胡 越,孫 航,李長生

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210014)

0 引言

侵徹彈藥是對(duì)付深埋工事、多層指揮場(chǎng)所等高價(jià)值目標(biāo)的殺手锏武器[1]。硬目標(biāo)侵徹引信作為侵徹彈藥的“大腦”,在侵徹目標(biāo)過程中實(shí)時(shí)探測(cè)過載信息并處理數(shù)據(jù),在毫秒級(jí)的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)按照預(yù)定控制策略,控制戰(zhàn)斗部起爆摧毀目標(biāo)[2]。針對(duì)不同侵徹環(huán)境與打擊目標(biāo),起爆控制策略也不盡相同,如計(jì)時(shí)起爆、計(jì)侵深起爆與計(jì)空穴/計(jì)層起爆等。計(jì)空穴/計(jì)層起爆模式是指根據(jù)戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)過程中引信部位加速度過載信號(hào)特征來識(shí)別彈丸侵徹運(yùn)動(dòng)過程,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)預(yù)定起爆控制效果[3]。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是侵徹過程產(chǎn)生的過載物理量經(jīng)信號(hào)處理后能看出變化特征、信號(hào)容易獲取、處理電路簡單,是目前硬目標(biāo)侵徹引信的主要探測(cè)手段[4-5],且過載信號(hào)質(zhì)量關(guān)系炸點(diǎn)控制精度,最終決定武器系統(tǒng)的終端毀傷效能。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)攻防加劇,武器系統(tǒng)速度與精度越來越高,為提高侵徹能力,有學(xué)者提出復(fù)合戰(zhàn)斗部概念,復(fù)合戰(zhàn)斗部是指彈頭與彈身采用不同的材料并將兩者固連結(jié)合,采用長桿彈結(jié)構(gòu)且彈頭大多數(shù)采用鎢合金材料來提升侵徹效能[6-7],而這種結(jié)構(gòu)下應(yīng)力波會(huì)在戰(zhàn)斗部中來回反射、折射,使彈底引信上過載響應(yīng)變得更加復(fù)雜。且對(duì)于高速甚至超高速戰(zhàn)斗部侵徹多層目標(biāo)情況,彈體由于自身的結(jié)構(gòu)響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量高頻振蕩,這種振蕩信號(hào)不會(huì)迅速衰減,如果侵徹彈丸在相鄰層間飛行時(shí)間少于振蕩信號(hào)衰減時(shí)間,振蕩信號(hào)會(huì)與穿層信號(hào)混疊,導(dǎo)致目標(biāo)層數(shù)誤判,炸點(diǎn)位置錯(cuò)誤,嚴(yán)重削弱戰(zhàn)斗部毀傷效能[8-12]。而分布式探測(cè)與信息融合是解決該類戰(zhàn)斗部炸點(diǎn)控制的有效途徑,因此研究戰(zhàn)斗部不同部位過載響應(yīng)十分必要。

本文針對(duì)大型復(fù)合戰(zhàn)斗部分布式引信系統(tǒng)模型,獲取復(fù)合戰(zhàn)斗部內(nèi)應(yīng)力波傳遞規(guī)律,對(duì)高速侵徹多層靶情況下戰(zhàn)斗部不同部位過載信號(hào)分別進(jìn)行研究,并將各部位過載信號(hào)進(jìn)行比較,研究發(fā)現(xiàn)彈前端過載響應(yīng)優(yōu)于尾部,為基于分布式探測(cè)、數(shù)據(jù)融合的侵徹過程識(shí)別提供仿真數(shù)據(jù)支撐。

1 侵徹引信分布式探測(cè)原理及不同部位過載差異產(chǎn)生機(jī)理

1.1 侵徹引信分布式探測(cè)原理

為了提高侵徹引信控制精度,提升戰(zhàn)斗部侵徹復(fù)雜目標(biāo)時(shí)的毀傷效能,分布式探測(cè)與信息融合理念應(yīng)運(yùn)而生。早在2007年,Applied Research Associates公司在美國第51屆引信年會(huì)上針對(duì)多層復(fù)合目標(biāo)提出一種分布式探測(cè)技術(shù)[13],在彈頭及彈尾分別安裝加速度傳感器、電池、記錄儀,結(jié)構(gòu)如圖1所示,最終實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合目標(biāo)的侵徹過程識(shí)別。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室于2020年第63屆引信年會(huì)提出分布式引信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概念,包括分布式引信有線信息交聯(lián)、無線信息交聯(lián)兩種模式[14],如圖2所示,通過探測(cè)或感受戰(zhàn)斗部不同部位過載信號(hào)識(shí)別侵徹過程。

