胡 越,孙 航,李长生

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏 南京 210014)

0 引言

侵彻弹药是对付深埋工事、多层指挥场所等高价值目标的杀手锏武器[1]。硬目标侵彻引信作为侵彻弹药的“大脑”,在侵彻目标过程中实时探测过载信息并处理数据,在毫秒级的反应时间内按照预定控制策略,控制战斗部起爆摧毁目标[2]。针对不同侵彻环境与打击目标,起爆控制策略也不尽相同,如计时起爆、计侵深起爆与计空穴/计层起爆等。计空穴/计层起爆模式是指根据战斗部侵彻目标过程中引信部位加速度过载信号特征来识别弹丸侵彻运动过程,进而实现预定起爆控制效果[3]。这种控制方式的优点是侵彻过程产生的过载物理量经信号处理后能看出变化特征、信号容易获取、处理电路简单,是目前硬目标侵彻引信的主要探测手段[4-5],且过载信号质量关系炸点控制精度,最终决定武器系统的终端毁伤效能。

随着现代战场攻防加剧,武器系统速度与精度越来越高,为提高侵彻能力,有学者提出复合战斗部概念,复合战斗部是指弹头与弹身采用不同的材料并将两者固连结合,采用长杆弹结构且弹头大多数采用钨合金材料来提升侵彻效能[6-7],而这种结构下应力波会在战斗部中来回反射、折射,使弹底引信上过载响应变得更加复杂。且对于高速甚至超高速战斗部侵彻多层目标情况,弹体由于自身的结构响应会产生大量高频振荡,这种振荡信号不会迅速衰减,如果侵彻弹丸在相邻层间飞行时间少于振荡信号衰减时间,振荡信号会与穿层信号混叠,导致目标层数误判,炸点位置错误,严重削弱战斗部毁伤效能[8-12]。而分布式探测与信息融合是解决该类战斗部炸点控制的有效途径,因此研究战斗部不同部位过载响应十分必要。

本文针对大型复合战斗部分布式引信系统模型,获取复合战斗部内应力波传递规律,对高速侵彻多层靶情况下战斗部不同部位过载信号分别进行研究,并将各部位过载信号进行比较,研究发现弹前端过载响应优于尾部,为基于分布式探测、数据融合的侵彻过程识别提供仿真数据支撑。

1 侵彻引信分布式探测原理及不同部位过载差异产生机理

1.1 侵彻引信分布式探测原理

为了提高侵彻引信控制精度,提升战斗部侵彻复杂目标时的毁伤效能,分布式探测与信息融合理念应运而生。早在2007年,Applied Research Associates公司在美国第51届引信年会上针对多层复合目标提出一种分布式探测技术[13],在弹头及弹尾分别安装加速度传感器、电池、记录仪,结构如图1所示,最终实现多层复合目标的侵彻过程识别。美国Sandia国家实验室于2020年第63届引信年会提出分布式引信系统总体设计概念,包括分布式引信有线信息交联、无线信息交联两种模式[14],如图2所示,通过探测或感受战斗部不同部位过载信号识别侵彻过程。

图1 分布式探测战斗部模型Fig.1 Distributed detection warhead model

图2 分布式引信系统总体设计概念Fig.2 The design concept of distributed fuze system

1.2 不同部位过载差异产生机理

应力波普遍存在于固体动力学分析中,当外加载荷随时间变化时,介质的运动响应过程为应力波传播、反射相互作用的过程。例如侵彻过程中,战斗部受到的外加载荷变化十分剧烈,应力波在战斗部中的传递还未完成,载荷已经发生显著变化,因此战斗部各部位过载会出现明显差异,这时必须考虑应力波的传递与反射。如果将战斗部看作是一个圆柱杆,圆柱杆以速度v向靶板撞击,则在圆柱杆中产生自左向右传播的压缩应力波,即纵波;与此同时,弹侵彻发生偏转,还会与靶板发生剪切撞击,产生剪切波,即横波。波速公式由波动方程可求出,式(1)、式(2)分别为纵波、横波波速公式:

(1)

(2)

