高速機動目標毀傷試驗替代技術(shù)可行性研究

王菲菲， 賀奇龍

（鄭州機電工程研究所， 河南 鄭州 450015）

0 引言

國外現(xiàn)役的隱身戰(zhàn)機對地面目標實施首波打擊時，將主要采用防區(qū)外發(fā)射精確制導彈藥對機動作戰(zhàn)單元實施攻擊， 各類精確制導彈藥是我軍地面防御設(shè)施面臨的主要威脅。精確制導彈藥的戰(zhàn)斗部厚度尺寸較大，且范圍較廣，為應(yīng)對此類日益增強的高速導彈、精確制導炸彈的威脅，為研究高效毀傷武器、提高武器裝備的作戰(zhàn)效能，世界各軍事強國都十分重視其靶標技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。靶標主要用于武器系統(tǒng)的論證研究、作戰(zhàn)性能評估和鑒定等，對武器裝備試驗與鑒定的可信度，在很大程度上取決于靶標模擬威脅目標的逼真程度。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，美、俄等國家高度重視靶標特別是超聲速靶彈的發(fā)展建設(shè)，以美國為代表，先后發(fā)展形成超音速靶標有AQM-37 超聲速靶彈、 叢林狼超聲速掠海靶彈和MA-31超聲速靶彈。 同時美國對無人機靶標投入逐年加大，并發(fā)展出“石雞”（Chukar）系列靶機、“火蜂-1”（Firebee-1）系列靶機、“火蜂-2”（Firebee-2）系列靶機、“火弩”（Firebolt）超音速靶機、“掠奪”（JAYHAWK） 超音速靶機等靶機系列，幾乎涵蓋了低速靶、亞音速靶和超音速靶類型，但是成本都普遍偏高。

世界其它國家也都投入大量經(jīng)費來研制、生產(chǎn)和靶標，俄羅斯也發(fā)展有RM-5V27A 火繩槍靶彈和寵臣-M 靶彈；南非研制的“賊鷗”（Skua）靶機最高速度能達到0.81Ma。

現(xiàn)階段，國外超聲速靶標發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在改裝、新研與引進多種靶彈發(fā)展方式相結(jié)合，突出實戰(zhàn)需求、廣泛的模擬能力等方面。 但目前沒有查詢到可在地面進行高速運動靶標模擬的試驗裝備。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

根據(jù)國內(nèi)導彈武器的需求，我國自力更生發(fā)展起來了自己的靶標系統(tǒng)， 如S-200W、S-300 靶標等已大量供應(yīng)部隊使用。 國內(nèi)對高速靶標的研制也在緊跟國際研發(fā)思路，成立了低、中、高速靶標的研究團隊。 但同樣都是采用專門研制或者是利用廢舊彈藥改造方式的研發(fā)思路，無法擺脫成本高、試驗場地要求高、速度難控制，彈目交匯窗口小等技術(shù)瓶頸。 因此，難以在防空彈藥戰(zhàn)斗部研制及驗收過程中進行有效威力指標驗證，現(xiàn)有的殺傷元對快速目標的毀傷能力多以靜態(tài)實驗數(shù)據(jù)作為驗收依據(jù)，缺少毀傷元對快速目標毀傷能力的有效實驗數(shù)據(jù)，因此也難以有效評估防空彈藥的威力指標。 與國外先進水平相比，還有一定差距。

從總體上看， 國內(nèi)外武器研究機構(gòu)在當前技術(shù)條件下，對高速目標的毀傷模擬實驗大多采用靶機、靶彈或靜態(tài)靶板。 試驗用靶機飛行成本高，擊落即可，對于模擬彈藥毀傷效果不做要求。 靜態(tài)靶只模擬對導彈殼體的靜態(tài)毀傷，未能考慮威脅目標空中飛行速度的影響，特別是針對聚能裝藥，由于涂抹效應(yīng)，靜態(tài)靶射擊試驗效果差別較大。 而采用高速旋轉(zhuǎn)實驗平臺來模擬高速導彈的線速度進行實驗比較恰當可以解決上述兩方案的不足， 需要研發(fā)高速旋轉(zhuǎn)實驗平臺， 高速旋轉(zhuǎn)靶可一定程度上替代前述產(chǎn)品，且國內(nèi)外尚無類似產(chǎn)品。