圖1 分布式探測(cè)戰(zhàn)斗部模型Fig.1 Distributed detection warhead model

圖2 分布式引信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概念Fig.2 The design concept of distributed fuze system

1.2 不同部位過載差異產(chǎn)生機(jī)理

應(yīng)力波普遍存在于固體動(dòng)力學(xué)分析中,當(dāng)外加載荷隨時(shí)間變化時(shí),介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過程為應(yīng)力波傳播、反射相互作用的過程。例如侵徹過程中,戰(zhàn)斗部受到的外加載荷變化十分劇烈,應(yīng)力波在戰(zhàn)斗部中的傳遞還未完成,載荷已經(jīng)發(fā)生顯著變化,因此戰(zhàn)斗部各部位過載會(huì)出現(xiàn)明顯差異,這時(shí)必須考慮應(yīng)力波的傳遞與反射。如果將戰(zhàn)斗部看作是一個(gè)圓柱桿,圓柱桿以速度v向靶板撞擊,則在圓柱桿中產(chǎn)生自左向右傳播的壓縮應(yīng)力波,即縱波;與此同時(shí),彈侵徹發(fā)生偏轉(zhuǎn),還會(huì)與靶板發(fā)生剪切撞擊,產(chǎn)生剪切波,即橫波。波速公式由波動(dòng)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(shù)值建模及仿真

2.1 建立數(shù)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(duì)稱結(jié)構(gòu),且彈體正侵靶板,為方便繪制有限元網(wǎng)格,節(jié)省計(jì)算時(shí)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(gè)彈體由彈頭、彈身、戰(zhàn)斗部主裝藥、引信及測(cè)試體4部分組成,在彈頭及裝藥前端分別放置一套測(cè)試體,彈尾放置一套引信。引信及測(cè)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(hù)在內(nèi)。

圖3 復(fù)合戰(zhàn)斗部分布式引信系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)的有限元模型,如圖5所示。整個(gè)模型采用8節(jié)點(diǎn)6面體網(wǎng)格離散,最小網(wǎng)格尺寸為5 mm,集中在彈頭、測(cè)試體、引信處,其余部位網(wǎng)格劃分稍粗,均滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。最后將有限元模型導(dǎo)出K文件,導(dǎo)入ANSYS-lsprepost前處理軟件中配置參數(shù),放入LS-Dyna中求解計(jì)算,獲取仿真結(jié)果。

圖5 復(fù)合戰(zhàn)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(gòu)與參數(shù)配置

2.2.1戰(zhàn)斗部及混凝土靶板材料模型參數(shù)

戰(zhàn)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(jié)構(gòu)均使用高強(qiáng)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(shù)如表1所示。

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

2.2.2材料接觸、控制及邊界設(shè)置

本文仿真中接觸設(shè)置主要涉及到彈體與鋼筋混凝土靶板的侵蝕接觸,彈體內(nèi)部各結(jié)構(gòu)之間的接觸等;控制設(shè)置中給戰(zhàn)斗部設(shè)定軸向初速,并設(shè)定計(jì)算步長與終止時(shí)間;邊界設(shè)置中給靶板設(shè)定邊界約束。

2.3 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果分析及應(yīng)力波在復(fù)合戰(zhàn)斗部中的傳遞規(guī)律

本文首先分析復(fù)合結(jié)構(gòu)彈體上的過載信號(hào),獲得應(yīng)力波在復(fù)合彈體中的傳遞規(guī)律,隨后分別將復(fù)合戰(zhàn)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(cè)試體,彈底引信的過載信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)合仿真與理論計(jì)算結(jié)果,分析復(fù)合戰(zhàn)斗部不同部位過載信號(hào)的差異與聯(lián)系,為基于分布式探測(cè)、數(shù)據(jù)融合的侵徹過程識(shí)別提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

