邵志豪,梁灝鴻,梁灝鴻,李彩芳,張 珂
(1.機電動態控制重點試驗室,西安 710065;2.西安機電信息技術研究所,西安 710065)
隨著硬目標攻防雙方的對抗加劇,高價值硬目標的防護能力越來越強。重點打擊的高價值目標從地面轉移到地下。隨著侵徹彈藥的毀傷威力的不斷提高,地下基地、機庫等重要的軍事建筑物防御也不斷地加固,在深層高價值目標的上面往往覆蓋著高強度的鋼筋混凝土加強防護,或者在花崗巖的山體里建造重要的地下基地。
為了穿透復雜、高強度的高價值硬目標,大幅度提高動能彈的侵徹速度、提升彈藥的侵徹能力已成為提高武器系統打擊能力的必然手段[1-8]。受侵徹目標結構各向異性、材料非均勻性和侵徹工況復雜性綜合影響,侵徹過程彈體多物理場響應是復雜的力學、電磁學、磁學、熱力學等動態變化過程,對超高速侵徹過程研究缺乏,使得侵徹引信準確識別層數和侵徹深度誤判嚴重。侵徹速度的大幅度提高,對引信的結構強度提出了更高的要求,同時也導致多重結構中的應力波往復傳遞、疊加、震蕩,使得引信無法準確辨識目標層,而且戰斗部易發生明顯的質量損失情況,引起侵徹戰斗部頭部鈍化甚至結構破壞失效,嚴重影響戰斗部的侵徹能力[9-16]。當彈體以超過700 m/s速度侵徹多層目標時,通過傳感器采集的過載信號往往會受到大量振蕩信號的影響。特別是,震蕩信號在傳感器輸出中引起干擾,將目標層信息完全淹沒。中、低速下原來清晰的目標層過載變得難以分辨,引信無法準確地辨識目標層,計層精度下降。
研究人員發現在高速侵徹過程中,貧鈾合金和鎢基合金彈體表現出自銳化現象。這一現象的根本原因在于材料本身具有較強的剪切失穩性和變形局部化敏感性。在侵徹的極端環境中,這些材料更容易形成絕熱剪切帶和裂紋,導致彈體頭部不斷削尖,呈現出自銳化的特征[17]。該材料的自銳特性可以顯著降低彈靶沖擊接觸面,較尖銳的彈頭形狀能夠有效減小侵徹阻力,使彈體更為有效地穿透目標,增強其侵徹性能。
文獻[18]中研究人員發現鎢纖維復合材料在侵徹試驗過程中呈現出絕熱剪切自銳行為。進一步突顯了復合材料在高速沖擊環境下的獨特性質。對鎢纖維金屬玻璃復合材料的研究,文獻[19]系統總結了這些材料在壓縮剪切變形和斷裂特性方面的進展。文獻[20]中對鎢纖維增強金屬玻璃復合材料分段彈體的研究提供了深入的實證分析,為了解這種復合材料的彈體行為提供了重要的科學數據。這有助于未來設計更優越的復合材料彈體。文獻[21]通過試驗與仿真驗證彈體頭部自銳化現象可以保持較小的侵徹阻力,從而提高彈體的侵徹能力,在軍事應用中顯現出更高的效能。
在高速侵徹鋼筋混凝土目標的復雜環境中,目標內部的鋼筋受到地磁磁化,自銳戰斗部引信位置的磁場環境也會發生變化。使用磁性探測傳感器可以有效檢測動態侵徹過程中的磁場變化信號,進而通過磁場特征判斷自銳戰斗部侵入的目標信息。基于地磁場的磁異信號檢測技術可以有效識別且不易受到外界干擾信號的影響,該優勢促進了磁異信號檢測技術在軍事應用領域的深入研究和廣泛應用。