2 旋轉(zhuǎn)運動目標替代高速直線運動目標可行性技術(shù)研究

基于上述背景， 通過仿真研究和實彈射擊試驗數(shù)據(jù)比對來尋求直線運動靶和旋轉(zhuǎn)運動靶的等效關(guān)系。

2.1 侵徹直線運動靶和旋轉(zhuǎn)運動靶仿真分析

通過垂直侵徹橫向運動靶來分析靶板橫向運動對彈丸侵徹的影響。主要工況如下：侵徹模型中彈丸為鎢合金錐形彈，圓柱部分直徑為16mm，質(zhì)量為150g，以1150m/s的速度， 侵徹以0～300m/s 速度移動的45# 鋼平板靶，靶板厚度為25mm。 彈丸最大直徑為16mm，彈丸材料參數(shù)為：密度17.0g/cm3，彈性模量為407GPa，泊松比0.28；靶板材料參數(shù)為：密度7.83g/cm3，彈性模量為206.8GPa，泊松比0.3，侵徹直線運動靶模型如圖1 所示。

圖1 彈丸侵徹直線運動靶模型

彈丸侵徹以0～300m/s 切線速度旋轉(zhuǎn)運動的旋轉(zhuǎn)靶，旋轉(zhuǎn)靶的最大線速度等同于直線運動靶的直線速度，侵徹旋轉(zhuǎn)靶模型如圖2 所示。圖3 與圖4 對比發(fā)現(xiàn)，當旋轉(zhuǎn)靶的切線速度增大時，彈丸存速下降。 彈丸軸向速度歷程曲線變化規(guī)律與侵徹直線運動靶的特征一致。 旋轉(zhuǎn)靶在不同切線速度下的彈丸曲線在100μs 之前基本重合，而在此之后，彈丸軸向位移隨著旋轉(zhuǎn)靶切線速度的增大而減小。 彈丸軸向位移時程曲線變化規(guī)律與侵徹直線運動靶的特征一致。 彈軸與射擊水平方向的夾角是在不斷變化的， 靶板橫向速度越大，彈丸角度偏轉(zhuǎn)值越大。彈丸角度偏轉(zhuǎn)曲線變化規(guī)律與侵徹直線運動靶的特征一致。

圖2 彈丸侵徹旋轉(zhuǎn)運動靶模型

圖3 侵徹直線運動時彈丸軸向速度曲線、軸向位移曲線及彈丸角度偏轉(zhuǎn)曲線

圖4 侵徹旋轉(zhuǎn)運動彈丸軸向速度曲線、軸向位移曲線及彈丸角度偏轉(zhuǎn)曲線

2.2 侵徹貫穿孔洞大小特征分析

構(gòu)建高速射彈侵徹動目標的模型， 通過仿真獲得了彈丸侵徹25mm 厚鋼制靶板的數(shù)據(jù)， 彈丸侵徹直線運動和旋轉(zhuǎn)運動目標的毀傷效果如圖5 所示， 毀傷穿透形成的孔洞大小見表1。

表1 侵徹毀傷結(jié)果

圖5 彈丸侵徹不同運動速度靶板的毀傷效果

表1 列出了直線運動靶和旋轉(zhuǎn)靶在不同速度下的被彈丸毀傷穿透的數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果表明：①在同等速度下，彈丸對旋轉(zhuǎn)靶造成的毀傷孔洞尺寸比對直線運動靶板造成的毀傷尺寸大，但較為接近；②彈丸對直線運動靶和旋轉(zhuǎn)靶的毀傷孔洞尺寸變化規(guī)律一致， 均隨著靶板運動速度的升高，彈丸對靶板毀傷形成的孔洞越大，且孔洞形態(tài)的長寬比隨靶板速度升高而增大； ③毀傷孔洞尺寸隨著靶板速度升高后的增長趨勢變緩， 彈體將更多的動能轉(zhuǎn)化為侵徹深度；④剩余動能情況對比表明，彈丸侵徹同等速度下的直線運動靶損失能量更多， 但二者的剩余動能相對誤差均小于12%。

