防空導(dǎo)彈威脅下的飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷研究*

侯日立，涂明武，周 平

(空軍第一航空學(xué)院，河南信陽(yáng) 4 64000)

0 引言

不論是飛機(jī)生存力設(shè)計(jì)、損傷修復(fù)技術(shù)研究還是反飛機(jī)防空武器的效能評(píng)估，都必須以對(duì)飛機(jī)可能遭受的損傷模式分析為依據(jù)。金屬結(jié)構(gòu)是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式，防空導(dǎo)彈是作戰(zhàn)飛機(jī)面臨的主要威脅源。研究防空導(dǎo)彈威脅下飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理與模式，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，該領(lǐng)域的研究還比較零散，而且，大多只是對(duì)損傷現(xiàn)象定性的描述，缺少規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。

文中從防空導(dǎo)彈的作用機(jī)理分析入手，將復(fù)雜的威脅機(jī)理分解為三種典型的基本模式，然后，采用沖擊波物理理論計(jì)算、防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部地面靜爆實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室模擬燒傷實(shí)驗(yàn)等方法，針對(duì)每種基本模式，逐一研究了在它們作用下的飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理與模式，最后，從宏觀角度，對(duì)防空導(dǎo)彈威脅下飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行了綜合分析。

1 防空導(dǎo)彈對(duì)飛機(jī)的威脅機(jī)理

防空導(dǎo)彈對(duì)飛機(jī)的威脅機(jī)理是由其戰(zhàn)斗部特點(diǎn)決定的。通常，反飛機(jī)防空導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部主要是殺傷型戰(zhàn)斗部，其殺傷元素主要包括高能炸藥和破片。從對(duì)飛機(jī)的殺傷方式看，可分為直接殺傷和間接殺傷兩種模式。其中，直接殺傷有如下三種情形:1)戰(zhàn)斗部在離飛機(jī)較遠(yuǎn)的距離爆炸(實(shí)戰(zhàn)中常常是這種模式)，主要依靠戰(zhàn)斗部爆炸后產(chǎn)生的高速破片直接打擊飛機(jī);2)戰(zhàn)斗部在離飛機(jī)較近距離爆炸，此時(shí)，除了有密集的破片流撞擊飛機(jī)外，對(duì)飛機(jī)起致命殺傷作用的是強(qiáng)大的爆轟波;3)直接命中飛機(jī)，此時(shí)，除了破片、沖擊波的作用外，還有導(dǎo)彈強(qiáng)大的動(dòng)能撞擊。間接殺傷主要有兩種情況:1)高速導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部破片引燃飛機(jī)燃油系統(tǒng)，高溫火焰造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)的熱損傷(俗稱燒傷);2)高速導(dǎo)彈破片引爆機(jī)載彈藥，產(chǎn)生的二次爆轟波、高速破片對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成二次損傷?？梢?jiàn)，導(dǎo)彈對(duì)飛機(jī)的威脅機(jī)理非常復(fù)雜。

為了抓住飛機(jī)戰(zhàn)傷分析問(wèn)題的本質(zhì)特征，美軍在飛機(jī)戰(zhàn)斗生存力設(shè)計(jì)中[1]把飛機(jī)面臨的威脅源歸結(jié)為五種基本模式，即爆炸性沖擊、非爆炸性沖擊、沖擊波、熱輻射和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片撞擊。其中，高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片斷裂后對(duì)飛機(jī)的撞擊，其本質(zhì)也是一種非爆炸的動(dòng)能撞擊。而對(duì)于導(dǎo)彈直接命中飛機(jī)的爆炸性撞擊，一方面，其作用機(jī)理可以看成是沖擊波與高速破片的組合，另一方面，不論導(dǎo)彈命中飛機(jī)的哪一個(gè)部位，一般都能導(dǎo)致飛機(jī)的徹底擊毀，不必研究具體的局部損傷。為此，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，文中將防空導(dǎo)彈對(duì)飛機(jī)的威脅主要?dú)w納為非爆炸性沖擊、熱輻射和沖擊波等三種基本模式。

對(duì)于上述三種基本模式，沖擊波對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理比較明確，主要是近距離的撕裂破壞和遠(yuǎn)距離的局部變形。因此，文中主要針對(duì)另外兩種基本模式的威脅機(jī)理進(jìn)行研究。

2 高速破片動(dòng)能撞擊下的損傷分析

戰(zhàn)斗部破片撞擊下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷與破片的速度、材料、形狀、尺寸，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的材料、尺寸，以及破片與飛機(jī)交會(huì)角度等多種因素有關(guān)。其中，撞擊速度是最重要的影響因素。當(dāng)沖擊速度較低時(shí)，其損傷機(jī)理可用撞擊相圖描述[1]，如圖1所示。

