不確定侵徹條件下引信引爆策略對炸點(diǎn)深度影響分析

伍乾坤，韓 旭，陳裕澤，白影春

（1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410082；2.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽621900）

在作戰(zhàn)中，攻擊導(dǎo)彈發(fā)射井和地下指揮所等堅固防御工事的鉆地武器（Earth Penetration Weapon，EPW）和攻擊機(jī)場跑道的反跑道彈具有重要的戰(zhàn)略意義，各國投入了大量的人力和物力研究鉆地彈和反跑道彈，使其得到了飛速發(fā)展.侵徹彈的作用效應(yīng)是彈體侵徹目標(biāo)時保持結(jié)構(gòu)不受損壞，戰(zhàn)斗部在預(yù)定深度爆炸，摧毀目標(biāo).實(shí)戰(zhàn)表明，相同裝藥量的鉆地彈和反跑道彈在地下不同深度爆炸時所產(chǎn)生的破壞效應(yīng)與破壞形式有很大區(qū)別.因此，提高引信最佳炸點(diǎn)位置控制精度，可以大大提高侵徹彈的威力和作戰(zhàn)的有效攻擊力.文獻(xiàn)[1]指出最佳炸點(diǎn)位置控制一直是近代引信引爆控制技術(shù)的一個研究熱點(diǎn).國外發(fā)展了大量高技術(shù)智能引信，如摩托羅拉公司研制的硬目標(biāo)靈巧引信 DSU－33B/B、美國的FMU－152/B通用可編程引信和 FMU－155/B 引信等[2].在國內(nèi)，劉寧和秦麗等人[2]研究了適于不同介質(zhì)的侵徹炸點(diǎn)深度控制技術(shù)，文獻(xiàn)[3]研究了鉆地彈引信定深爆炸控制算法，文獻(xiàn)[4]研究了打擊深層硬目標(biāo)的引信計行程起爆控制技術(shù)，文獻(xiàn)[5]研究了硬目標(biāo)侵徹引信引爆決策方法，屈新芬等人[6]研究了影響引信加速度計的幾個關(guān)鍵因素并探討了靈巧引信初步方案，黨瑞榮等人[7]研究了高速戰(zhàn)斗部侵徹混凝土過程中的炸點(diǎn)控制.

然而，各種防御工事和機(jī)場跑道的結(jié)構(gòu)存在諸多不確定性因素，是典型的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)靶體，且混凝土層、骨料層和土層材料的不確定性極大，同時彈體侵徹時攻角、傾角和速度也存在不確定性，這些不確定性因素對鉆地彈設(shè)計的可靠性和引信控制的精度提出了極大挑戰(zhàn).美國SANDIA國家試驗(yàn)室[8，9]嘗試改變傳統(tǒng)設(shè)計方法，針對不確定侵徹條件開展了侵徹彈的可靠性設(shè)計.各種引信引爆策略在不確定侵徹條件下控制精度能否到達(dá)設(shè)計要求，對引信設(shè)計具有重要的意義.本文通過設(shè)計數(shù)值模擬試驗(yàn)，基于數(shù)值模擬技術(shù)，分析了在不確定侵徹條件下5種引信引爆策略的炸點(diǎn)深度控制精度，給出了其主要影響因素，為引信設(shè)計提供參考.

1 引信引爆策略

工程中為達(dá)到理想的炸點(diǎn)深度，常采用一種簡單易實(shí)現(xiàn)的接觸延期方式[5]，在侵徹戰(zhàn)斗部撞擊目標(biāo)的同時進(jìn)行延期計時，延期時間與預(yù)先設(shè)定的時間相符后（定時引爆），引爆戰(zhàn)斗部.

還有，利用軸向加速度傳感器感知彈體過載，根據(jù)速度越大，彈體過載越大，要求延時時間越短[7]，假定其軸向沖量：

為恒定值，即當(dāng)軸向沖量達(dá)到設(shè)定值后（定沖量），引爆戰(zhàn)斗部.式中，aa（t）為軸向加速度，如圖1彈體侵徹示意圖中所示.圖1中vs為侵徹速度，β為傾角，γ為攻角，h為炸點(diǎn)深度.