國外研究者們通過多年的實踐和理論探索,在地磁探測領域取得了顯著的成果。這些成果既包括對地磁探測技術的基本原理的深刻理解,也涉及到創新性的方法研究。文獻[22]提出的新型磁異信號檢測方法標志著地磁探測技術的新里程碑;文獻[23]提出了一種鐵磁性目標的檢測新方法,該方法注重對磁信號能量的歸一化處理,旨在通過精準的能量分析來提高目標檢測的準確性;文獻[24]中的研究者使用熵濾波器為探測鐵磁目標提供了一種新的手段。
當前,我國在自銳侵徹戰斗部高速自銳侵徹鋼筋混凝土中的磁異信號檢測領域正處于初步探索的階段。這一新興領域的研究目前主要集中在理論探討和試驗驗證兩方面,力圖揭示高速自銳侵徹過程中磁場變化的規律。文獻[25]中研究者通過建立弱磁物體在地磁場中磁化作用下的感應磁場矢量場模型,為后續研究提供了有力的理論支持。該研究注重全張量磁場梯度探測法和目標物體定位算法的研究,尤其在矢量探測和磁場梯度技術的應用上取得了一系列前沿突破。這種方法的提出為磁異信號檢測技術的研究提供了新的視角。文獻[27]中研究者針對在復雜戰場環境下激光、紅外和無線電引信探測識別精度不高的問題,提出了基于動態閾值的目標檢測和模糊推理的磁探測引信目標識別算法。我國各大高校和科研機構積極參與磁異信號檢測技術的研究,從不同側面深入研究了磁場變化與目標檢測的關系。
戰斗部在高速自銳侵徹過程中引信動力學響應和磁場特征會發生顯著變化,可為高速自銳侵徹戰斗部引信設計提供參考。目前,對高速自銳侵徹戰斗部尚缺少引信動力學響應與磁場響應特征研究。本文基于高速自銳戰斗部侵徹堅固厚靶和多層混凝土靶板典型硬目標場景,分別構建了包含自銳戰斗部、引信、裝藥、引戰連接、混凝土靶標等的動力學響應和磁場響應分析模型,本文旨在解決傳統方法中彈體結構振蕩引起的引信部位加速度過載信號難以清晰辨認的問題。磁異信號探測技術的引入,可以有效提高信號的清晰度和可辨識性。通過在引信部位安裝磁傳感器,充分利用地磁場信號的變化,實現對侵徹過程中鋼筋混凝土靶板周圍環境的精準探測。為侵徹目標識別的實現提供了重要的數據基礎。與傳統方法相比,融合了磁信號檢測的方法不受戰斗部長徑比和層間距變化的限制。該方法具有較好的魯棒性和穩定性,研究的高速自銳侵徹狀態下引信的動力學響應和磁場特征,可以為高速自銳侵徹戰斗部引信起爆控制策略提供設計參考和理論支撐。
本文選用600 kg大型自銳戰斗部在高速動態侵徹6 m混凝土靶模型,旨在揭示自銳戰斗部在沖擊下對堅固目標引信位置力學響應特性。600 kg戰斗部侵徹6 m C40混凝土厚靶的三維模型如圖1所示。有限元單元網格劃分如圖2所示。對于6 m混凝土靶板,靶板抗壓強度C40,靶標厚度6 m,靶板幅面2 m×2 m。考慮到模型求解效率以及侵徹過程中模型的對稱性,建立1/2模型進行仿真計算,在不影響仿真精度的前提下對戰斗部進行幾何簡化清理,刪除引信及戰斗部模型的倒角及不影響應力傳遞的結構。為了提高有限元仿真精度,采用六面體單元剖分方法進行有限元劃分,六面體網格可以在求解過程中,更準確地表達應力梯度變化較大位置的形變。對靶板的侵徹部位進行有限元單元加密保證侵徹數值仿真的正確性。對單元進行光順處理以提升整體單元質量,保持戰斗部的不同部件連接處單元密度一致以減小數據傳遞插值誤差。