2.3 對比結(jié)論

通過以上的分析計算結(jié)果對比， 表明彈丸侵徹直線運動靶與等效后的旋轉(zhuǎn)運動靶相比， 其彈丸剩余速度大小、 彈丸的軸向位移變化和彈丸角度偏轉(zhuǎn)情況變化具有一致性， 彈丸侵徹貫穿直線運動靶板和旋轉(zhuǎn)靶板形成的孔洞特征一致且大小相近， 旋轉(zhuǎn)靶的切線速度和直線運動靶的速度對彈丸侵徹毀傷的影響接近。 從彈丸侵徹動目標損耗的能量角度方面看， 旋轉(zhuǎn)靶與直線運動靶具有較好的等效替代性。綜上所述，旋轉(zhuǎn)靶代替直線靶的試驗研究具有較好的等效替代性，等效研究方法合理性，可為實驗室條件下開展彈丸侵徹旋轉(zhuǎn)靶的等效試驗方法設(shè)計、理論的深入分析提供較好的參考價值。

3 實驗平臺的射擊試驗與評估

高速旋轉(zhuǎn)實驗平臺系統(tǒng)是為模擬彈藥毀傷試驗而設(shè)計的一套專用系統(tǒng)， 具備在地面上實現(xiàn)對亞音速目標運動的模擬，可為高速目標毀傷能力研究提供試驗平臺。主要由旋轉(zhuǎn)靶裝置、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、輔助設(shè)備（動平衡檢測系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)）和防護裝置組成，組成結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 高速旋轉(zhuǎn)實驗平臺產(chǎn)品組成

圖7 高速旋轉(zhuǎn)實驗平臺實體模型

3.1 靜態(tài)射擊仿真與試驗

侵徹毀傷試驗的典型方式為動能彈垂直侵徹靜止靶，如圖8 所示，30mm 次口徑脫殼穿甲彈（鎢芯）以1150m/s侵徹25mm 厚鋼制靜止靶，彈丸最大直徑為16mm，彈丸材料參數(shù)為：密度17.0g/cm3，彈性模量為407GPa， 泊松比0.28；靶板材料參數(shù)為：密度7.83g/cm3，彈性模量為206.8GPa， 泊松比0.3。

圖8 彈丸垂直侵徹靜止靶

3.1.1 侵徹靜態(tài)目標模型建立彈丸侵徹靜態(tài)目標的有限元模型， 經(jīng)過前處理所得到網(wǎng)格模型如圖9 所示，將靶板固定，給鎢合金彈丸施加1150m/s 的速度垂直侵徹25mm 厚的靶板， 分析侵徹沖擊過程的靶板毀傷情況。

圖9 侵徹靜態(tài)目標模型

3.1.2 侵徹仿真結(jié)果

彈丸侵徹靜止靶過程中， 彈丸對靶板穿透形成一個孔洞毀傷， 孔洞最大尺寸為21.6×21 （mm），穿透后彈丸存速為868m/s，靶板被侵徹過程中受到的最大應(yīng)力為1072.2MPa。 在不同時刻侵徹靶板的過程圖如圖10 所示。

圖10 30 脫殼穿甲彈對靜態(tài)圓柱靶板侵徹過程圖

3.1.3 侵徹試驗結(jié)果

通過對典型目標進行的易損性分析， 結(jié)合旋轉(zhuǎn)靶的結(jié)構(gòu)， 設(shè)計與之等效的模擬圓柱靶板， 并采用30 彈道炮發(fā)射Ⅱ型30mm脫殼穿甲彈 （彈丸初速為1150m/s）對靜態(tài)圓柱靶板（速度為0m/s、材料為45 鋼、壁厚為25mm）進行射擊試驗。