式中:E为材料杨氏模量;G为剪切模量,单位GPa;ρ为材料密度,单位kg/m3。

2 数值建模及仿真

2.1 建立数值仿真模型

在Solidworks软件中建立弹体、靶板三维模型。由于弹体、靶板均为轴对称结构,且弹体正侵靶板,为方便绘制有限元网格,节省计算时间,提升效率,采用1/4模型,如图3、图4所示。弹长2 m,最大直径0.4 m,弹重约600 kg。整个弹体由弹头、弹身、战斗部主装药、引信及测试体4部分组成,在弹头及装药前端分别放置一套测试体,弹尾放置一套引信。引信及测试体均由壳体、灌封料、电路板3部分组成,灌封料将电路板保护在内。

图3 复合战斗部分布式引信系统1/4几何模型Fig.3 The composite warhead distributed fuze system

图4 5层钢筋混凝土靶板1/4几何模型Fig.4 5-layer reinforced concrete target

靶板为5层3 m×3 m正方形钢筋混凝土靶板,第1层靶厚0.3 m,第2～5层厚0.18 m,每层靶板间距3 m。

在Hypermesh软件中建立整个系统的有限元模型,如图5所示。整个模型采用8节点6面体网格离散,最小网格尺寸为5 mm,集中在弹头、测试体、引信处,其余部位网格划分稍粗,均满足网格质量要求。最后将有限元模型导出K文件,导入ANSYS-lsprepost前处理软件中配置参数,放入LS-Dyna中求解计算,获取仿真结果。

图5 复合战斗部侵彻5层靶板有限元模型Fig.5 The finite element model of the composite warhead penetrates the 5-layer target

2.2 材料本构与参数配置

2.2.1战斗部及混凝土靶板材料模型参数

战斗部均采用塑性各向同性硬化模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC,其中弹头使用钨合金,弹身、底盖结构均使用高强度合金钢30CrMnSiNi2A,C80钢筋混凝土靶板采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE材料模型。各材料具体参数如表1所示。

表1 各材料具体参数Tab.1 Specific parameters of each material

2.2.2材料接触、控制及边界设置

本文仿真中接触设置主要涉及到弹体与钢筋混凝土靶板的侵蚀接触,弹体内部各结构之间的接触等;控制设置中给战斗部设定轴向初速,并设定计算步长与终止时间;边界设置中给靶板设定边界约束。

2.3 仿真数据结果分析及应力波在复合战斗部中的传递规律

本文首先分析复合结构弹体上的过载信号,获得应力波在复合弹体中的传递规律,随后分别将复合战斗部以900,1 300,1 700 m/s速度侵彻5层C80钢筋混凝土靶板3种情况下头、中部测试体,弹底引信的过载信号进行对比,结合仿真与理论计算结果,分析复合战斗部不同部位过载信号的差异与联系,为基于分布式探测、数据融合的侵彻过程识别提供数据基础。

对于大型复合战斗部,其长径比大,弹头与弹身材料不同,这种结构下应力波会在不同材料交界处发生反射、折射,使测试体及引信过载响应变得更为复杂。因此,为了研究战斗部不同部位过载信号特征,需要先研究复合弹体上的过载信号,获得应力波在弹体内的传递规律。由于1 700 m/s速度下过载幅值更大,侵彻过程更加明显,取1 700 m/s速度下弹头与弹身过载信号更易看出应力波在复合战斗部中的传递规律,图6为仿真获得的1 700 m/s速度下弹头与弹身部位过载信号。

图6 1 700 m/s 速度弹头与弹身部位时程-过载曲线Fig.6 1 700 m/s speed warhead and body part time history-overload curve

弹头与弹身每穿一层靶板,过载信号均有两个向下的脉冲,如图7所示。

图7 弹头、弹身部位过载信号与侵彻过程关系Fig.7 The relationship between the overload signal of the warhead and the body part and the penetration process

