3次;1 300 m/s速度下層間過程應力波在彈體中能完整循環2次;1 700 m/s速度下層間過程應力波在彈體中能夠完整循環1次,在循環第2次時戰斗部已進入下一層靶板,與上述仿真曲線相符。

對于過載信號的研究不只拘泥于軸向過載,為了給分布式探測、數據融合提供更多數據基礎,觀察頭部測試體徑向過載,如圖12所示。

圖12 900,1 300,1 700 m/s速度下頭部測試體徑向過載曲線Fig.12 Radial overload curve of the head test body at 900, 1 300, 1 700 m/s speed

由圖12看出,復合戰斗部侵徹過程中徑向振動幅值大,對軸向過載有很大影響,為了研究軸向與徑向過載相關性,繪制軸向與徑向過載信號頻譜圖,如圖13所示。

圖13 900,1 300,1 700 m/s速度下頭部測試體軸向、徑向過載信號頻譜圖Fig.13 Spectrogram of axial and radial overload signals of the head test body at 900, 1 300 and 1 700 m/s speeds

由圖13可以看出,軸向過載信號除了穿靶沖擊的低頻成分,能量主要集中在15～35 kHz間,軸向與徑向高頻成分幅度基本呈現3∶1比例關系。因此,徑向振動對于軸向過載有很大影響,可以把應力波在戰斗部中的傳遞看作橫波在徑向來回反射、折射;縱波在軸向來回反射、折射,二者共同導致大型復合戰斗部上不同部位過載信號復雜難辨。

綜上所述,頭部測試體過載信號能夠明顯看出侵徹過程,受應力波在復合戰斗部中傳遞影響嚴重,且過載較大,在分布式探測中需重點防護以免受沖擊振蕩而失效。

3.2 中部測試體過載信號分析

中部測試體位于裝藥前端,圖14為大型復合戰斗部以900,1 300,1 700 m/s速度侵徹5層C80鋼筋混凝土靶板情況下彈頭、中部測試體時程-過載曲線。

圖14 900,1 300,1 700 m/s速度下彈頭、中部測試體時程-過載曲線Fig.14 Time-overload curve of warhead and middle test body at 900, 1 300, 1 700 m/s speed

由圖14可以看出,中部測試體過載信號并不像頭部測試體過載信號那樣明顯易辨,振蕩信號混疊較為嚴重,但仍能看到應力波傳遞現象,900,1 300,1 700 m/s速度下過載最大峰值分別為74 300,12 200,15 100g。

分析900,1 300,1 700 m/s速度下中部測試體過載信號頻譜,如圖15所示。

圖15 900,1 300,1 700 m/s速度下中部測試體軸向、徑向過載信號頻譜圖Fig.15 Spectrogram of axial and radial overload signals in the middle test body at 900, 1 300, 1 700 m/s speed

由圖15可以看出,1 300,1 700 m/s速度中部測試體軸向過載信號中高頻成分與低頻成分幅度基本相同,頭部測試體軸向過載信號信噪比大于中部測試體軸向過載信號信噪比,因此中部過載信號更難辨認侵徹過程,而900 m/s速度下彈體徑向振動變小,因此高頻成分幅度很小。同樣也能看到在復合戰斗部中部,徑向振動對于軸向過載有很大影響,軸向與徑向高頻成分幅度基本呈現4∶1比例關系。

綜上所述,中部測試體過載信號相較于頭部測試體并不能看出明顯的侵徹過程,且幅值較小,同樣的,受應力波在復合戰斗部中傳播影響嚴重,過載較大,在分布式探測中需重點防護以免受沖擊振蕩而失效。

3.3 彈底引信過載信號分析

彈底引信放置于彈底引信腔中,圖16為900,1 300,1 700 m/s速度侵徹5層C80鋼筋混凝土靶板情況下彈頭、彈底引信時程-過載曲線。

圖16 900,1 300,1 700 m/s速度下彈頭、彈底引信時程-過載曲線Fig.16 Warhead and tail fuze time-overload curves at 900, 1 300, 1 700 m/s speeds

