電磁發(fā)射攔截系統(tǒng)攔截效果仿真

王成學(xué),曹延杰, 李 軍，李士忠

(1.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001；2.北京特種機(jī)電研究所，北京 100081)

1 發(fā)射裝置工作原理

發(fā)射裝置是電磁發(fā)射攔截系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，其主要作用是為攔截彈提供足夠的動(dòng)能，使來(lái)襲目標(biāo)毀壞或偏離航向，它的組成及工作原理如圖1所示[1]。

從圖1(a)可以看出，發(fā)射裝置主要由平面螺旋狀發(fā)射線圈、底座、絕緣材料和攔截彈組成。其中，發(fā)射線圈和攔截彈為導(dǎo)電性能良好的非磁性金屬材料。發(fā)射線圈A-A′和B- B′相互垂直，分別與兩個(gè)獨(dú)立的高功率脈沖電源(電容器組C1、C2)和控制開(kāi)關(guān)K1、K2相連，構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的放電回路。若K1、K2閉合，回路中將會(huì)有脈沖大電流通過(guò)，發(fā)射線圈周圍會(huì)產(chǎn)生變化的強(qiáng)磁場(chǎng)，攔截彈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互作用，使攔截彈受到很大的電磁力，在電磁力的作用下攔截彈以一定的速度飛向目標(biāo)。通過(guò)控制裝置調(diào)節(jié)兩個(gè)放電回路(如圖1(b)所示)的放電延時(shí)t1和t2，便可控制攔截彈的飛行方向。當(dāng)線圈B-B′工作(t2=t0)，而線圈A-A′不工作(t1=∞)時(shí)，攔截彈將沿方向1飛行；而當(dāng)線圈A-A′工作，線圈B-B′不工作時(shí)，攔截彈將沿方向5發(fā)射。在線圈A-A′和線圈B-B′同時(shí)工作的情況下，若t1=t2=t0，攔截彈將沿方向3飛行；若t1>t2，攔截彈將沿方向2飛行；若t1

2 碰撞過(guò)程仿真

2.1 碰撞姿態(tài)構(gòu)想

以攔截彈與某型動(dòng)能穿甲彈相碰撞的物理過(guò)程為例，分析攔截彈對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的碰撞效果。由于攔截彈與穿甲彈碰撞時(shí)的姿態(tài)及相對(duì)空間位置存在隨機(jī)性，分析時(shí)假設(shè)攔截彈與穿甲彈相碰撞時(shí)的姿態(tài)如圖2所示。圖中穿甲彈頭部與攔截彈接觸面的位置位于攔截彈頂面中心，穿甲彈軸線在攔截彈頂面的投影與頂面長(zhǎng)對(duì)稱線重合。為了分析碰撞角度變化對(duì)碰撞效果的影響，選取穿甲彈軸線與其在攔截彈頂面投影的夾角а(即碰撞角度)分別為30°、45°和60°3種情況進(jìn)行仿真。

2.2 仿真模型

攔截彈與穿甲彈相碰時(shí)的物理模型如圖2所示。圖中，穿甲彈彈芯直徑為25 mm，桿長(zhǎng)為700 mm，材料為鎢合金；攔截彈端面為梯形，長(zhǎng)邊170 mm，短邊20 mm，高度100 mm，厚度100 mm，斜邊與上下兩底邊線的夾角為45°，材料為導(dǎo)電性能良好的鋁合金。模型的材料特性參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

表1中：ρ為材料密度；E為彈性模量；σ為材料的屈服強(qiáng)度；G為剪變模量；μ為泊松比。

碰撞過(guò)程中，穿甲彈軸線在攔截彈頂面的投影與攔截彈的對(duì)稱面重合，因此，為節(jié)省時(shí)間，分析時(shí)可以只建立二分之一模型。為了提高分析效率，采用APDL語(yǔ)言編制仿真程序，建立攔截彈與穿甲彈的有限元模型，用Johnson-cook材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程[4]進(jìn)行攔截彈對(duì)穿甲彈碰撞效果的計(jì)算。計(jì)算時(shí)，在攔截彈模型的對(duì)稱面施加法向?qū)ΨQ約束條件，穿甲彈與攔截彈之間采用*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE接觸算法[5]。仿真的總時(shí)間為100 μs。分析時(shí)，假設(shè)攔截彈在碰撞前的速度為270 m/s，動(dòng)能穿甲彈的速度約為1720 m/s。