對(duì)于大型復(fù)合戰(zhàn)斗部,其長徑比大,彈頭與彈身材料不同,這種結(jié)構(gòu)下應(yīng)力波會(huì)在不同材料交界處發(fā)生反射、折射,使測(cè)試體及引信過載響應(yīng)變得更為復(fù)雜。因此,為了研究戰(zhàn)斗部不同部位過載信號(hào)特征,需要先研究復(fù)合彈體上的過載信號(hào),獲得應(yīng)力波在彈體內(nèi)的傳遞規(guī)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(hào)更易看出應(yīng)力波在復(fù)合戰(zhàn)斗部中的傳遞規(guī)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(hào)。

圖6 1 700 m/s 速度彈頭與彈身部位時(shí)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(hào)均有兩個(gè)向下的脈沖,如圖7所示。

圖7 彈頭、彈身部位過載信號(hào)與侵徹過程關(guān)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(shí)程-過載曲線,如圖8所示?？梢钥吹綇楊^部位過載信號(hào)的第一個(gè)脈沖是由于戰(zhàn)斗部在穿靶過程中,靶板給予彈頭阻力,彈頭產(chǎn)生一個(gè)突變的減加速度;彈身部位過載信號(hào)的第一個(gè)脈沖,脈寬大,減加速度不斷增加,這是因?yàn)樵谇謴剡^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(dāng)彈身與靶板的接觸面積不再增加時(shí),達(dá)到峰值,同時(shí)彈頭處出現(xiàn)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(hào)的第二個(gè)脈沖,是由于彈頭受到作用力產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)反射回到原處產(chǎn)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(shí)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(hào)放大,與彈身過載信號(hào)對(duì)比,如圖9所示。

彈頭處過載信號(hào)的第二個(gè)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(hào)的第二個(gè)脈沖是由于彈身過載產(chǎn)生的應(yīng)力波,在彈體內(nèi)部循環(huán)一個(gè)周期導(dǎo)致,由于應(yīng)力波傳遞過程會(huì)產(chǎn)生衰減,彈身部位過載信號(hào)的第二個(gè)峰值比第一個(gè)峰值小,根據(jù)縱向應(yīng)力波速度公式(1),求出應(yīng)力波在不同材料中的傳播速度,進(jìn)而求出應(yīng)力波在彈體內(nèi)部傳遞時(shí)間。

根據(jù)式(1)求出應(yīng)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(yīng)力波在彈體中傳播一個(gè)周期的時(shí)間為T=0.90 s。圖9中彈身部位過載信號(hào)的第一個(gè)脈沖與第二個(gè)脈沖的時(shí)間差ΔT=0.91 s,理論計(jì)算時(shí)間與數(shù)值仿真得到的時(shí)間基本一致。

為了驗(yàn)證上述理論,分別截取彈體侵徹第2—5層及層間過程時(shí)程-過載曲線進(jìn)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(hào)對(duì)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(hào)第一個(gè)脈沖均為幅值較大的瞬時(shí)減加速度;彈身部位過載信號(hào)第一個(gè)脈沖脈寬大,且減加速度不斷增加;彈身部位過載信號(hào)的第一個(gè)脈沖與第二個(gè)脈沖時(shí)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(hào)均符合上述理論。

綜上所述,大型復(fù)合戰(zhàn)斗部在侵徹過程中所受沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波,會(huì)在彈體內(nèi)部循環(huán)往復(fù)傳遞直至衰減,在不同材料邊界發(fā)生反射及折射,本文觀察彈體過載信號(hào)特征,理論計(jì)算應(yīng)力波傳遞時(shí)間,初步獲得應(yīng)力波在大型復(fù)合戰(zhàn)斗部內(nèi)傳遞規(guī)律。

3 復(fù)合戰(zhàn)斗部不同部位過載信號(hào)分析及比較

3.1 頭部測(cè)試體過載信號(hào)分析

頭部測(cè)試體位于彈頭處,圖11為大型復(fù)合戰(zhàn)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(cè)試體時(shí)程-過載曲線?？梢钥吹?頭部測(cè)試體處過載信號(hào)能夠明顯分辨出侵徹過程,且過載曲線趨勢(shì)與彈頭過載趨勢(shì)相符,驗(yàn)證了應(yīng)力波在復(fù)合戰(zhàn)斗部中的傳遞規(guī)律。對(duì)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(cè)試體時(shí)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(duì)于1 700 m/s速度情況,頭部測(cè)試體過載信號(hào)兩處向下的脈沖與彈頭過載信號(hào)的兩個(gè)脈沖同步出現(xiàn);而對(duì)于900,1 300 m/s速度情況,由于彈速變慢,戰(zhàn)斗部在兩層靶板間飛行時(shí)間變長,根據(jù)上述理論可以預(yù)見到層間過程應(yīng)力波在彈體中循環(huán)次數(shù)增加,應(yīng)力波循環(huán)次數(shù)由層間時(shí)間與循環(huán)周期共同決定:

