王 静，刘加凯，王 娅

(武警工程大学装备管理与保障学院， 西安 710086)

1 引言

随着科学技术的进步与发展，“低慢小”旋翼无人机的获取渠道与应用范围不断拓宽，在给社会生活带来便利的同时，其在武装冲突、恐怖袭击等事件中的应用也带来了很多安全性问题。为有效消除无人机带来的风险，保护空防安全，应加大反无人机技术的研究力度。

无人机反制技术主要分为硬杀伤技术与软杀伤技术。硬杀伤技术主要运用导弹、激光、微波等手段,直接摧毁无人机使其丧失飞行能力。通过激光微波手段对目标施加能量破坏或摧毁目标，具有精度高、附带损伤小的优点，但其摧毁效能受目标形状、材料、距离影响较大，且成本较高；通过火炮和防空导弹等传统的防空模式实现硬摧毁，其技术成熟度高，但成本昂贵，且在摧毁无人机时会产生大量破片，不适用于城市环境反无人机应用；从地面或空中抛网捕获无人机方式，其成本低、操作实施简单，但命中率低。软杀伤技术主要通过数据通信、定位系统干扰及接管控制系统等手段，打击目标无人机电子元件，达到驱赶、警告、削弱其战斗能力的目的。利用大功率干扰信号对目标无人机的控制信号进行干扰,使目标无人机的传感器、遥控链路或定位系统失效或者精度大大降低,迫使无人机自行降落或返航，该方法对抗低复杂度无人机效果显著，但其难以应对高复杂度无人机，且附带损伤和电磁误伤问题严重；利用光学、热红外成像、声学和电子欺骗技术等，其对于需要人工控制或者接收指令的无人机效果较好，但对技术复杂、自主等级高的无人机作用效能不好。

本文所设计的反“低慢小”旋翼无人机纤维弹，依托64毫米定点空爆防暴武器系统，将纤维弹发射至预定空域爆炸，抛射布设纤维丝幕，利用纤维丝幕缠绕无人机螺旋桨，使其迫停坠落，该系统可对任务空域内的无人机(群)实施快速拦截打击，具有成本低廉、精准度高、附带损伤小、智能化水平高等优点，符合城市环境下反无人机技术发展的趋势要求。

2 定点空爆反无人机纤维弹系统组成与工作原理

本文所设计的定点空爆反无人机纤维弹系统主要由反无人机纤维弹和64 mm远程防暴发射器系统两部分组成，如图1所示。64 mm远程防暴发射器主要由发射器组件、发射控制系统、观瞄测距装置、自动感应装定装置、环境参数测试仪等组成，用于发射反无人机纤维弹，并控制反无人机纤维弹在预定空域实施爆炸；反无人机纤维弹主要由弹丸组件和药筒组件组成，在预定空域爆炸并抛撒纤维毁伤元，在目标区域形成纤维丝幕，对无人机(群)实施缠绕反制。

图1 定点空爆反无人机纤维弹系统组成框图

系统工作原理及流程：系统发射前，观瞄测距装置测定目标位置，环境测试仪测定环境参数；发射控制系统内置的弹道解算器根据目标位置、环境参数和弹丸平均初速解析弹道，解算出弹丸飞行至预设炸点位置所需的射向、射角和飞行时间；伺服控制系统依据解算的射向和射角信息自动调整发射器状态；感应装定装置接收弹丸飞行时间信息并编码保存，并适机装定至弹药引信中。发射控制系统发出击发指令开始射击，电源在发射过载下激活供电，引信启动并开始计时；出炮口后，引信内置的测速传感模块测试弹丸的实际初速，结合真实射角信息，对装定的时间信息进行自适应修正，提高空爆位置精度。当弹丸飞行至预设时间、到达预定位置时，引信引爆战斗部单元，将纤维丝毁伤元快速抛撒，对目标空域旋翼无人机的螺旋桨实施缠绕，导致无人机运动失稳而坠毁。

3 反无人机纤维弹结构设计

反无人机纤维弹由弹丸组件和药筒组件两部分组成，弹丸采用非金属壳体，确保非致命效应，药筒组件击发和发射弹丸组件，弹丸发射后滞留于发射器中，其结构如图2所示。

图2 定点空爆反无人机纤维弹组成示意图

反无人机纤维弹的弹丸组件由战斗部单元和定点空爆引信两部分组成，如图3所示。其中战斗部单元主要由弹丸壳体组件、纤维毁伤元、扩爆药、连接体、分离药盒组成；引信主要由电子发火组件及安全与解除保险装置两部分组成。

图3 定点空爆反无人机纤维弹弹丸结构示意图

1) 战斗部单元结构设计

弹丸壳体采用非金属塑性材料注塑成型，内腔设计预制槽，与连接体采用螺纹连接，内腔装填毁伤元。由于纤维毁伤元需要空爆抛撒，因此应具有抗燃、抗爆、耐高温的特性，同时由于需要缠绕螺旋桨，纤维毁伤元应具有轻质、柔软、坚韧的特性，另外还要考虑经济性和易获取性。分析当前符合反无人机纤维毁伤元属性要求的几种典型材料，其优缺点见表1。