由圖16所示,彈底引信部位過載信號非常雜亂,振蕩信號混疊,侵徹過程無法辨別,基本無法用作計層控制,分別對上述3種情況下彈底引信過載信號進行低通濾波,效果如圖17所示。

圖17 900,1 300 m/s速度彈底引信濾波后過載信號Fig.17 900, 1 300 m/s velocity tail fuze filtered overload signal

將1 700 m/s速度彈底引信過載信號經低通濾波,無法辨別侵徹過程,故過載曲線圖不再放出;將1 300 m/s速度彈底引信過載信號經低通濾波,僅能看到第1,4,5層穿靶信號;將900 m/s速度彈底引信過載信號經低通濾波,能看到5層不太明顯的穿靶信號。

綜上所述,大型復合戰斗部彈底引信過載信號十分雜亂,過載幅值較前端測試體更小,高頻振蕩信號與低頻沖擊信號混疊,基本看不出侵徹過程,且簡單低通濾波無法濾除超高速情況(1 700 m/s速度)下的彈體振蕩,難于識別侵徹過程;對于高速情況(900,1 300 m/s速度),彈體振蕩難被濾除,基本能夠識別侵徹過程。

3.4 大型復合戰斗部不同部位過載信號比較

取最有代表性的1 700 m/s速度下復合戰斗部前、中、后部位三軸過載-時程曲線,如圖18所示,可以看到由于應力波在傳遞過程中會發生衰減,大型復合戰斗部由前到后過載信號幅值逐漸減小,應力波由彈頭部位到彈尾部位衰減率大約在10%～25%左右。且彈頭部位能夠明顯看出侵徹過程,彈中部位信號侵徹過程不明顯,而彈尾部位則只能看到雜亂的振蕩信號混疊。這是因為彈每穿透一層靶板,產生的應力波會以橫波和縱波的方式在彈體中沿軸向、徑向傳播并在邊界發生反射,應力波傳播速度是彈速的3～5倍,因此能在層間飛行過程中看到應力波在彈體內循環往復傳遞數個周期直至彈開始侵徹下一層靶板,彈底引信距彈尾邊界很近,應力波在彈尾邊界與引信中來回反射,且侵徹過程中彈尾徑向振動幅度很大。

圖18 1 700 m/s速度大型復合戰斗部前、中、后部位三軸時程-過載曲線Fig.18 1 700 m/s speed large composite warhead front, middle and rear three-axis time-overload curve

4 結論

本文研究發現應力波對大型復合戰斗部不同部位過載信號造成很大影響,侵徹過程中受沖擊而產生的應力波在大型復合戰斗部中的傳播規律比較復雜,應力波會以橫波、縱波的形式在彈體中沿軸向、徑向傳播并在邊界處發生反射、折射,在頭部、中部測試體、尾部引信處的過載信號均能看到明顯的應力波傳播特征。對比前、中、后部位過載信號,發現:1) 從前到后過載信號幅值逐漸減小,頭部到尾部衰減率為10%～25%左右,因此需要對分布式探測系統頭部、中部測試體重點防護,避免其無法抵抗大過載而失效;2) 頭部過載信號能夠明顯分辨侵徹過程,尾部過載信號十分雜亂,難以分辨侵徹過程;3) 速度越大,頭部測試體越能夠獲得明顯的侵徹過程,尾部引信振蕩越大,信號越容易混疊,特別是對于超高速情況(1 700 m/s速度);4) 根據前文式(1)、式(3),彈體材料楊氏模量越大,應力波在彈體中傳播速度越大,應力波在彈體中循環次數越多;彈長越短,應力波在彈體中循環時間越短,循環次數越多;彈速越小,靶間距越大,戰斗部層間飛行時間越長,應力波在彈體中循環次數越多。

本文研究該類戰斗部不同部位過載響應,為分布式探測裝置的安裝位置選擇提供理論依據,為分布式探測融合提供數據基礎。但本文不足之處在于僅從仿真入手進行研究,沒有經實際驗證,之后將進行實驗室與靶場試驗驗證。