柔性飛網(wǎng)攔截剛性彈體的性能分析

劉一鳴，熊自明，盧 浩，胡家鋒，戎曉力

(1.陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210007； 2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)南海的海洋權(quán)益不斷受到周邊國(guó)家的侵犯，資源被大量掠奪。尤其是近些年來(lái)，周邊國(guó)家在南海地區(qū)頻頻挑起事端，嚴(yán)重影響我國(guó)周邊環(huán)境的穩(wěn)定。基于國(guó)家安全形勢(shì)，為了切實(shí)維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，保障國(guó)家和人民安全，必須在南海開(kāi)展島礁建設(shè)。因而研究如何做好對(duì)島礁工程的有效防護(hù)具有重要意義。在對(duì)島礁的多層次立體防護(hù)體系中，分為幾十公里以外的國(guó)家防御，200 m以外的航空防御以及200 m之內(nèi)的超近層防御。其中，柔性飛網(wǎng)將在超近程防御的彈體攔截中扮演重要角色，具有末端“補(bǔ)漏”和“守門(mén)員”的作用，為提高價(jià)值目標(biāo)的戰(zhàn)時(shí)生存和防護(hù)提供重要保障。

國(guó)外關(guān)于空間飛網(wǎng)的研究主要集中在空間飛網(wǎng)捕捉以及繩索動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面[1-5]。國(guó)內(nèi)針對(duì)空間飛網(wǎng)的研究主要是根據(jù)太空環(huán)境下的受力特性建立仿真模型以及根據(jù)地面環(huán)境下的受力特性建立地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型，并通過(guò)地面發(fā)射試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證模型的可信度。其中，空間飛網(wǎng)主要的發(fā)射方式為太空拋射[6-16]。

李巖[17]提出了一種基于圖像的多功能導(dǎo)彈近程防御預(yù)警系統(tǒng)；黎春林[18]對(duì)超近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)使用特點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，提出了總體設(shè)想；鐘曉聲[19]提出了一種基于遺傳算法的防空導(dǎo)彈火力分配優(yōu)化方法。以上近程防御及導(dǎo)彈攔截研究中均未提到利用柔性飛網(wǎng)攔截。

本文所介紹的仿真分析模型和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是在近地面環(huán)境下，利用柔性飛網(wǎng)實(shí)現(xiàn)飛網(wǎng)飛行、飛網(wǎng)碰撞以及誘爆來(lái)襲導(dǎo)彈的過(guò)程。其外部條件與上述研究不同，考慮了飛網(wǎng)在近地面所受的外力并且有一定的飛行速度要求，不是在外太空保持相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行捕捉，而是利用飛網(wǎng)飛行速度所產(chǎn)生的沖量來(lái)誘爆來(lái)襲導(dǎo)彈，考慮到飛網(wǎng)速度的關(guān)鍵作用且對(duì)飛網(wǎng)的材質(zhì)有一定的要求。因此，最終選用柔性金屬飛網(wǎng)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行攔截分析與攔截實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。金屬網(wǎng)由于其輕質(zhì)和高抗沖擊特性，可以造成彈體過(guò)載、引信提前作用，對(duì)彈體進(jìn)行成功誘爆。

1 飛網(wǎng)攔截過(guò)程仿真

來(lái)襲導(dǎo)彈撞擊飛網(wǎng)是一種高速、高溫、高壓狀態(tài)下的撞擊問(wèn)題，柔性飛網(wǎng)會(huì)發(fā)生非線性大應(yīng)變，甚至被擊穿，這與“侵徹”問(wèn)題非常相似[20]。故可視為“侵徹”問(wèn)題分析，從而確定來(lái)襲炸彈對(duì)柔性飛網(wǎng)的撞擊荷載，只要荷載達(dá)到來(lái)襲導(dǎo)彈的引信觸發(fā)條件，柔性飛網(wǎng)就可成功誘爆來(lái)襲導(dǎo)彈。本文利用LS-DYNA對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈撞擊柔性飛網(wǎng)的過(guò)程進(jìn)行仿真分析，從而清楚地描述這一過(guò)程。