(3)

式中:層間飛行時(shí)間由靶板間距h與彈速?zèng)Q定,T層間=h/V彈;應(yīng)力波循環(huán)時(shí)間由應(yīng)力波波速與彈長l共同決定,T應(yīng)力波=l/V應(yīng)力波。900 m/s速度下戰(zhàn)斗部在兩層靶板間的飛行時(shí)間為3.333 ms,應(yīng)力波循環(huán)次數(shù)為3.36;1 300 m/s速度下層間飛行時(shí)間為2.308 ms,應(yīng)力波循環(huán)次數(shù)為2.33;1 700 m/s速度下層間飛行時(shí)間為1.765 ms,應(yīng)力波循環(huán)次數(shù)為1.78。因此,900 m/s速度下層間過程應(yīng)力波在彈體中能夠完整循環(huán)3次;1 300 m/s速度下層間過程應(yīng)力波在彈體中能完整循環(huán)2次;1 700 m/s速度下層間過程應(yīng)力波在彈體中能夠完整循環(huán)1次,在循環(huán)第2次時(shí)戰(zhàn)斗部已進(jìn)入下一層靶板,與上述仿真曲線相符。

對(duì)于過載信號(hào)的研究不只拘泥于軸向過載,為了給分布式探測(cè)、數(shù)據(jù)融合提供更多數(shù)據(jù)基礎(chǔ),觀察頭部測(cè)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(cè)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(fù)合戰(zhàn)斗部侵徹過程中徑向振動(dòng)幅值大,對(duì)軸向過載有很大影響,為了研究軸向與徑向過載相關(guān)性,繪制軸向與徑向過載信號(hào)頻譜圖,如圖13所示。

圖13 900,1 300,1 700 m/s速度下頭部測(cè)試體軸向、徑向過載信號(hào)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(hào)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(xiàn)3∶1比例關(guān)系。因此,徑向振動(dòng)對(duì)于軸向過載有很大影響,可以把應(yīng)力波在戰(zhàn)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(dǎo)致大型復(fù)合戰(zhàn)斗部上不同部位過載信號(hào)復(fù)雜難辨。

綜上所述,頭部測(cè)試體過載信號(hào)能夠明顯看出侵徹過程,受應(yīng)力波在復(fù)合戰(zhàn)斗部中傳遞影響嚴(yán)重,且過載較大,在分布式探測(cè)中需重點(diǎn)防護(hù)以免受沖擊振蕩而失效。

3.2 中部測(cè)試體過載信號(hào)分析

中部測(cè)試體位于裝藥前端,圖14為大型復(fù)合戰(zhàn)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(cè)試體時(shí)程-過載曲線。

圖14 900,1 300,1 700 m/s速度下彈頭、中部測(cè)試體時(shí)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(cè)試體過載信號(hào)并不像頭部測(cè)試體過載信號(hào)那樣明顯易辨,振蕩信號(hào)混疊較為嚴(yán)重,但仍能看到應(yīng)力波傳遞現(xiàn)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(cè)試體過載信號(hào)頻譜,如圖15所示。

圖15 900,1 300,1 700 m/s速度下中部測(cè)試體軸向、徑向過載信號(hào)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(cè)試體軸向過載信號(hào)中高頻成分與低頻成分幅度基本相同,頭部測(cè)試體軸向過載信號(hào)信噪比大于中部測(cè)試體軸向過載信號(hào)信噪比,因此中部過載信號(hào)更難辨認(rèn)侵徹過程,而900 m/s速度下彈體徑向振動(dòng)變小,因此高頻成分幅度很小。同樣也能看到在復(fù)合戰(zhàn)斗部中部,徑向振動(dòng)對(duì)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(xiàn)4∶1比例關(guān)系。