3.1.4 結(jié)果對比

靜態(tài)射擊仿真與試驗結(jié)果對比如表2 所示。

圖11 射擊靜態(tài)圓柱靶板影像

表2 靜態(tài)射擊結(jié)果對比

3.2 動態(tài)射擊仿真與試驗

3.2.1 侵徹動目標模型

侵徹模型中彈丸為鎢合金錐形彈， 圓柱部分直徑為20mm，質(zhì)量為150g，以1150m/s 的速度，分別侵徹以120、300m/s 速度移動的45# 鋼平板靶， 靶板厚度為25mm，見圖12。

圖12 彈丸90°侵徹旋轉(zhuǎn)靶板模型

3.2.2 侵徹仿真結(jié)果

彈丸侵徹鋼板時的速度變化曲線如圖13、14 所示。

圖13 彈丸速度變化曲線（300m/s）

彈丸侵徹300m/s的旋轉(zhuǎn)靶板過程中， 彈丸對移動靶板穿透形成一個孔洞毀傷，孔洞最大尺寸為42.4mm×28mm，彈丸速度減小到525m/s，靶板被侵徹過程中最大應(yīng)力為1131.7MPa。 彈丸侵徹120m/s 的旋轉(zhuǎn)靶板過程中，孔洞最大尺寸為28mm×26mm，穿透后彈丸存速為841m/s，靶板被侵徹過程中受到的最大應(yīng)力為1101.7MPa，見圖15、圖16 所示。

圖14 彈丸速度變化曲線（120m/s）

圖15 300m/s 速度侵徹旋轉(zhuǎn)目標

圖16 120m/s 速度侵徹旋轉(zhuǎn)目標

3.2.3 侵徹試驗結(jié)果

驅(qū)動旋轉(zhuǎn)靶分別以最大切線速度為120m/s、300m/s穩(wěn)定運行后，用30 彈道炮發(fā)射Ⅱ型30mm 脫殼穿甲彈對圓柱靶板進行射擊試驗， 記錄了圓柱靶板的毀傷情況如圖17、圖18 所示。

圖17 動態(tài)射擊靶板毀傷情況（120m/s）

圖18 動態(tài)射擊靶板毀傷情況（300m/s）

3.2.4 結(jié)果對比

動態(tài)射擊仿真與試驗結(jié)果對比如表3 所示。

表3 動態(tài)射擊結(jié)果對比

3.3 仿真與試驗結(jié)果對比

通過對試驗數(shù)據(jù)取平均值，靶板在0、120m/s、300m/s 旋轉(zhuǎn)速度下的毀傷孔洞大小分別為22.8×21.3×25（mm）、26.9×24.8×25（mm）、48.1×25.7×25（mm），與仿真數(shù)據(jù)相比，試驗結(jié)果接近， 表明高速旋轉(zhuǎn)實驗平臺的旋轉(zhuǎn)靶動目標的毀傷數(shù)據(jù)與作直線運動動目標的毀傷效果接近， 證明用旋轉(zhuǎn)靶的切線速度等效直線運動動目標是合理的。

4 結(jié)束語

本文提出的高速旋轉(zhuǎn)實驗平臺作為一套專用實彈射擊毀傷模擬的試驗系統(tǒng)，以旋轉(zhuǎn)角速度換取高速線速度，在地面上利用旋轉(zhuǎn)靶外圓周面的切線速度模擬亞音速目標運動，進而進行實彈射擊試驗，可模擬空中直線運動目標的毀傷效果， 開展對高速運動目標的毀傷效果模擬試驗研究任務(wù)。后續(xù)可通過積累的試驗數(shù)據(jù)，建立動目標的毀傷評估模型， 形成一套完善的動目標毀傷評估模擬系統(tǒng)。 可解決防空兵器對高速精確制導彈藥的毀傷試驗研究存在靶標費用高、 靶標重復利用率低、 靶標速度難控制、射擊難命中、毀傷形態(tài)難保存、試驗結(jié)果難復現(xiàn)、試驗場地要求高、試驗難組織效率低等多重問題。