對(duì)于機(jī)械觸發(fā)引信大部分觸發(fā)條件在100～200 g，甚至有些要求能夠水面爆炸的引信觸發(fā)條件只有40～80 g。對(duì)于低阻導(dǎo)彈(侵徹鉆地彈)觸發(fā)條件較高，最高達(dá)到250～500 g。絕大部分航空導(dǎo)彈的質(zhì)量小于1 000 kg，最大的航空導(dǎo)彈質(zhì)量也在1 000 kg左右。速度在1～1.4馬赫，即340～480 m/s。短延時(shí)引信的延時(shí)時(shí)間有0.000 s，0.010 s，0.025 s，0.060 s，最大0.060 s。長(zhǎng)延時(shí)引信時(shí)間從0.1 s到36 h。

而柔性飛網(wǎng)攔截是基于誘爆原理，主要針對(duì)近炸、碰炸引信和短延時(shí)條件下各類(lèi)來(lái)襲彈藥實(shí)現(xiàn)誘爆。對(duì)于毫米波、激光及無(wú)線電和電容近炸引信，柔性金屬網(wǎng)可以模擬目標(biāo)特性，具有較好的誘爆效果；對(duì)于機(jī)械觸發(fā)碰撞、短延期的機(jī)械引信，同樣具有較好的誘爆效果。但是對(duì)于大質(zhì)量、長(zhǎng)延期的侵徹彈藥、深鉆地彈藥以及密集撒布子彈藥，攔截效果較差。

考慮最不利結(jié)果為垂直撞擊柔性飛網(wǎng)，在預(yù)計(jì)可能攔截的彈藥中選取典型最難以誘爆的MK84低阻爆破炸彈為分析對(duì)象。MK84低阻爆破炸彈的重量約為908 kg，彈徑457 mm，全彈長(zhǎng)3 848 mm，示意圖如圖1。柔性飛網(wǎng)擬采用鋼絲繩網(wǎng)，尺寸約為2 m×2 m，網(wǎng)孔邊長(zhǎng)約為20 mm×20 mm，如圖2所示。

1.1 有限元模型

對(duì)柔性飛網(wǎng)攔截來(lái)襲導(dǎo)彈這一過(guò)程仿真，要建立合適的有限元模型。首先建立三維空間坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系內(nèi)完成對(duì)各個(gè)向量參數(shù)的設(shè)定。在此基礎(chǔ)之上建立實(shí)體模型。來(lái)襲導(dǎo)彈的實(shí)體模型建立較為容易，而柔性飛網(wǎng)的實(shí)體模型則相對(duì)復(fù)雜，但整個(gè)攔截飛網(wǎng)實(shí)際是由很多規(guī)則的小網(wǎng)格單元構(gòu)成的，單元之間的間隔很小，可以忽略。因此，我們可以將整個(gè)柔性飛網(wǎng)近似地看成是由鋼絲組成的一張“鋼絲網(wǎng)”。這樣就能建立攔截飛網(wǎng)實(shí)體模型。在建立來(lái)襲導(dǎo)彈和柔性飛網(wǎng)實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，建立飛網(wǎng)攔截過(guò)程的有限元模型。三維空間坐標(biāo)系如圖3。

根據(jù)柔性飛網(wǎng)和來(lái)襲導(dǎo)彈彈頭材料屬性的不同，定義兩種材料模型。其中，來(lái)襲導(dǎo)彈彈頭簡(jiǎn)化處理為*MAT_RIGID剛體材料模型。柔性飛網(wǎng)是鋼絲繩網(wǎng)，采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，彈性模量為1.969×105MPa，屈服強(qiáng)度為1 770 MPa，采用 Cowper-Symonds模型考慮材料的塑性應(yīng)變效應(yīng)。在表1中，ρ代表密度；E代表?xiàng)钍夏Ａ浚沪檀聿此杀?；B代表硬化系數(shù)；C代表應(yīng)變率系數(shù)；σ代表屈服強(qiáng)度。

材料模型Ⅰ：來(lái)襲導(dǎo)彈彈頭采用*MAT_RIGID剛體材料模型，并且限制除了Y方向平動(dòng)外的所有自由度，因此只允許Y方向運(yùn)動(dòng)，模型參數(shù)如表1所示。