截取并分析侵彻第1层靶板及第1,2层间飞行过程中弹头与弹身的时程-过载曲线,如图8所示。可以看到弹头部位过载信号的第一个脉冲是由于战斗部在穿靶过程中,靶板给予弹头阻力,弹头产生一个突变的减加速度;弹身部位过载信号的第一个脉冲,脉宽大,减加速度不断增加,这是因为在侵彻过程中弹身受到来自弹头的作用力且侵彻深度增加,弹身与靶板的接触面积增大,阻力不断增大,当弹身与靶板的接触面积不再增加时,达到峰值,同时弹头处出现与前者几乎呈镜像的正加速度,即弹头与弹身受到方向相反的相互作用力,与前文所述相符;弹头部位过载信号的第二个脉冲,是由于弹头受到作用力产生的应力波经反射回到原处产生的。

图8 截取侵彻第1层靶及第1,2层间飞行过程中弹头与弹身的时程-过载曲线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

将图8弹头过载信号放大,与弹身过载信号对比,如图9所示。

弹头处过载信号的第二个脉冲与前面的正向波峰波形基本一致,前者脉宽约为0.51 ms,峰值为12 100g,后者脉宽约为0.50 ms,峰值为23 000g,幅值衰减一半;弹身部位过载信号的第二个脉冲是由于弹身过载产生的应力波,在弹体内部循环一个周期导致,由于应力波传递过程会产生衰减,弹身部位过载信号的第二个峰值比第一个峰值小,根据纵向应力波速度公式(1),求出应力波在不同材料中的传播速度,进而求出应力波在弹体内部传递时间。

根据式(1)求出应力波在钨合金中传递速度为VW=4 278.44 m/s,在30CrMnSiNi2A合金钢中传递速度为Vsteel=5 151.15 m/s,于是求出应力波在弹体中传播一个周期的时间为T=0.90 s。图9中弹身部位过载信号的第一个脉冲与第二个脉冲的时间差ΔT=0.91 s,理论计算时间与数值仿真得到的时间基本一致。

为了验证上述理论,分别截取弹体侵彻第2—5层及层间过程时程-过载曲线进行分析,如图10所示。

图10 弹体侵彻第2～5层及层间过程弹头与弹身过载信号对比图Fig.10 Comparison of warhead and body overload signals during the penetration of layers 2～5 and interlayers of the projectile

第2—5层中,弹头部位过载信号第一个脉冲均为幅值较大的瞬时减加速度;弹身部位过载信号第一个脉冲脉宽大,且减加速度不断增加;弹身部位过载信号的第一个脉冲与第二个脉冲时间差分别为1.01,0.96,0.95,0.90 ms,与理论值接近。每层过载信号均符合上述理论。

综上所述,大型复合战斗部在侵彻过程中所受冲击产生的应力波,会在弹体内部循环往复传递直至衰减,在不同材料边界发生反射及折射,本文观察弹体过载信号特征,理论计算应力波传递时间,初步获得应力波在大型复合战斗部内传递规律。

3 复合战斗部不同部位过载信号分析及比较

3.1 头部测试体过载信号分析

头部测试体位于弹头处,图11为大型复合战斗部以900,1 300,1 700 m/s速度侵彻5层C80钢筋混凝土靶板情况下头部测试体时程-过载曲线。可以看到,头部测试体处过载信号能够明显分辨出侵彻过程,且过载曲线趋势与弹头过载趋势相符,验证了应力波在复合战斗部中的传递规律。对比不同速度情况,随着速度增加,侵彻过程更加明显易辨,900,1 300,1 700 m/s速度下过载最大峰值分别为149 000,185 000,201 000g。

图11 900,1 300,1 700 m/s速度下弹头及头部测试体时程-过载曲线Fig.11 Time-history-overload curves of warhead and head test bodies at speeds of 900, 1 300 and 1 700 m/s

对于1 700 m/s速度情况,头部测试体过载信号两处向下的脉冲与弹头过载信号的两个脉冲同步出现;而对于900,1 300 m/s速度情况,由于弹速变慢,战斗部在两层靶板间飞行时间变长,根据上述理论可以预见到层间过程应力波在弹体中循环次数增加,应力波循环次数由层间时间与循环周期共同决定:

(3)