綜上所述,中部測(cè)試體過載信號(hào)相較于頭部測(cè)試體并不能看出明顯的侵徹過程,且幅值較小,同樣的,受應(yīng)力波在復(fù)合戰(zhàn)斗部中傳播影響嚴(yán)重,過載較大,在分布式探測(cè)中需重點(diǎn)防護(hù)以免受沖擊振蕩而失效。

3.3 彈底引信過載信號(hào)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(shí)程-過載曲線。

圖16 900,1 300,1 700 m/s速度下彈頭、彈底引信時(shí)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(hào)非常雜亂,振蕩信號(hào)混疊,侵徹過程無法辨別,基本無法用作計(jì)層控制,分別對(duì)上述3種情況下彈底引信過載信號(hào)進(jìn)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(hào)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(hào)經(jīng)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(hào)經(jīng)低通濾波,僅能看到第1,4,5層穿靶信號(hào);將900 m/s速度彈底引信過載信號(hào)經(jīng)低通濾波,能看到5層不太明顯的穿靶信號(hào)。

綜上所述,大型復(fù)合戰(zhàn)斗部彈底引信過載信號(hào)十分雜亂,過載幅值較前端測(cè)試體更小,高頻振蕩信號(hào)與低頻沖擊信號(hào)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(shí)別侵徹過程;對(duì)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(shí)別侵徹過程。

3.4 大型復(fù)合戰(zhàn)斗部不同部位過載信號(hào)比較

取最有代表性的1 700 m/s速度下復(fù)合戰(zhàn)斗部前、中、后部位三軸過載-時(shí)程曲線,如圖18所示,可以看到由于應(yīng)力波在傳遞過程中會(huì)發(fā)生衰減,大型復(fù)合戰(zhàn)斗部由前到后過載信號(hào)幅值逐漸減小,應(yīng)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(hào)侵徹過程不明顯,而彈尾部位則只能看到雜亂的振蕩信號(hào)混疊。這是因?yàn)閺椕看┩敢粚影邪?產(chǎn)生的應(yīng)力波會(huì)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(fā)生反射,應(yīng)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(yīng)力波在彈體內(nèi)循環(huán)往復(fù)傳遞數(shù)個(gè)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(yīng)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(dòng)幅度很大。

圖18 1 700 m/s速度大型復(fù)合戰(zhàn)斗部前、中、后部位三軸時(shí)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(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波對(duì)大型復(fù)合戰(zhàn)斗部不同部位過載信號(hào)造成很大影響,侵徹過程中受沖擊而產(chǎn)生的應(yīng)力波在大型復(fù)合戰(zhàn)斗部中的傳播規(guī)律比較復(fù)雜,應(yīng)力波會(huì)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(fā)生反射、折射,在頭部、中部測(cè)試體、尾部引信處的過載信號(hào)均能看到明顯的應(yīng)力波傳播特征。對(duì)比前、中、后部位過載信號(hào),發(fā)現(xiàn):1) 從前到后過載信號(hào)幅值逐漸減小,頭部到尾部衰減率為10%～25%左右,因此需要對(duì)分布式探測(cè)系統(tǒng)頭部、中部測(cè)試體重點(diǎn)防護(hù),避免其無法抵抗大過載而失效;2) 頭部過載信號(hào)能夠明顯分辨侵徹過程,尾部過載信號(hào)十分雜亂,難以分辨侵徹過程;3) 速度越大,頭部測(cè)試體越能夠獲得明顯的侵徹過程,尾部引信振蕩越大,信號(hào)越容易混疊,特別是對(duì)于超高速情況(1 700 m/s速度);4) 根據(jù)前文式(1)、式(3),彈體材料楊氏模量越大,應(yīng)力波在彈體中傳播速度越大,應(yīng)力波在彈體中循環(huán)次數(shù)越多;彈長越短,應(yīng)力波在彈體中循環(huán)時(shí)間越短,循環(huán)次數(shù)越多;彈速越小,靶間距越大,戰(zhàn)斗部層間飛行時(shí)間越長,應(yīng)力波在彈體中循環(huán)次數(shù)越多。

本文研究該類戰(zhàn)斗部不同部位過載響應(yīng),為分布式探測(cè)裝置的安裝位置選擇提供理論依據(jù),為分布式探測(cè)融合提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但本文不足之處在于僅從仿真入手進(jìn)行研究,沒有經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,之后將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室與靶場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。