圖1 600 kg戰斗部侵徹6 m C40混凝土厚靶模型

圖2 有限元單元劃分示意圖

圖3 鋼筋混凝土靶板網格細分
侵徹動力學模型中為兼顧計算精度與計算效率,在應力變化平緩且對整體模型影響不大的部位布置較為稀疏的網格,在戰斗部侵徹鋼筋混凝土目標的穿孔部位布置密集的網格,通過設計劃分鋼筋混凝土迎彈面,靶板邊緣網格單元尺寸與穿孔位置單元尺寸比為8∶1,對比常規網格劃分方式,單元數量下降約2~3倍。
戰斗部外殼材料為G50高強度鋼。戰斗部頭部材料為鎢基合金。引戰連接結構和引信為TC4鈦合金材料。表1給出戰斗部各組件材料模型參數。混凝土靶板選用HJC材料模型,采用kg-m-s單位制的材料模型參數和失效模型參數如表2和表3所示。

表1 戰斗部組件材料模型參數

表2 混凝土靶板材料模型參數

表3 混凝土靶板材料失效模型參數
靶板邊緣設置固定約束,約束X/Y/Z三方向的移動與轉動自由度,綜合考慮靶板邊界效應影響與文件求解效率,在不影響求解精度前提下,合理控制靶板靶面尺寸,使用NON_REFLECTING命令施加無反射邊界條件模擬無限大空間靶板。
戰斗部外殼與引戰連接結構、引戰連接結構和引信之間采用固連方式連接。戰斗部外殼與炸藥、炸藥與引戰連接結構、炸藥與引信之間采用面-面連接方式,可以承受壓力,承受拉力時面-面分離。戰斗部與混凝土靶板之間采用面-面侵蝕接觸模型,戰斗部侵徹混凝土靶板時會刪除達到失效標準的混凝土單元,戰斗部與刪除單元后的新表面形成面-面侵蝕接觸。采用縮減積分算法進行顯示動力學積分運算以加快計算速度,進行沙漏控制減小沙漏能輸出。大型戰斗部以1 700 m/s速度高速侵徹混凝土厚靶,設置輸出應力、應變以及單元節點等數據結果。
研究中采用了COMSOL軟件進行建模仿真,建立戰斗部動態侵徹多層鋼筋混凝土磁場模型,進行侵徹戰斗部侵徹目標的磁特征數值仿真,對磁信號特征分析,分析戰斗部與引信周圍磁場特性。磁場模型中自銳戰斗部引信位置可實時探測侵徹穿靶過程中的磁異信號,忽略戰斗部侵徹鋼筋混凝土過程中的力學響應,僅考慮磁場特性。
多層建筑物目標的主要結構材料包括:C40混凝土;HPB300鋼筋,強度設計值fy=270 N/mm2。基于現實多層建筑物的鋼筋混凝土材料參數,開展戰斗部侵徹4層鋼筋混凝土靶板磁場仿真,建立靶板幾何模型,如圖4所示。靶板面積為2 m×2 m,首層靶厚度為0.3 m,其它層靶板厚度為0.18 m,目標內層鋼筋,鋼筋直徑為16 mm,橫豎交織組成網絡邊長為150 mm的鋼筋網格,首層靶板布置兩層鋼筋,鋼筋距離靶板表面0.05 m,兩層鋼筋網結構間隔0.2 m,其它層靶板鋼筋距離靶板表面0.03 m,兩層鋼筋網結構間隔0.12 m。

圖4 混凝土靶板磁場仿真模型
鋼筋混凝土由水泥、沙和不同規格比例的石粒組成,上述材質不存在磁性,相對磁導率為1,鋼筋相對磁導率為700。空間分析域材料為空氣,模擬靶板周圍環境[26]。設定的域中地磁場強度為5.5×10-5T。磁傾角為1.570 8 rad,磁偏角為0 rad,由于彈體為高強度鋼材,因此設置彈體相對磁導率為50。
在鋼筋混凝土靶板結構中,鋼筋網屬于高導磁率的材料,會很大削弱流經靶板內部的磁場大小。磁場在弱導磁材料的空氣環境與高導磁材料兩個不同介質間傳輸,由于傳輸介質界面的不連續性,使得麥克斯韋電磁方程組的微分關系不再適用,但依然滿足積分關系[26]:
(1)
(2)
(3)
(4)
自銳戰斗部侵徹6 m C40混凝土靶板對應打擊地下深埋堅固目標作戰場景。隨著侵徹戰斗部速度的不斷提高,在高速侵徹中,彈體明顯經歷磨蝕。磨蝕作用于彈體表面,引發彈體性能變化。侵徹可能導致彈體結構性破壞,甚至失效。在超高速侵徹條件下,彈體表面經歷高溫高壓很短時間內發生了磨蝕。高速磨蝕同時伴生材料融化、相變、金屬屑氧化以及與靶板粒子間化學反應。
在高速侵徹過程中,彈體與靶板接觸界面上所產生的沖擊壓力不可忽視。這一沖擊壓力遠遠超越了材料的強度極限,從而引起了彈體和靶板的破碎。圖5展示了彈體高速侵徹厚混凝土靶板的結果。仿真結果驗證了動態空腔膨脹理論和沖塞機理在彈體高速侵徹中的適用性。隨著彈體不斷深入,侵徹過程逐漸過渡到穩定模式。這一階段的特征是彈坑處材料流動的困難,同時伴隨著戰斗部頭部前方混凝土的持續侵蝕,彈坑和擴孔效應逐漸形成。在高速侵徹的極端環境中,彈體頭部表層自銳材料經歷了絕熱過程,導致溫度的急劇升高。這一現象引發了材料的熔化和軟化,進而形成絕熱剪切帶。自銳材料的頭部在侵徹過程中產生絕熱剪切帶和裂紋,這一自銳化現象導致彈體頭部不斷削尖,保持小面積接觸,顯著提升了侵徹能力。