式中:层间飞行时间由靶板间距h与弹速决定,T层间=h/V弹;应力波循环时间由应力波波速与弹长l共同决定,T应力波=l/V应力波。900 m/s速度下战斗部在两层靶板间的飞行时间为3.333 ms,应力波循环次数为3.36;1 300 m/s速度下层间飞行时间为2.308 ms,应力波循环次数为2.33;1 700 m/s速度下层间飞行时间为1.765 ms,应力波循环次数为1.78。因此,900 m/s速度下层间过程应力波在弹体中能够完整循环3次;1 300 m/s速度下层间过程应力波在弹体中能完整循环2次;1 700 m/s速度下层间过程应力波在弹体中能够完整循环1次,在循环第2次时战斗部已进入下一层靶板,与上述仿真曲线相符。

对于过载信号的研究不只拘泥于轴向过载,为了给分布式探测、数据融合提供更多数据基础,观察头部测试体径向过载,如图12所示。

图12 900,1 300,1 700 m/s速度下头部测试体径向过载曲线Fig.12 Radial overload curve of the head test body at 900, 1 300, 1 700 m/s speed

由图12看出,复合战斗部侵彻过程中径向振动幅值大,对轴向过载有很大影响,为了研究轴向与径向过载相关性,绘制轴向与径向过载信号频谱图,如图13所示。

图13 900,1 300,1 700 m/s速度下头部测试体轴向、径向过载信号频谱图Fig.13 Spectrogram of axial and radial overload signals of the head test body at 900, 1 300 and 1 700 m/s speeds

由图13可以看出,轴向过载信号除了穿靶冲击的低频成分,能量主要集中在15～35 kHz间,轴向与径向高频成分幅度基本呈现3∶1比例关系。因此,径向振动对于轴向过载有很大影响,可以把应力波在战斗部中的传递看作横波在径向来回反射、折射;纵波在轴向来回反射、折射,二者共同导致大型复合战斗部上不同部位过载信号复杂难辨。

综上所述,头部测试体过载信号能够明显看出侵彻过程,受应力波在复合战斗部中传递影响严重,且过载较大,在分布式探测中需重点防护以免受冲击振荡而失效。

3.2 中部测试体过载信号分析

中部测试体位于装药前端,图14为大型复合战斗部以900,1 300,1 700 m/s速度侵彻5层C80钢筋混凝土靶板情况下弹头、中部测试体时程-过载曲线。

图14 900,1 300,1 700 m/s速度下弹头、中部测试体时程-过载曲线Fig.14 Time-overload curve of warhead and middle test body at 900, 1 300, 1 700 m/s speed

由图14可以看出,中部测试体过载信号并不像头部测试体过载信号那样明显易辨,振荡信号混叠较为严重,但仍能看到应力波传递现象,900,1 300,1 700 m/s速度下过载最大峰值分别为74 300,12 200,15 100g。

分析900,1 300,1 700 m/s速度下中部测试体过载信号频谱,如图15所示。

图15 900,1 300,1 700 m/s速度下中部测试体轴向、径向过载信号频谱图Fig.15 Spectrogram of axial and radial overload signals in the middle test body at 900, 1 300, 1 700 m/s speed

由图15可以看出,1 300,1 700 m/s速度中部测试体轴向过载信号中高频成分与低频成分幅度基本相同,头部测试体轴向过载信号信噪比大于中部测试体轴向过载信号信噪比,因此中部过载信号更难辨认侵彻过程,而900 m/s速度下弹体径向振动变小,因此高频成分幅度很小。同样也能看到在复合战斗部中部,径向振动对于轴向过载有很大影响,轴向与径向高频成分幅度基本呈现4∶1比例关系。

综上所述,中部测试体过载信号相较于头部测试体并不能看出明显的侵彻过程,且幅值较小,同样的,受应力波在复合战斗部中传播影响严重,过载较大,在分布式探测中需重点防护以免受冲击振荡而失效。