表1 纤维毁伤元典型材料性能

综上分析，纤维毁伤元选择高性能芳纶纤维材料，即凯夫拉纤维，其密度小、抗拉强度高、断裂伸长率高，耐火耐热、抗冲击性强不易破碎，是一种应用广泛的抗燃抗弹防爆材料。反无人机纤维弹空爆后，为控制毁伤元下降速度，在凯夫拉毁伤纤维下悬挂吊坠，确保毁伤元与无人机旋翼更有效地缠绕，如图4所示。为使反无人机纤维弹空爆时，弹丸内的凯夫拉毁伤纤维抛撒均匀，其应在弹丸内以中心药管为中心，均匀布设。

图4 纤维毁伤元结构示意图

连接体为弹丸壳体与引信、尾螺的连接件；分离药盒采用双向同步点火机构，引信输出点火后，点火药轴向引爆扩爆药，周向引燃分离药，分离药燃烧产生的高压燃气破坏连接体与尾螺的螺纹连接，将连接体、分离药盒、引信及尾螺分离，避免整体落地造成地面人员过度致伤。

2) 自适应修正定点空爆引信

定点空爆引信采用复合定高引信，可在弹丸飞离炮口瞬间，接收炮口感应装定装置的时间数据，并在出炮口解保距离内对弹丸初速进行测量，根据实际初速对装定数据进行修正，提高空爆精度。

药筒组件与定点空爆防暴弹的弹种通用，采用高低压发射装药结构，由药筒体、高压室、盖盂、发射药、底火座及底火组成。

4 反无人机纤维弹效能仿真及试验验证

下面采用仿真分析和试验验证的方法，验证反无人机纤维弹的作用效能。

4.1 效能仿真

鉴于反无人机纤维毁伤元主要缠绕无人机螺旋桨，故只建立无人机螺旋桨与螺旋桨的旋转轴部分；又考虑到无人机飞行环境的复杂性，为简化计算，假设反无人机纤维弹通过定点空爆系统发射后，凯夫拉纤维毁伤元已是展开状态，并忽略外部环境的影响。

利用ANSYS/LS-DYNA 隐式—显示求解器对凯夫拉纤维毁伤元缠绕无人机螺旋桨进行仿真，选取长度为500 mm的矩形截面纤维丝，建立其有限元模型，根据凯夫拉纤维材料参数定义其单元类型与材料模型。建立无人机螺旋桨与螺旋桨的旋转轴部分模型，赋予120 r/s的初始旋转速度。图5展示了不同时刻凯夫拉纤维毁伤元对无人机螺旋桨的缠绕效果，从图中可以看出，在纤维毁伤元与螺旋桨开始接触时产生应力，之后的过程中纤维毁伤元与螺旋桨所受最大应力均比较稳定，而在4×10s时刻，纤维毁伤元由于既受到螺旋桨给予的力，又受到来自周围纤维毁伤元的压力，导致其应力值突然变大。由此可以看出，纤维毁伤元缠绕无人机螺旋桨，对其有力的作用变化，可以反映出反无人机纤维弹的作用效能。

图5 不同时刻纤维毁伤元对旋翼无人机的缠绕结效果图

当旋翼无人机一个或几个螺旋桨被纤维毁伤元缠绕，其转速会发生变化。图6展示出凯夫拉纤维毁伤元缠绕无人机螺旋桨后，其速度变化的情况，图中可以看出，从纤维毁伤元缠绕无人机螺旋桨开始，螺旋桨旋转速度呈显著下降趋势，分析得出纤维毁伤元对无人机螺旋桨有很好的缠绕效果，致使旋翼无人机速度下降，无人机将会失稳，达到反制目的。

图6 无人机螺旋桨的速度曲线

4.2 试验

根据仿真结果及分析情况，制备反无人机纤维弹弹体及其纤维毁伤元。在反无人机纤维弹弹丸内以中心药管为中心，均匀布设以凯夫拉纤维为材料的毁伤元。选取适宜的试验场地，操控旋翼无人机，使其螺旋桨以120 r/s的初始旋转速度飞至预设空域，而后在无人机上方2 m处定点空爆反无人机纤维弹。空爆后，凯夫拉纤维毁伤元呈辐射状定点抛撒，在与无人机螺旋桨接触后，对其进行缠绕，通过纤维毁伤元对无人机螺旋桨缠绕的作用力，使螺旋桨转数快速下降，直至无人机失稳，最终跌落，其过程如图7(左)。纤维毁伤元缠绕无人机螺旋桨的试验与ANSYS/LS-DYNA 效能仿真分析中在单元类型、材料定义、初始条件与分析结果均保持一致，得到了很好的试验效果，充分论证了反无人机纤维弹的作用效能，其试验效果如图7(右)所示。

图7 纤维毁伤元缠绕旋翼无人机试验过程及效果图

5 结论

本文所设计的基于定点空爆控制的反无人机纤维弹，依托64 mm定点空爆防暴武器系统，将纤维弹发射至预定空域爆炸，抛撒布设纤维丝幕，利用纤维丝幕缠绕无人机螺旋桨，使其迫停坠落。根据反无人机纤维弹实际作用条件，科学选取了纤维毁伤元的材料，经过ANSYS/LS-DYNA仿真和试验分析，证明其良好的作用效能。该方法具有成本低廉、精准度高、附带损伤小、智能化水平高等优点，能够克服以往反无人机方法的缺点，具有较高的安全性和精准性，为反无人机工作提出新的方法和思路，具有很高的应用价值和军事意义。