圖1 彈體侵徹示意圖

另外，F(xiàn)ORRESTAL等人[10]推導(dǎo)的空腔膨脹理論經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，vr和vbl分別為剩余速度和穿透極限速度，有：

可知，彈體以不同的速度穿透相同厚度的靶體時消耗的動能基本相同，因此可以根據(jù)彈體消耗的動能來控制侵徹深度.軸向加速度對彈體所做功是彈體能量減少的主要原因，即侵徹阻力在彈體軸向所做功為

當(dāng)彈體消耗的能量達(dá)到設(shè)定值時（定能量），引爆戰(zhàn)斗部，此時計算彈體侵徹過程消耗的能量，除實(shí)時測量加速度外，還需要輸入或測量初始速度.

當(dāng)初始速度和實(shí)時加速度已知時，也可直接計算彈體軸向位移[7]：

當(dāng)彈體軸向位移達(dá)到設(shè)定值時（定軸向位移），引爆戰(zhàn)斗部.

將彈體侵徹傾角β和初始速度都作為初始條件輸入引信中，就可以實(shí)現(xiàn)定垂直位移控制[2，6]：

通過該算法估計彈體垂直位移，當(dāng)彈體垂直位移達(dá)到設(shè)定值時（定垂直位移），引爆戰(zhàn)斗部.

下面通過數(shù)字試驗(yàn)分析這5種引信引爆策略在不確定侵徹條件下的控制精度.

2 數(shù)值模型

鉆地彈和反跑道彈侵徹的靶體規(guī)模較大，全尺寸數(shù)值模擬需要耗費(fèi)大量人力、物力，往往精度難以保證，WARREN T L等人[11，12]用有限空腔膨脹理論推導(dǎo)出的力函數(shù)代替彈靶接觸力，避免了靶體網(wǎng)格劃分和復(fù)雜的彈靶接觸，大大減少了計算時間和內(nèi)存需求，該算法被嵌入到專業(yè)武器分析軟件PRONTO 3D中，廣泛應(yīng)用于動能彈侵徹鋁合金靶、混凝土和石灰石等問題中.本文把侵徹力函數(shù)代替彈靶接觸力的快速算法嵌入到有限元軟件ABAQUS中，并通過算例驗(yàn)證了該算法.圖1為彈體侵徹示意圖，彈體尺寸和侵徹條件均與 WARREN T L等人[11，12]的試驗(yàn)相同，相關(guān)材料參數(shù)也取自該文獻(xiàn)，表1和表2分別為斜侵徹石灰石靶和斜侵徹鋁合金靶的結(jié)果，表中γp、γy分別為彈頭攻角上下方向偏轉(zhuǎn)（上為正）和左右方向偏轉(zhuǎn)（左為正）.計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了模型和方法的正確性.從表1和表2可以看出，彈體侵徹石灰石傾角為30°時，低速侵徹時趨于跳飛，速度要大于610m/s才能正常侵入；傾角為15°時，速度要大于510m/s才能正常侵入.彈體侵徹鋁傾角為45°時，低速侵徹時完全跳飛；速度為1 184m/s侵徹時彈體也基本趨于跳飛，傾角為30°或15°時，速度要大于700m/s才能正常侵入.

表1 彈體侵徹石灰石靶的試驗(yàn)[11]結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果比較

表2 彈體侵徹鋁合金靶的試驗(yàn)[12]與數(shù)值模擬結(jié)果比較

3 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)彈體正常侵徹靶體條件，考慮不確定的侵徹條件（速度vs，傾角β，攻角γ）下彈體侵徹石灰石靶體和6061－T651鋁合金靶，2個靶體均進(jìn)行20次試驗(yàn)，不確定性條件范圍：700 m/s≤vs≤1 100 m/s，15°≤β≤35°，－3°≤γ≤3°，設(shè)計如表3所示拉丁超立方采樣試驗(yàn).拉丁超立方采樣試驗(yàn)是一種隨機(jī)采樣方法，該方法采樣點(diǎn)的分布比較均勻，可以獲取充分的模型信息，能得到輸入變量均值、方差和分布函數(shù)的良好估計，從而滿足不確定性分析的需要.