圖5 自銳戰斗部侵徹混凝土靶板毀傷破壞時歷過程
圖6給出了自銳戰斗部以1 700 m/s速度垂直侵徹6米厚C40混凝土靶板的速度時間曲線,整個侵徹過程穿孔時間約為6 ms,戰斗部速度大致呈線性衰減,殘余速度為820 m/s左右,下降幅度為52%。

圖6 自銳戰斗部穿靶速度時歷曲線
圖7給出自銳戰斗部多個位置的侵徹應力時間曲線。曲線1為戰斗部頭部自銳材料受到的應力時間曲線,在1 ms時刻,該點的應力峰值達到3.11×109Pa,極大地超過了自銳材料的強度極限,隨后該點在侵徹過程中失效,剝離戰斗部。曲線2為戰斗部尾部受到的應力時間曲線,在4.9 ms時刻,應力峰值達到3.701×107Pa;曲線3為引信位置彈軸方向應力時間曲線,4.3 ms時刻,應力峰值達到5.347×107Pa。在自銳戰斗部動態侵徹厚目標鋼筋混凝土過程中,戰斗部頭部受到的應力約為尾部的84倍,約為引信位置應力的58.16倍。頭部鎢基合金材料在極端惡劣侵徹環境下可形成絕熱剪切帶,彈頭在高壓力下不斷削尖使得彈、靶沖擊接觸面積小,從而侵徹阻力減小,極大增強了彈體侵徹能力。

圖7 戰斗部各位置應力時間曲線
圖8 給出了自銳戰斗部在以1 700 m/s高速條件動態侵徹鋼筋混凝土目標過程中戰斗部質量損失曲線,戰斗部原總質量為600 kg,0.48~1.44 ms時間曲線內,戰斗部由600 kg下降至503 kg,此時質量下降速率約為101.04 kg/ms;1.44~1.8 ms時間區間內,戰斗部質量由503 kg下降至476.5 kg,此時質量下降速率約為73.61 kg/ms;1.8~2.16 ms時間區間內,戰斗部質量由476.5 kg下降至458.5 kg,此時質量下降速率約為50 kg/ms;2.16~3.6 ms時間區間內,戰斗部質量由458.5 kg下降至411.8 kg,此時質量下降速率約為32.43 kg/ms;3.6~6 ms時間區間內,戰斗部質量由458.5 kg下降至411.8 kg,此時質量下降速率約為24.25 kg/ms。

圖8 戰斗部質量下降曲線
圖9給出自銳戰斗部引信加速度過載曲線。由圖9引信過載數據可知,傳感器測得的過載峰值約為52 100 g,高速撞擊厚混凝土靶板時,由于靶板侵徹阻力,戰斗部受到沖擊過載,激發應力波在彈體內傳播并反復振蕩,由碰靶到侵徹過載卸載到0歷時6 ms左右。