3.3 弹底引信过载信号分析

弹底引信放置于弹底引信腔中,图16为900,1 300,1 700 m/s速度侵彻5层C80钢筋混凝土靶板情况下弹头、弹底引信时程-过载曲线。

图16 900,1 300,1 700 m/s速度下弹头、弹底引信时程-过载曲线Fig.16 Warhead and tail fuze time-overload curves at 900, 1 300, 1 700 m/s speeds

由图16所示,弹底引信部位过载信号非常杂乱,振荡信号混叠,侵彻过程无法辨别,基本无法用作计层控制,分别对上述3种情况下弹底引信过载信号进行低通滤波,效果如图17所示。

图17 900,1 300 m/s速度弹底引信滤波后过载信号Fig.17 900, 1 300 m/s velocity tail fuze filtered overload signal

将1 700 m/s速度弹底引信过载信号经低通滤波,无法辨别侵彻过程,故过载曲线图不再放出;将1 300 m/s速度弹底引信过载信号经低通滤波,仅能看到第1,4,5层穿靶信号;将900 m/s速度弹底引信过载信号经低通滤波,能看到5层不太明显的穿靶信号。

综上所述,大型复合战斗部弹底引信过载信号十分杂乱,过载幅值较前端测试体更小,高频振荡信号与低频冲击信号混叠,基本看不出侵彻过程,且简单低通滤波无法滤除超高速情况(1 700 m/s速度)下的弹体振荡,难于识别侵彻过程;对于高速情况(900,1 300 m/s速度),弹体振荡难被滤除,基本能够识别侵彻过程。

3.4 大型复合战斗部不同部位过载信号比较

取最有代表性的1 700 m/s速度下复合战斗部前、中、后部位三轴过载-时程曲线,如图18所示,可以看到由于应力波在传递过程中会发生衰减,大型复合战斗部由前到后过载信号幅值逐渐减小,应力波由弹头部位到弹尾部位衰减率大约在10%～25%左右。且弹头部位能够明显看出侵彻过程,弹中部位信号侵彻过程不明显,而弹尾部位则只能看到杂乱的振荡信号混叠。这是因为弹每穿透一层靶板,产生的应力波会以横波和纵波的方式在弹体中沿轴向、径向传播并在边界发生反射,应力波传播速度是弹速的3～5倍,因此能在层间飞行过程中看到应力波在弹体内循环往复传递数个周期直至弹开始侵彻下一层靶板,弹底引信距弹尾边界很近,应力波在弹尾边界与引信中来回反射,且侵彻过程中弹尾径向振动幅度很大。

图18 1 700 m/s速度大型复合战斗部前、中、后部位三轴时程-过载曲线Fig.18 1 700 m/s speed large composite warhead front, middle and rear three-axis time-overload curve

4 结论

本文研究发现应力波对大型复合战斗部不同部位过载信号造成很大影响,侵彻过程中受冲击而产生的应力波在大型复合战斗部中的传播规律比较复杂,应力波会以横波、纵波的形式在弹体中沿轴向、径向传播并在边界处发生反射、折射,在头部、中部测试体、尾部引信处的过载信号均能看到明显的应力波传播特征。对比前、中、后部位过载信号,发现:1) 从前到后过载信号幅值逐渐减小,头部到尾部衰减率为10%～25%左右,因此需要对分布式探测系统头部、中部测试体重点防护,避免其无法抵抗大过载而失效;2) 头部过载信号能够明显分辨侵彻过程,尾部过载信号十分杂乱,难以分辨侵彻过程;3) 速度越大,头部测试体越能够获得明显的侵彻过程,尾部引信振荡越大,信号越容易混叠,特别是对于超高速情况(1 700 m/s速度);4) 根据前文式(1)、式(3),弹体材料杨氏模量越大,应力波在弹体中传播速度越大,应力波在弹体中循环次数越多;弹长越短,应力波在弹体中循环时间越短,循环次数越多;弹速越小,靶间距越大,战斗部层间飞行时间越长,应力波在弹体中循环次数越多。

本文研究该类战斗部不同部位过载响应,为分布式探测装置的安装位置选择提供理论依据,为分布式探测融合提供数据基础。但本文不足之处在于仅从仿真入手进行研究,没有经实际验证,之后将进行实验室与靶场试验验证。