圖1 撞擊相圖

從圖中可以看出，對(duì)于不同厚度的結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)沖擊速度高于某一臨界值時(shí)才會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，而且，隨著速度的增加，先后會(huì)出現(xiàn)花瓣破孔、裂紋破壞、層裂、崩落等損傷模式。這是現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)低速撞擊下飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷的研究結(jié)果，高速或超高速下的損傷研究則比較缺乏。

根據(jù)GF-A00555292G報(bào)告[2]的研究結(jié)論:作戰(zhàn)過(guò)程中飛機(jī)與導(dǎo)彈彈目交會(huì)時(shí)，飛機(jī)飛行速度一般在300～800m/s、反飛機(jī)防空導(dǎo)彈的飛行速度一般在1000～2000m/s。導(dǎo)彈爆炸后破片相對(duì)彈體的速度一般在2000m/s左右，因此，導(dǎo)彈破片與飛機(jī)結(jié)構(gòu)交會(huì)時(shí)將可能產(chǎn)生最大近5000m/s的相對(duì)碰撞速度。在這樣的高速撞擊條件下，將產(chǎn)生極高的壓力和溫度，從而帶來(lái)?yè)p傷模式的特殊變化。

2.1 沖擊壓力計(jì)算

根據(jù)高速撞擊過(guò)程中，沖擊波波陣面前后動(dòng)量守恒、質(zhì)量守恒、能量守恒的原理，沖擊前后材料中的壓力、沖擊波速度、粒子速度之間存在如下關(guān)系[3]:

式中:P、D、u分別為材料中的沖擊壓力、沖擊波速度、粒子速度，ρ為材料的密度，C0、λ為反映沖擊波速度與粒子速度關(guān)系的常數(shù)。下標(biāo)t表示被撞擊的對(duì)象，這里指飛機(jī)結(jié)構(gòu)。下標(biāo)f表示破片等撞擊物，下標(biāo)0表示材料的初始狀態(tài)。聯(lián)立求解上述4個(gè)方程，可計(jì)算出相應(yīng)的沖擊壓力。

2.2 沖擊溫度計(jì)算

高速撞擊可近似為一個(gè)絕熱過(guò)程，沖擊波產(chǎn)生的溫度用如下公式計(jì)算[4]:

式中:V為沖擊壓縮狀態(tài)下的比容;γ0為材料在初始狀態(tài)的Gruneisen常數(shù);T0為材料的初始溫度，其它參數(shù)的意義同上。

2.3 損傷機(jī)理分析

利用上述公式，對(duì)戰(zhàn)斗部破片撞擊下飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生的沖擊壓力和溫度進(jìn)行了計(jì)算。如戰(zhàn)斗部破片材料為結(jié)構(gòu)鋼，破片相對(duì)速度為3000m/s，計(jì)算得到破片沖擊下鋁合金、鈦合金、高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)中的壓力和溫度如表1所示，計(jì)算中用到的材料參數(shù)如表2所示。

表1 高速破片撞擊下飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)的沖擊壓力和溫度

表2 高速撞擊計(jì)算中用到的材料常數(shù)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在高速破片撞擊下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在損傷處將產(chǎn)生極高的壓力和溫度。

由于沖擊壓力很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的強(qiáng)度，此時(shí)被撞擊處的材料可作為流體看待。這里又分兩種情形:如果速度不是特別高、破片本身不碎裂，破片對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的撞擊過(guò)程如同石子撞擊稀泥一樣，形成的破孔或彈坑呈典型的“泥坑”狀，如圖2所示，該圖為離散桿戰(zhàn)斗部地面靜爆打擊25mm厚度鋁合金靶板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;如果速度更高一些，撞擊過(guò)程中將伴隨破片和靶板的碎裂，從而對(duì)下層結(jié)構(gòu)造成密集的蜂窩狀損傷。如圖3所示，為預(yù)制破片戰(zhàn)斗部地面靜爆打擊退役飛機(jī)后飛機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)蒙皮的損傷情況。另外，極高的沖擊壓力對(duì)機(jī)載彈藥具有強(qiáng)烈的引爆作用。

由于沖擊溫度很高，可能會(huì)導(dǎo)致材料的熔化。但這種熔化一般是在破片穿過(guò)結(jié)構(gòu)后的等熵卸載過(guò)程中產(chǎn)生的，因?yàn)樵诮^熱碰撞加載階段，材料中的壓力很高，熔點(diǎn)急劇增加，材料并不容易發(fā)生熔化。但在破片穿過(guò)后的卸載過(guò)程中，材料的熔點(diǎn)隨壓力下降很快，但溫度下降相對(duì)緩慢，從而出現(xiàn)所謂的卸載熔化現(xiàn)象。所以，從高速破片撞擊下的靶板損傷形貌上看，一般都有典型的熔化特征。另外，在高速撞擊下，破片以及被撞擊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的細(xì)小碎片在高溫下還會(huì)發(fā)生劇烈的氧化，致使撞擊溫度進(jìn)一步提高，在導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部地面靜爆實(shí)驗(yàn)中用高速攝影觀察到的導(dǎo)彈破片撞擊到飛機(jī)表面上的閃光現(xiàn)象就是這個(gè)原因，如圖4所示。上述這些高溫條件對(duì)飛機(jī)油箱具有極強(qiáng)的引燃作用。