表1 MK84導(dǎo)彈彈頭材料模型參數(shù)

材料模型Ⅱ：柔性飛網(wǎng)采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，模型參數(shù)如表2所示。

表2 柔性飛網(wǎng)材料模型參數(shù)

直接在LS-DYNA中建立導(dǎo)彈彈頭和柔性金屬攔截網(wǎng)的實(shí)體模型。彈頭實(shí)體模型如圖4所示。其中彈頭全長(zhǎng)480 mm，彈體直徑為96 mm。

柔性飛網(wǎng)的實(shí)體模型，如圖5所示。圖5中，柔性飛網(wǎng)的尺寸為2 m×2 m。

為了能夠清楚地觀察整個(gè)撞擊過(guò)程，應(yīng)在導(dǎo)彈彈頭撞擊到攔截網(wǎng)之前就開(kāi)始仿真。彈頭離攔截飛網(wǎng)開(kāi)始仿真模擬的初始距離，將直接影響到觀察的結(jié)果?？紤]到彈頭尺寸較小，而柔性攔截網(wǎng)的尺寸非常大，因此在導(dǎo)彈彈頭離攔截飛網(wǎng)還有一定距離時(shí)就仿真。這時(shí)，彈頭與柔性飛網(wǎng)的相對(duì)位置如圖6所示。

1.2 定義仿真條件

仿真條件可以按照如下步驟依次完成(見(jiàn)圖7)。

1.3 后處理

采用后處理器LS-PREPOST對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理分析。可通過(guò)圖像觀察到撞擊過(guò)程中導(dǎo)彈彈頭的速度及加速度變化情況，如圖8所示。

圖8是來(lái)襲導(dǎo)彈撞擊柔性飛網(wǎng)的示意圖。導(dǎo)彈彈頭以初速度撞擊柔性飛網(wǎng)并貫穿，柔性飛網(wǎng)對(duì)彈頭產(chǎn)生過(guò)載。

撞擊過(guò)程中彈頭所受過(guò)載情況變化如圖9所示。

從圖9可以看出，在0.25 ms左右，彈頭與柔性飛網(wǎng)接觸碰撞，并在0.25 ms和0.33 ms分別達(dá)到706 g和1 200 g兩個(gè)極大值。整個(gè)撞擊過(guò)程中彈頭所受荷載發(fā)生兩個(gè)明顯的突變。但因彈頭所受荷載只要達(dá)到引信的觸發(fā)條件就被誘爆，這是一個(gè)臨界條件，所以在分析彈頭所受的過(guò)載時(shí)取整個(gè)仿真過(guò)程中的最大值而不需考慮其荷載如何變化。因此，可以得到在此參數(shù)條件下彈頭所受的荷載為1 200 g。

2 撞擊過(guò)程過(guò)載分析

2.1 鋼絲繩直徑、彈體速度和和彈體攻角對(duì)彈體加速度的影響

通過(guò)改變模型當(dāng)中不同的參數(shù)設(shè)置，可以得到不同的參數(shù)對(duì)彈體所受的過(guò)載的影響。設(shè)置彈體攻角為90°、彈體質(zhì)量為8 kg、網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為20 mm，保持鋼絲繩直徑不變，分別設(shè)置彈體的初始速度為250 m/s、350 m/s、450 m/s可以得到彈體速度對(duì)彈體所受過(guò)載的影響曲線。保持彈體速度等參數(shù)不變，分別設(shè)置鋼絲繩的直徑為2 mm、3 mm、4 mm，可以得到鋼絲繩直徑對(duì)彈體所受過(guò)載的影響曲線。彈體速度和鋼絲繩直徑對(duì)彈體過(guò)載的影響曲線如如圖10所示。

從圖10可以看出：

① 在相同的鋼絲繩網(wǎng)尺寸情況下，隨著彈體沖擊速度的增大，彈體的過(guò)載越大。

② 在彈體沖擊速度相同的情況下，隨著鋼絲繩直徑的增大，彈體過(guò)載增大，且增幅較明顯。當(dāng)鋼絲繩直徑為2 mm，彈體速度為250 m/s時(shí)，彈體過(guò)載最小約為45.3 g。