表3 拉丁超立方采樣試驗(yàn)

表4給出了以上5種引信引爆策略的控制精度，表中hm、hu、hd和hr分別為炸點(diǎn)深度均值、上界、下界和均方根.在不確定侵徹條件下分別侵徹石灰石和鋁合金靶，從炸點(diǎn)深度（炸深即質(zhì)心深度方向坐標(biāo)）的上、下界可以看出，延時引信引爆策略波動范圍最大，定垂直位移引信引爆策略波動范圍最小，結(jié)合炸深波動范圍和均方根可以看出，引信控制精度從低到高分別為：延時＜定沖量＜定能量＜定軸向位移＜定垂直位移.比較2種目標(biāo)靶的控制量可以看出，只有定位移方式在相同的設(shè)定值條件下，到達(dá)基本相同的炸深，即目標(biāo)靶不確定性很大時，定位移方式也能有很高的控制精度.

表4 引信引爆策略控制精度比較

從實(shí)現(xiàn)時需要的基本條件來看，延時引信最簡單，只需要觸發(fā)延時電路；定沖量需要有加速度傳感器；定能量和定軸向位移還需要初始速度，初始速度在接觸碰撞時可以測量，也可以通過發(fā)射前設(shè)定；定垂直位移方式實(shí)現(xiàn)時需要有初始速度和侵徹傾角以及實(shí)時測量加速度，在接觸碰撞時測量侵徹傾角比較困難，一般通過發(fā)射前設(shè)定，因此該方法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜.

不確定侵徹條件下炸深近似模型可以通過拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計的20個樣本點(diǎn)來構(gòu)建，本文采用較簡單的二階響應(yīng)面法[13]來構(gòu)造某一引信引爆策略的炸深近似模型，其二階響應(yīng)面近似模型可表示為

式中，v′為速度vs通過歸一化得到，即對第i組實(shí)驗(yàn)速度進(jìn)行歸一化，同樣β′、γ′和h′分別為傾角β、攻角γ和炸點(diǎn)深度h的歸一化值，其取值范圍為[－1，1]，ai為未知的多項式系數(shù)，一共有10個，20個樣本能超靜定確定未知系數(shù).要確定多項式的參數(shù)，可以應(yīng)用傳統(tǒng)的最小二乘法，但是這種方法的缺點(diǎn)是多項式的所有項都包含在模型中，不能剔除不具有顯著影響的項.本文采用基于誤差減小比率的結(jié)構(gòu)選擇技術(shù)[14]，該技術(shù)就是在近似模型的所有候選多項式項的集合中評估每個多項式項的顯著貢獻(xiàn)性，并按照誤差減小比率選擇出有效的多項式項，從而獲得近似模型多項式非參數(shù)形式的最佳模型.

炸深近似模型h（v，β，γ）是關(guān)于速度v、傾角β和攻角γ的函數(shù)，對相應(yīng)的變量求偏導(dǎo)即可分析炸深對該因素的敏感性，其對應(yīng)的偏導(dǎo)方程為

表5為各種引信引爆策略的炸點(diǎn)深度近似模型多項式系數(shù)，從表中可以看出，對于延時引信，侵徹速度是影響其炸點(diǎn)控制精度的主要因素，傾角和攻角也有一定影響；對于定沖量引信，速度影響明顯減小，但它還是影響控制精度的最主要因素；對于定能量引信，速度已經(jīng)是影響控制精度的次要因素，傾角和攻角是影響控制精度的主要因素；對于定軸向位移引信，速度對控制精度的影響非常小，影響控制精度的主要是傾角，其次是攻角；對于定垂直位移引信，同樣速度對控制精度的影響非常小，此時傾角對控制精度的影響大大減小，但傾角和攻角還是影響控制精度的主要因素.

4 結(jié)論

在不確定侵徹條件下，5種引信引爆策略的炸深控制精度從低到高排序?yàn)椋貉訒r，定沖量，定能量，定軸向位移，定垂直位移.定位移方式可以適應(yīng)不同靶體，在設(shè)定值相同的條件下，到達(dá)基本相同的炸深，即目標(biāo)靶不確定性很大時，定位移方式也能有很高的控制精度.侵徹速度的不確定性對延時引信炸點(diǎn)控制精度影響非常大，對定位移引信影響非常小，傾角和攻角是影響定位移引信炸點(diǎn)控制精度的主要原因.考慮不確定侵徹條件下引信引爆策略對炸深的影響，可為引信設(shè)計提供理論參考.

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