2.3 仿真結(jié)果及分析

碰撞過(guò)程中，攔截彈與穿甲彈的應(yīng)力及狀態(tài)變化情況如圖3所示。

從圖3中可以看出，攔截彈與穿甲彈相碰過(guò)程中，攔截彈體經(jīng)歷了開(kāi)坑、侵徹直至穿透的整個(gè)破壞過(guò)程。在開(kāi)坑階段，穿甲彈與攔截彈開(kāi)始接觸時(shí)，產(chǎn)生的碰撞應(yīng)力很大，所產(chǎn)生的應(yīng)力波向穿甲彈彈體和攔截彈彈體迅速擴(kuò)散。由于碰擊應(yīng)力很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了攔截彈與穿甲彈的屈服強(qiáng)度，使得穿甲彈頭部發(fā)生變形、破碎，而攔截彈體則凹陷、破壞并逐漸成坑。在侵徹階段，穿甲彈和攔截彈彈體在壓縮及反射拉伸波的作用下而破壞，穿甲彈頭部逐漸變形、鈍化、破碎，而攔截彈體則不斷地發(fā)生侵蝕破壞，并發(fā)生撕裂、破碎現(xiàn)象，產(chǎn)生的碎塊從坑口跳出。由于攔截彈具有豎直向上的初速度，侵徹孔壁與穿甲彈桿部的接觸部位逐漸磨損，使得攔截彈體的侵徹孔逐步增大。對(duì)于3種不同的碰撞角度來(lái)說(shuō)，雖然碰撞前穿甲彈與攔截彈的速度相同，但由于碰撞角度不同，穿甲彈穿透攔截彈的時(shí)間也不相同，角度越小，穿透攔截彈所經(jīng)歷的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖4和圖5所示為碰撞過(guò)程中穿甲彈和攔截彈速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

從圖4和圖5可以看出，穿甲彈與攔截彈的碰撞過(guò)程中，穿甲彈的速度逐漸減小，但期間速度的變化率卻不相同。在開(kāi)坑階段，穿甲彈速度曲線的斜率較小，速度的變化率也較小。這是因?yàn)椋洪_(kāi)坑階段，穿甲彈頭部與攔截彈頂部的接觸過(guò)程為由點(diǎn)到面逐漸增大，同時(shí)穿甲彈頭部的變形也較小，所以彈體受到的阻力相對(duì)較小。當(dāng)開(kāi)坑結(jié)束轉(zhuǎn)變?yōu)榍謴剡^(guò)程時(shí)，隨著穿甲彈頭部變形和破損的不斷加劇，彈體所受的阻力也不斷增大，穿甲彈的速度衰減較快，而隨著侵徹過(guò)程的進(jìn)行，攔截彈體未侵徹的部分越來(lái)越小(如圖3(a)中t=72 μs所示)，穿甲彈所受阻力也逐漸減小，當(dāng)攔截彈體被穿透后，穿甲彈彈頭部的侵徹阻力消失，穿甲彈所受的阻力僅為侵徹孔壁與穿甲彈桿部的摩擦阻力，所以穿甲彈的速度變化較小，這時(shí)穿甲彈的速度曲線出現(xiàn)了明顯的彎折現(xiàn)象。

從碰撞效果來(lái)看，碰撞角度為30°時(shí)，穿甲彈的速度由1 720 m/s減至1 679 m/s，降低41 m/s，動(dòng)能減少4.7%，同時(shí)，穿甲彈的運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)3.5°；碰撞角度為45°時(shí)，穿甲彈的速度由1 720 m/s減至1 677 m/s，降低43 m/s，動(dòng)能減少4.9%。同時(shí)，穿甲彈的運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)3.1°，碰撞角度為60°時(shí)，穿甲彈的速度由1 720 m/s減至1 676 m/s，降低了44 m/s，動(dòng)能減少5.0%。同時(shí)，穿甲彈的運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)2.85°。穿甲彈與攔截彈碰撞，頭部變形、破碎，速度降低，再碰撞到裝甲車輛鋼板后，穿甲深度將大大降低。