圖4 高速破片撞擊飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面時(shí)產(chǎn)生的火花

3 熱輻射作用下的損傷分析

眾所周知，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)常用的鋁合金，當(dāng)其遭遇熱輻射損傷(俗稱燒傷)后，其強(qiáng)度隨燒傷溫度的增加是單調(diào)下降的，而其硬度表現(xiàn)為下降→上升→下降的變化規(guī)律[5]。對(duì)新型的鈦合金等材料則缺乏相應(yīng)的研究結(jié)論。

圖5 燒傷溫度對(duì)硬度的影響圖

為了研究熱輻射對(duì)飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理，以ОТ4、ВТ20 兩種鈦合金為對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)電爐、硬度計(jì)、強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)方法是:將實(shí)驗(yàn)件加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)件，放入實(shí)驗(yàn)電爐，在不同溫度和不同保溫時(shí)間下進(jìn)行模擬燒傷實(shí)驗(yàn)，冷卻后進(jìn)行硬度、強(qiáng)度測(cè)試。本研究實(shí)驗(yàn)樣品取自某飛機(jī)殘骸。其中，ОТ4鈦合金取自后機(jī)身的發(fā)動(dòng)機(jī)艙蒙皮，ВТ20鈦合金取自發(fā)動(dòng)機(jī)推力梁。試件形式為標(biāo)準(zhǔn)短拉伸試樣。加工方法采用線切割粗加工(留0.2mm 加工余量)，而后打磨精加工。試驗(yàn)方法如下:在不同燒傷溫度(700℃ ～1200℃)下加熱40min，冷卻后分別測(cè)試抗拉強(qiáng)度和硬度。鈦合金燒傷后硬度及抗拉強(qiáng)度隨燒傷溫度的變化規(guī)律如圖5、圖6所示。

圖6 燒傷溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飛機(jī)鈦合金燒傷后，其強(qiáng)度隨燒傷溫度的增加單調(diào)下降，其硬度卻隨燒傷溫度的增加單調(diào)上升，這與常見(jiàn)的鋁合金材料有很大的不同。其主要原因是:ОТ4屬于主要為α固溶體并含少量β相的近α型鈦合金，ВТ20為以α固溶體為主的α+β型鈦合金。它們?cè)诖髿庵惺址€(wěn)定，其表面生成致密的氧化物。但在高溫下，氧化膜失去保護(hù)作用，與氣態(tài)的氫、氧、氮有很強(qiáng)的親和力，形成硬度極大的間隙固容體，從而提高其硬度，降低其塑性和韌性。另外，燒傷過(guò)程中材料晶粒長(zhǎng)大和β脆化顯著，因此，材料總體表現(xiàn)為強(qiáng)度下降、硬度上升、塑性、韌性下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

防空導(dǎo)彈攻擊下，飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷主要表現(xiàn)為高速破片動(dòng)能撞擊下的破孔、爆炸沖擊波作用的撕裂或局部變形、熱輻射作用下的材料性能改變等三種基本類(lèi)型。其中，前兩者屬物理?yè)p傷，其具體損傷形貌與導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸沖擊波的強(qiáng)度、破片的形狀、尺寸、速度、撞擊角度以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度、厚度、結(jié)構(gòu)形式等有關(guān);熱輻射作用下飛機(jī)金屬材料結(jié)構(gòu)的損傷則屬化學(xué)性為主的損傷，損傷過(guò)程伴隨著材料成分、組織、性能的劇烈變化，其主要特征是:材料強(qiáng)度隨燒傷溫度的上升單調(diào)下降，這一點(diǎn)直接決定對(duì)損傷程度的評(píng)價(jià)，材料的硬度隨燒傷溫度的變化規(guī)律則因材料種類(lèi)而異，這一點(diǎn)直接關(guān)乎對(duì)損傷的檢測(cè)。實(shí)戰(zhàn)中，飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的損傷通常是上述三種基本損傷類(lèi)型的一種或幾種的組合，表現(xiàn)為復(fù)合型損傷模式。

[1]John G Avery.Desing manual for impact damage tolerant aircraft structure，AD －A10929[R].1981.

[2]錢(qián)立新.防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部威力評(píng)定與目標(biāo)毀傷研究[R].綿陽(yáng):中國(guó)工程物理研究院總院總體工程研究所，1998.

[3]譚華.實(shí)驗(yàn)沖擊波物理導(dǎo)引[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[4]湯文輝，張若棋.物態(tài)方程理論及計(jì)算概論[M].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，1999.

[5]張建華.飛機(jī)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)傷搶修[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.