圖9 自銳戰斗部引信加速度過載曲線
磁探測技術的核心是通過監測磁場的微小變化來推斷目標的存在和信息。軍事領域中的地上多層目標或地下堅固目標建筑廣泛使用鐵磁性鋼筋作為建筑基材以提高建筑的整體強度和抗沖擊爆炸性能。這為磁探測技術的應用提供了前提。相關研究表明,在自銳侵徹戰斗部中攜帶磁體探測傳感器,能夠在目標打擊過程中實現對鐵磁性堅固目標的高效定位和感知。地磁場探測作為一種實時探測目標的手段,在侵徹引信領域有著廣泛的應用前景。磁場探測技術可以作為侵徹層數和侵徹深度等參數的精準測量手段。通過對地磁場強弱變化的分析,可以獲取目標關鍵的參數信息,從而提高侵徹引信起爆控制能力和炸點精度。新型磁傳感器的小型化與在極端環境下優良的抗沖擊能力為磁探測技術在大型自銳侵徹戰斗部侵徹引信目標感知與炸點控制的應用奠定了基礎。
超高速自銳戰斗部引信磁場響應研究,是對彈丸侵徹目標過程中引信敏感磁場變化的研究。采用數值仿真技術,建立彈體和目標的模型,進行侵徹戰斗部侵徹目標的磁特征數值仿真,對磁信號特征分析。
鋼筋混凝土靶板受地磁場磁化如圖10所示,可以看出鋼筋受地磁場作用時,鋼筋內原子和分子的磁矩會根據地磁場的方向重新排列、變得大致相同,鋼筋被磁化,兩端對外界顯示出較強的磁作用,形成磁極,其N極為地磁場投影在鋼筋正方向。

圖10 鋼筋混凝土靶板受地磁場磁化示意圖
磁場從空氣進入鋼筋混凝土靶板內部時,鋼筋的相對磁導率遠大于空氣的相對磁導率,使大部分磁力線積聚于鋼筋中[26]。圖11為磁化后鋼筋產生的磁場分布,圖12為鋼筋混凝土靶板受地磁場磁化后磁場分布。鋼筋被磁化后具有磁性,產生如圖11所示的磁場,影響其周圍磁感應強度(磁通密度)如圖12所示,可以看出由于磁化后鋼筋的N-S極與地球磁極相反,所以鋼筋周圍磁場方向與地磁場方向相反,鋼筋內部磁場方向與地磁場方向相同,因此鋼筋周圍磁感應強度降低,鋼筋處磁感應強度增大。

圖11 磁化后鋼筋產生的磁場分布圖

圖12 鋼筋混凝土靶板受地磁場磁化后磁場分布圖
仿真計算得到鋼筋混凝土靶板中心線的X、Y、Z軸磁通密度如圖13所示,可以看出當地磁傾角為90°、地磁偏角為0°(即地磁場垂直于靶板中心線)時,X、Y軸磁通密度幅值小、信號無規律、穿層特征不明顯;Z軸磁通密度幅值大、信號規則、穿層特征明顯;靶板表面磁通密度急速下降,鋼筋處急劇上升;首層靶板的兩層鋼筋架間隔較大,侵徹靶板過程中Z軸磁通密度出現兩個幅值較小的尖峰;其余靶板的兩層鋼筋架間隔較小,侵徹靶板過程中Z軸磁通密度出現一個幅值較大的尖峰。因此選用Z軸磁通密度進一步分析侵徹過程磁場影響因素。

圖13 鋼筋混凝土靶板中心線的X、Y、Z軸磁通密度
圖13給出多層鋼筋磁感應強度。在高速自銳戰斗部侵徹靶板的過程中,磁場的動態變化與鋼筋的聚磁作用密切相關。這種作用導致了靶板中心軸線上磁場強度的不均勻分布。鋼筋的磁屏蔽效應影響下,靶板中的磁場強度逐漸減小,在自銳戰斗部穿越兩層靶板之間時,引信位置磁場強度得以恢復。
將地磁場強度以5 000 nT間隔從30 000 nT遞增至60 000 nT,鋼筋混凝土靶板中心線的Z軸磁通密度如圖14所示,可以看出地磁場強度越大,Z軸磁通密度幅值越大。侵徹靶板層信號特征越明顯。

圖14 不同地磁場強度下靶板中心線的Z軸磁通密度
地磁傾角以10°間隔從0°遞增至90°,鋼筋混凝土靶板中心線的Z軸磁通密度如圖15所示,可以看出當地磁傾角為0°(地磁場與靶板中心線平行)時,Z軸磁通密度幅值為0;地磁傾角越大,鋼筋被磁化后的磁性越強,靶板表面磁通密度下降幅度越大,侵徹靶板層信號特征越明顯。由地磁場分布與磁化原理可知,Z軸磁通密度不受地磁偏角影響。

