反導(dǎo)毀傷元頭部形狀對目標(biāo)穿甲毀傷效應(yīng)的影響

徐英麥，杜茂華，王偉力，盧明章，田述棟

（1.91049 部隊(duì)，山東 青島 266102；2.海軍航空工程學(xué)院 a.七系；b.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺(tái) 264001；）

直接碰撞殺傷(hit to kill，HTK)是在傳統(tǒng)的防空反導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)上，取消大質(zhì)量非觸發(fā)爆炸式戰(zhàn)斗部而以直接命中方式殺傷目標(biāo)的一種新興反導(dǎo)武器技術(shù)，代表著反導(dǎo)武器面向未來高技術(shù)戰(zhàn)場反導(dǎo)作戰(zhàn)需求的一個(gè)重要發(fā)展方向。

自20世紀(jì)70年代以來，美國已經(jīng)先后研制并試驗(yàn)了多種類型的動(dòng)能攔截彈。動(dòng)能攔截彈靠高速運(yùn)動(dòng)所具有的巨大動(dòng)能毀傷來襲目標(biāo)，降低來襲目標(biāo)的作戰(zhàn)效能。

在HTK反導(dǎo)模式下，毀傷元的形狀對艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥的毀傷效應(yīng)具有重要影響。本文在分析反艦導(dǎo)彈目標(biāo)易損性的基礎(chǔ)上，分別就尖頭毀傷元和鈍頭毀傷元對反艦導(dǎo)彈靶板的毀傷效應(yīng)進(jìn)行了研究。

1 反艦導(dǎo)彈易損性及毀傷模式分析

西方海軍對“捕鯨叉”導(dǎo)彈和“飛魚”導(dǎo)彈的使用率長期居反艦導(dǎo)彈之首，其各種性能仍在不斷提高。

分析國外現(xiàn)役的各種反艦導(dǎo)彈，其組成部分主要包括彈體、彈翼、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、動(dòng)力裝置和引戰(zhàn)系統(tǒng)等。彈體一般有良好的氣動(dòng)外形以減少空氣阻力，彈體頭部多為流線形，彈體截面多為圓形。彈體較為細(xì)長，彈體通常用鋁合金或復(fù)合材料等制成。為了便于維護(hù)使用，反艦導(dǎo)彈彈體多采用分段模塊化設(shè)計(jì)。反艦導(dǎo)彈典型彈體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反艦導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)示意圖

反艦導(dǎo)彈的易損性是反導(dǎo)武器的毀傷特性和反艦導(dǎo)彈本身的物理特性的函數(shù)[1]。反艦導(dǎo)彈的物理特性包括：幾何結(jié)構(gòu)、硬度、關(guān)鍵性部件的數(shù)量和位置，以及決定一次命中能引起的毀傷或使其失去戰(zhàn)斗能力的總概率的其他特性[2]。本文主要研究毀傷元頭部形狀對導(dǎo)彈的穿甲毀傷效應(yīng)的影響。

目前，艦艇反導(dǎo)作戰(zhàn)主要是使用艦載防空導(dǎo)彈、艦炮對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行攔截，它們主要是通過破片式對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行殺傷；另外，對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行電子干擾，使其制導(dǎo)控制系統(tǒng)功能失常或失效，進(jìn)而使反艦導(dǎo)彈偏離目標(biāo)。反艦導(dǎo)彈的毀傷分為結(jié)構(gòu)毀傷和功能毀傷。因此，對反艦導(dǎo)彈毀傷級別的定義中，反艦導(dǎo)彈毀傷度分為K 和C 2級[3]。

K級毀傷：導(dǎo)彈立即解體；

C級毀傷：不能完成預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)。

造成K級毀傷的原因主要是在破片作用下，反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸，或者燃油箱著火或爆炸，再者可能是破片作用下導(dǎo)彈彈翼折斷。K級毀傷的毀傷樹如圖2所示。

圖2 K級毀傷的毀傷樹

造成C級毀傷的原因主要是反艦導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和引戰(zhàn)系統(tǒng)受創(chuàng)，造成反艦導(dǎo)彈不能完成預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)。可能具有一定的毀傷元破片的硬殺傷和電子干擾手段的軟殺傷能力。C級毀傷的毀傷樹如圖3所示。