設(shè)置彈體的初始速度為450 m/s、鋼絲繩的直徑為4 mm時(shí)，改變不同的彈體攻角分別為45°、60°、75°、90°時(shí)，可以得到彈體過(guò)載與彈體攻角之間的關(guān)系曲線如圖11所示。

從圖11可以看出在沖擊速度為450 m/s，鋼絲繩直徑為4 mm的情況下，彈體的過(guò)載隨攻角的增大逐漸增大，且增幅呈近似線性關(guān)系，當(dāng)攻角為45°時(shí)，彈體過(guò)載最小，約為82.9 g。

從以上分析可得出，當(dāng)鋼絲繩直徑為4 mm，彈體沖擊速度為450 m/s，彈體攻角為90°的情況下，彈體過(guò)載最大，此時(shí)彈體的過(guò)載約為325.5 g。

影響彈體過(guò)載特性的因素較多，諸如彈頭形狀、彈體曲線參數(shù)、彈體實(shí)際質(zhì)量和彈體尾翼的布置方式等。數(shù)值計(jì)算分析彈體過(guò)載，需要開(kāi)展模型試驗(yàn)研究，確定數(shù)值計(jì)算的合理參數(shù)范圍，并逐漸修正數(shù)值模型。

2.2 彈體質(zhì)量對(duì)彈體加速度的影響

設(shè)置彈體攻角為90°、網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為20 mm、鋼絲繩直徑為4 mm，分別設(shè)置彈體的初始速度為250 m/s、350 m/s、450 m/s可得到不同彈體速度條件下彈體質(zhì)量對(duì)彈體所受過(guò)載的影響曲線如圖12所示。

從圖12可以看出：① 在相同的彈體質(zhì)量情況下，隨著彈體沖擊速度的增大，彈體的過(guò)載越大；② 在彈體沖擊速度相同的情況下，隨著彈體質(zhì)量的增大，彈體過(guò)載逐漸減小。當(dāng)鋼絲繩直徑為4 mm、彈體速度為250 m/s、彈體質(zhì)量為14 kg時(shí)，彈體過(guò)載最小約為78.5 g；

2.3 飛網(wǎng)網(wǎng)孔對(duì)彈體加速度和速度的影響

設(shè)置彈體的初始速度為450 m/s，彈體攻角為90°，鋼絲繩直徑為4 mm，設(shè)置柔性飛網(wǎng)的網(wǎng)孔邊長(zhǎng)非別為16 mm和20 mm，可以得到彈體過(guò)載和彈體速度的變化曲線如圖13～圖16所示。

圖13、圖14、圖15和圖16中分別給出了鋼絲繩直徑為4 mm，網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為16 mm和20 mm，攻角90°時(shí)，彈體的加速度和速度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出：

① 在網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為16 mm時(shí)，彈體速度從450 m/s減小到449.676 m/s，之后保持不變，經(jīng)歷時(shí)間約為2.672 m/s；彈體在剛接觸金屬網(wǎng)之后0.015 8 ms后加速度達(dá)到最大，而后迅速衰減；

② 在網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為20 mm時(shí)，彈體速度從450 m/s減小到449.690 m/s，之后保持不變，經(jīng)歷時(shí)間約為3.882 ms；彈體在剛接觸金屬網(wǎng)之后0.016 1 ms后加速度達(dá)到最大，而后迅速衰減。

綜上所述，當(dāng)飛網(wǎng)網(wǎng)繩的直徑大于4 mm，飛網(wǎng)網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為20 mm，來(lái)襲彈體大于1.4馬赫時(shí)，能夠產(chǎn)生200 g以上的過(guò)載，從而滿足了MK84引信靈敏度要求，達(dá)到誘爆彈體的目的。本次分析計(jì)算沒(méi)有考慮彈體尾翼對(duì)網(wǎng)產(chǎn)生的二次碰撞形成的二次過(guò)載，預(yù)計(jì)產(chǎn)生的過(guò)載還應(yīng)該大于計(jì)算結(jié)果。

3 飛網(wǎng)攔截仿真試驗(yàn)校驗(yàn)