而對(duì)攔截彈來(lái)講，碰撞后，在侵徹部位彈體被貫穿成孔，攔截彈的速度減小。入射角為30°、45°和60°時(shí)，攔截彈的速度由270 m/s分別減至236 m/s、243 m/s和247 m/s。

假設(shè)攔截彈在距裝甲車輛10 m處與穿甲彈相碰撞，碰撞后，穿甲彈的運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)角度越大，穿甲彈在觸及裝甲車輛時(shí)偏轉(zhuǎn)距離將越大，使穿甲彈偏離裝甲車輛的可能性也越大。碰撞角度為30°時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)3.5°，穿甲彈在觸及裝甲車輛時(shí)將偏轉(zhuǎn)1.6 m，使穿甲彈偏離裝甲車輛的可能性增大。

3 構(gòu)材料變化對(duì)碰撞效果的影響

攔截彈對(duì)來(lái)襲目標(biāo)的碰撞效果，除了與碰撞姿態(tài)有關(guān)外，還與攔截彈的材料密切相關(guān)。為了分析攔截彈材料變化對(duì)穿甲彈碰撞效果的影響，將攔截彈設(shè)計(jì)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，由鋼和鋁合金鋼材料復(fù)合而成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖中h表示鋼的厚度。仍以圖2中的碰撞姿態(tài)為例，假定碰撞角度α為30°，穿甲彈的入射速度和攔截彈的初速度分別為1 720 m/s和270 m/s的條件下，分別在攔截彈鋼材料的厚度為1 cm、2 cm和3 cm的情況下，對(duì)攔截彈與穿甲彈的碰撞過(guò)程進(jìn)行了分析，圖7所示為與不同結(jié)構(gòu)的攔截彈相碰撞時(shí)穿甲彈速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

從圖7可知，由于鋼的硬度和屈服強(qiáng)度較大，穿甲彈與由鋼和鋁合金復(fù)合制成的攔截彈相碰后，其速度衰減較大，并且鋼的厚度越大，穿甲彈速度的減小量也越大。復(fù)合結(jié)構(gòu)攔截彈中鋼的厚度為1 cm、2 cm和3 cm時(shí)，穿甲彈的速度由1 720 m/s分別減至1 655 m/s、1 651 m/s和1 643 m/s，其動(dòng)能減小量分別為7.4% 、7.8%和8.7%。因此，鋼和鋁合金復(fù)合而成的攔截彈比單純鋁合金結(jié)構(gòu)的攔截彈對(duì)穿甲彈的碰撞效果好，并且鋼的厚度越大，對(duì)穿甲彈的毀傷效果越明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了電磁發(fā)射攔截系統(tǒng)發(fā)射裝置的組成和工作原理，構(gòu)想了攔截彈與穿甲彈的碰撞姿態(tài)，在碰撞角度分別為30°、45°和60°的情況下，對(duì)攔截彈與某型穿甲彈的碰撞過(guò)程進(jìn)行了仿真，并分析了鋼鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的攔截彈參數(shù)變化對(duì)碰撞效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明：穿甲彈與攔截彈碰撞后，彈頭發(fā)生鈍化、破碎現(xiàn)象，速度降低，方向偏轉(zhuǎn)，對(duì)裝甲車輛的毀傷能力將明顯降低。對(duì)比碰撞角度分別為30°、45°和60°的碰撞結(jié)果來(lái)看，碰撞角度越小，穿甲彈的偏轉(zhuǎn)角度越大，偏離被防護(hù)目標(biāo)的可能性也越大。鋼鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)的攔截彈對(duì)穿甲彈的毀傷效果會(huì)顯著增強(qiáng)。

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