圖3 C級毀傷的毀傷樹

2 HTK反導(dǎo)毀傷機(jī)理分析

1)HTK反導(dǎo)毀傷機(jī)理。HTK反導(dǎo)模式下，當(dāng)毀傷元以其具有的巨大動(dòng)能對來襲反艦導(dǎo)彈進(jìn)行侵徹毀傷時(shí)，其侵徹穿甲過程屬于高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)研究范疇。侵徹過程中，當(dāng)毀傷元撞擊靶板所產(chǎn)生的應(yīng)力高于靶板材料的強(qiáng)度極限時(shí)，靶板將發(fā)生破壞[4-7]。最常見的破壞形式歸納起來主要以沖塞穿甲、花瓣型穿甲、延性擴(kuò)孔穿甲。薄板穿甲問題的破壞模式與毀傷元速度、頭部形狀、靶板材料和靶板厚度等因素關(guān)系密切。毀傷元頭部外形是影響侵徹穿甲過程的主要因素，尖頭毀傷元對撞擊靶板的破壞主要集中在彈體軸線的四周，如圖4所示；平頭毀傷元對靶體的破壞涉及到以碰撞點(diǎn)為圓心的一個(gè)圓柱面或一個(gè)圓錐面，如圖5所示。

圖4 尖頭毀傷元侵徹薄板破壞模式

圖5 平頭毀傷元侵徹靶板毀傷模式

2)HTK反導(dǎo)對來襲反艦導(dǎo)彈的毀傷特點(diǎn)。當(dāng)毀傷元與來襲反艦導(dǎo)彈相對速度較高時(shí)，穿甲沖擊目標(biāo)靶板后會(huì)引起撞擊區(qū)域較大范圍內(nèi)的變形與破壞：

①當(dāng)毀傷元頭部為錐角時(shí)。毀傷元侵徹薄靶板的過程中，頭部先壓過靶板，使靶板材料在頭部錐體壓力作用下產(chǎn)生剪切滑移變形，并貼合于錐形頭部表面，尤其錐角大于π/4時(shí)，在靶板背面形成錐形隆起，在頭部繼續(xù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)下，與彈尖端接觸部分最先破裂，隨著裂紋的進(jìn)一步延伸形成花瓣型破壞。

②當(dāng)毀傷元頭部為平頭形時(shí)。毀傷元撞擊薄靶板的過程中，在靶板內(nèi)引起順著撞擊方向的位移，在撞擊區(qū)域周邊造成靶板材料的剪切變形。當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，毀傷元頭部前方的材料與靶材發(fā)生剪切斷裂，形成沖塞破壞。

根據(jù)上述特點(diǎn)，艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥采用HTK反導(dǎo)模式時(shí)，尖頭毀傷元破壞模式為錐形隆起—花瓣型破壞，平頭毀傷元破壞模式為沖塞式破壞。整個(gè)穿甲過程中尖頭毀傷元消耗的動(dòng)能主要是通過靶板隆起變形和花瓣形成所吸收，而花瓣形成是由裂縫的擴(kuò)展和花瓣彎曲的方式完成的；平頭毀傷元消耗的動(dòng)能主要是靶板剪切變形和沖塞體形成所吸收，而沖塞體的形成是由靶板剪切變形和沖塞體斷裂完成的。

3 HTK反導(dǎo)對反艦導(dǎo)彈穿甲毀傷效應(yīng)動(dòng)態(tài)分析

由于試驗(yàn)的復(fù)雜性和反艦導(dǎo)彈的特殊性以及經(jīng)濟(jì)性，在進(jìn)行HTK反導(dǎo)模式下艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥毀傷效應(yīng)研究時(shí)，不可能進(jìn)行系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。我們采用 LS-DYNA 線性有限元程序研究HTK反導(dǎo)模式下動(dòng)能穿甲過程的物理現(xiàn)象和本質(zhì)[8]及其HTK反導(dǎo)對反艦導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)。

由于毀傷元直徑遠(yuǎn)小于反艦導(dǎo)彈彈體直徑，計(jì)算時(shí)，反艦導(dǎo)彈可等效為平板。在研究中，艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥的動(dòng)能毀傷元采用 Plastic-Kinematic模型，來襲反艦導(dǎo)彈材料選用考慮應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)的Johnson-cook 材料模型和Grüneisen 狀態(tài)方程。