為了驗(yàn)證柔性飛網(wǎng)裝置攔截彈體的可靠性，結(jié)合剛性彈正侵徹鋼筋混凝土靶所建立的阻力模型[21]以及彈目交匯[22]的相關(guān)內(nèi)容，開(kāi)展了與之對(duì)應(yīng)的柔性鋼絲網(wǎng)誘爆原理試驗(yàn)研究。因采用MK84低阻爆破炸彈進(jìn)行原型試驗(yàn)較難實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)攔截彈種采用40 mm火箭破甲彈，網(wǎng)絲直徑約1.2 mm，網(wǎng)孔直徑約10 mm，鋼絲強(qiáng)度大于1 500 MPa，受保護(hù)的靶板為鋼筋混凝土材質(zhì)，攔截試驗(yàn)示意圖如圖17所示，柔性鋼絲網(wǎng)實(shí)物如圖18所示。

將鋼絲網(wǎng)固定在金屬靶框架上，40 m遠(yuǎn)距離射擊，鋼絲網(wǎng)試驗(yàn)前后如圖19所示。碰撞后，柔性鋼絲網(wǎng)破壞，40 mm破甲彈完全被誘爆。誘爆成功后，靶板僅受到損毀戰(zhàn)斗部彈體的撞擊，發(fā)生一些脫落現(xiàn)象。未進(jìn)行攔截時(shí)，彈體直接穿透靶板，損毀程度明顯，靶板損毀程度如圖20所示，表明采用柔性金屬網(wǎng)攔截誘爆彈體的方案可行。圖21所示為實(shí)驗(yàn)時(shí)高速攝像機(jī)拍攝的目標(biāo)彈著靶全過(guò)程。

4 結(jié)論

1) 彈頭撞擊柔性飛網(wǎng)以后，彈頭所受的荷載隨彈頭初速度、彈體質(zhì)量以及彈體攻角的變化而變化。

2) 在其他條件相同的情況下，彈體過(guò)載隨彈體沖擊速度的增大而增大；彈體過(guò)載隨鋼絲繩直徑的增大而增大，且增幅較明顯。

當(dāng)鋼絲繩直徑為2 mm，彈體速度為250 m/s時(shí)，彈體過(guò)載最小約為45.3 g。彈體過(guò)載隨攻角的增大逐漸增大，且增幅呈近似線性關(guān)系，當(dāng)攻角為45°時(shí)，彈體過(guò)載最小，約為82.9 g。綜合彈體沖擊速度、鋼絲繩直徑以及攻角三個(gè)因素發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼絲繩直徑為4 mm，彈體沖擊速度為450 m/s，彈體攻角為90°的情況下，彈體過(guò)載最大，此時(shí)彈體的過(guò)載約為325.5 g。此外，在其他條件相同的情況下，隨著彈體質(zhì)量的增大，彈體過(guò)載逐漸減小。當(dāng)鋼絲繩直徑為4 mm、彈體速度為250 m/s、彈體質(zhì)量為14 kg時(shí)，彈體過(guò)載最小約為78.5 g。

3) 在網(wǎng)繩直徑大于4 mm，飛網(wǎng)網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為20 mm，來(lái)襲彈體大于1.4馬赫時(shí)，能夠產(chǎn)生200 g以上的過(guò)載，滿足MK84引信靈敏度要求，可以產(chǎn)生誘爆效果。本次分析計(jì)算沒(méi)有考慮彈體尾翼對(duì)網(wǎng)產(chǎn)生的二次碰撞形成的二次過(guò)載。因此，預(yù)計(jì)產(chǎn)生的過(guò)載還應(yīng)該大于計(jì)算結(jié)果。

對(duì)柔性飛網(wǎng)攔截系統(tǒng)建立的只是簡(jiǎn)化模型，地面驗(yàn)證試驗(yàn)中，把柔性飛網(wǎng)也簡(jiǎn)單地設(shè)置成了一個(gè)固定的平面。而在實(shí)際過(guò)程中柔性飛網(wǎng)是慢慢展開(kāi)的，在展開(kāi)過(guò)程中其有效攔截面積是不斷變化的，并且柔性飛網(wǎng)的速度也是不斷變化的。今后可以通過(guò)對(duì)發(fā)射過(guò)程中的柔性飛網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，研究其張口面積及速度的變化過(guò)程。