圖15 不同地磁傾角下靶板中心線的Z軸磁通密度
將鋼筋半徑以1 mm間隔從6 mm遞增至9 mm,鋼筋混凝土靶板中心線的Z軸磁通密度如圖16所示,可以看出鋼筋半徑越大,鋼筋被磁化后的磁性越強,靶板表面磁通密度越低,侵徹靶板層信號特征越明顯。

圖16 不同鋼筋直徑下靶板中心線的Z軸磁通密度
本文以某型戰斗部侵徹多層混凝土靶板平衡炮動態試驗為基礎,通過建立有限元仿真模型,進行數值計算驗證。試驗提供了仿真模型的基準,使研究能夠在試驗基礎上進行準確的數值驗證。
在高速侵徹試驗中,通過侵徹引信加速度傳感器獲取加速度過載信息,侵徹引信依據采集到的加速度信息提取信號特征,用于進行目標識別與炸點控制。為后續的數值計算提供了試驗數據和侵徹引信算法的關鍵參數。研究采用侵徹動力學數值仿真方法,按照平衡炮動態試驗工況建立1∶1比例的三維模型。
在數值計算中,選取侵徹過載峰值和層間持續時間作為評價指標。這兩個指標可以作為仿真數據的驗證基準參數,能夠綜合反映侵徹過程中的動態特性,為試驗與仿真結果的對比提供了有力的驗證手段。
圖17和圖18給出的侵徹過載峰值和層間持續時間對比結果驗證了數值計算方法的正確性,兩者的一致性可以有效評估數值計算在模擬實際試驗中的準確性。

圖17 戰斗部侵徹多層混凝土靶板引信過載峰值

圖18 戰斗部侵徹多層混凝土靶板引信過載層間持續時間
可以看到,利用本文有限元仿真方法進行數值計算可以準確地對自銳戰斗部侵徹多層混凝土及引信過載特征進行描述,本文計算結果和研究結論具有參考性。
本文選取自銳侵徹戰斗部打擊多層混凝土靶板和堅固厚靶的硬目標作為研究的工況,旨在深入研究高速自銳戰斗部侵徹引信在不同工況條件中的侵徹響應特性。建立了600公斤級自銳侵徹戰斗部高速動態侵徹堅固厚目標的動力學模型與侵徹4層目標的磁場響應模型,通過建模和仿真,探索了在高速侵徹狀態下引信的動力學響應和磁場特征。主要研究結論如下:
在引信動力學響應的研究中,建立的自銳戰斗部侵徹6 m C40混凝土靶板模型,戰斗部侵徹混凝土靶板歷程,侵蝕后的靶板呈現出漏斗形狀,隨著戰斗部侵徹的深入,應力波的稀疏效應逐漸減弱,戰斗部的速度線性衰減,并在最終進入穩定侵徹模式的過程中,速度下降約52%。由于應力波在戰斗部內部的傳遞與疊加導致引信位置檢測的過載信號較為震蕩。整個侵徹過程穿孔時間約為6 ms,戰斗部速度大致呈線性衰減,殘余速度為820 m/s左右,下降幅度為52%。由于靶板侵徹阻力,戰斗部受到沖擊過載,激發應力波在彈體內傳播并反復振蕩,碰靶到侵徹過載卸載到0歷時6 ms左右。在自銳戰斗部動態侵徹厚目標鋼筋混凝土過程中,戰斗部頭部受到的應力最大,在極端惡劣侵徹環境下可形成絕熱剪切帶,在彈體頭部發生自銳化效應,從而增強彈體侵徹能力。對于自銳戰斗部侵徹多層鋼筋混凝土靶板,由于鋼筋對磁力線的聚磁作用,在靶板附近的磁場強度發生變化,并且在鋼筋混凝土邊緣附件磁場最大。當給靶板施加沿Z軸的地磁場時,磁力線主要途經鋼筋內,導致鋼筋網格內磁場強度減小。地磁場強度越大,Z軸磁通密度幅值越大。地磁傾角越大,鋼筋被磁化后的磁性越強,靶板表面磁通密度下降幅度越大,侵徹靶板特征越明顯。鋼筋半徑越大,鋼筋被磁化后的磁性越強,靶板表面磁通密度越低,侵徹靶板特征越明顯。