根據(jù)對典型來襲反艦導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的分析，目標(biāo)靶板設(shè)計(jì)為單層16 mm 厚4340 鋼靶，動(dòng)能毀傷元采用93#鎢，頭部形狀分別為尖頭錐形和平頭圓柱形2種，2種毀傷元質(zhì)量相等、彈徑相同，都為10 mm，計(jì)算有限元模型如圖6所示，計(jì)算中采用的主要參數(shù)見表1[9]、表2和表3[10]。

圖6 動(dòng)能毀傷元侵徹單層靶有限元模型

表1 材料Plastic-kinematic模型參數(shù)

表2 材料John-cook模型參數(shù)

表3 材料Grüneisen 狀態(tài)方程參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型的建立基于以下假設(shè)：HTK反導(dǎo)模式下，艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥毀傷元和目標(biāo)靶板結(jié)構(gòu)材料為均勻連續(xù)介質(zhì)；材料的初始應(yīng)力為0，不計(jì)空氣阻力，不考慮重力的作用。為了比較預(yù)測效果，按照相對速度由225～400 m/s 每隔25 m/s為間距進(jìn)行規(guī)律性、機(jī)理性的系統(tǒng)模擬，獲得的2種破壞模型下速度歷史曲線如圖7所示。

圖7 不同毀傷元在不同速度下的速度時(shí)間歷程圖

從圖7中可以看出，初速相同的情況下，穿靶后尖頭毀傷元的剩余速度大于平頭毀傷元的剩余速度。

在穿甲侵徹過程中，由于毀傷元頭部形狀的影響，不同形狀的毀傷元所受阻力不同，從而使得不同毀傷元所受過載也不相同。在尖頭毀傷元侵徹穿甲時(shí)，加速度與速度方向反向逐漸增大至峰值，然后逐漸減小。這是由于尖頭毀傷元在侵徹過程中，毀傷元與靶板的接觸面積逐漸增加，當(dāng)毀傷元的尖頭部分全部穿入靶板時(shí)，毀傷元與靶板的接觸面積在靶板法向達(dá)到最大值，此時(shí)毀傷元的加速度達(dá)到最大值；隨著毀傷元的侵入，當(dāng)毀傷元頭部開始貫穿靶板瞬間，毀傷元與靶板接觸面積開始減少，使得毀傷元所受阻力開始減小，因而加速度值開始下降。當(dāng)平頭毀傷元侵徹靶板時(shí)，靶板與毀傷元接觸部分開始發(fā)生彈性變形，然后發(fā)生塑性變形；在接觸面作用下，使毀傷元受到靶板的阻力而減速。

HTK反導(dǎo)模式下，毀傷元靠其本身所具有的巨大動(dòng)能侵徹貫穿目標(biāo)靶板，其消耗的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為本身的內(nèi)能，剩余部分用于侵徹目標(biāo)靶板做功。在侵徹目標(biāo)靶板的過程中，由于毀傷元與靶板的相互摩擦作用，毀傷元頭部存在磨蝕，尖頭毀傷元頭部磨蝕較為嚴(yán)重，但平頭毀傷元整體磨蝕質(zhì)量大于尖頭毀傷元的整體磨蝕質(zhì)量。從圖8可以看出，尖頭毀傷元的剩余動(dòng)能大于平頭毀傷元。

圖8 不同毀傷元在不同速度下的動(dòng)能時(shí)間歷程圖

綜上分析，在HTK反導(dǎo)模式下，尖頭毀傷元穿透來襲反艦導(dǎo)彈的相同部位所消耗的動(dòng)能低于平頭毀傷元所消耗的動(dòng)能。

4 結(jié)束語

本文在研究反艦導(dǎo)彈的易損特性的基礎(chǔ)上，分析了HTK反導(dǎo)模式下不同形狀的毀傷元對反艦導(dǎo)彈的毀傷機(jī)理，并利用有限元方法動(dòng)態(tài)分析了2種形狀的毀傷元在相同速度下對反艦導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)，為艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥的設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對反艦導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和抗毀傷設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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