超高速動(dòng)能棒對(duì)地毀傷效果及其等效當(dāng)量評(píng)估*

王 鵬,郭 磊,李 巍,申明輝,王新泉,郭立力

(1 北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所, 北京 100076； 2 中國(guó)運(yùn)載火箭彈技術(shù)研究院長(zhǎng)征學(xué)院, 北京 100076)

0 引言

在現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中,永備地下工事等高價(jià)值關(guān)鍵目標(biāo)(比如地下指揮中心等),發(fā)揮的作用越來越大而備受人們的關(guān)注[1]?，F(xiàn)有傳統(tǒng)對(duì)地武器,很難對(duì)永備地下工事構(gòu)成威脅。已有大量試驗(yàn)表明[2-5],當(dāng)速度超過一定值時(shí),現(xiàn)有武器裝藥侵徹體材料侵深反而下降,且彈體材料易受破壞,內(nèi)裝藥毀傷效果大幅下降。因此研制具有新型毀傷模式的對(duì)地毀傷武器,已提上新型武器研制的議事日程。

相關(guān)資料顯示,當(dāng)一定質(zhì)量的彈丸對(duì)地撞擊速度達(dá)到超高速時(shí),其撞擊產(chǎn)生的能量將大于等質(zhì)量的炸藥爆炸產(chǎn)生的能量,且在撞擊過程中會(huì)產(chǎn)生許多新的物理和化學(xué)現(xiàn)象[3],因此超高速動(dòng)能對(duì)地武器逐漸受到世界各軍事強(qiáng)國(guó)的重視,尤其據(jù)最新報(bào)道,美國(guó)近期試驗(yàn)了多款超高速武器平臺(tái)(如X-37B、X-51A)[6-7],動(dòng)能對(duì)地武器是備選武器之一。與傳統(tǒng)對(duì)地武器不同,動(dòng)能對(duì)地武器,對(duì)超高速撞擊惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),這里所說的超高速[8]是指動(dòng)能武器著靶后,彈靶材料呈流體動(dòng)力學(xué)形態(tài),材料可壓縮性不可忽略,此時(shí)彈靶材料的應(yīng)變率通常在106～107之間,對(duì)應(yīng)的彈靶相對(duì)速度在3 000～12 000 m/s之間。因此超高速動(dòng)能對(duì)地武器毀傷效果研究代表了一個(gè)很重要的發(fā)展方向,也為將來天基武器發(fā)展做相應(yīng)技術(shù)儲(chǔ)備。

目前由于超高速動(dòng)能對(duì)地武器研究仍處于探索階段,對(duì)其毀傷模式和毀傷能力及其毀傷評(píng)估仍沒有合適手段,為此文中根據(jù)一定質(zhì)量動(dòng)能棒超高速對(duì)地撞擊毀傷效果及其等效當(dāng)量試驗(yàn),探索超高速動(dòng)能對(duì)地武器的毀傷模式和毀傷能力,為超高速動(dòng)能對(duì)地武器后續(xù)研究提供重要參考。

1 超高速動(dòng)能對(duì)地武器主要?dú)问郊捌涑梢蚍治?/h2>

超高速動(dòng)能對(duì)地武器,是一種將若干大質(zhì)量高密度實(shí)心金屬棒,搭載地地導(dǎo)彈或安裝在運(yùn)行于地球軌道的衛(wèi)星上[7](如圖1所示),通過地地導(dǎo)彈上的制導(dǎo)裝置或其它衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)定位,并控制這些金屬棒以高速和超高速撞擊目標(biāo),利用撞擊侵徹過程形成的高強(qiáng)度沖擊波及層裂效應(yīng)等,對(duì)深層堅(jiān)固目標(biāo)進(jìn)行毀傷的新型鉆地武器。因此超高速動(dòng)能對(duì)地武器對(duì)目標(biāo)的毀傷效果,主要包括撞擊成坑、地沖擊、地震動(dòng)等,當(dāng)目標(biāo)介質(zhì)中出現(xiàn)自由邊界時(shí),還伴隨層裂現(xiàn)象。

圖1 “上帝之杖”系統(tǒng)和毀傷模擬

超高速撞擊地面后,主要產(chǎn)生撞擊成坑以及三種波[9],即沿地層深度傳入的縱波(也就是P波)、垂直縱波波陣面的剪切波(也就是S波),以及沿地表傳播的橫波(也就是R波),因此超高速對(duì)地撞擊形成的毀傷形式主要由這三種波共同作用而造成,如圖2所示。

圖2 超高速撞擊后形成的不同區(qū)域示意圖

其中地沖擊主要沿地層深度方向傳播,是對(duì)深層地下工事的主要?dú)问?由P波與S波的垂直分量共同疊加形成,對(duì)于有限厚介質(zhì),當(dāng)入射壓縮波到達(dá)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)表面時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)反射拉伸波向混凝土內(nèi)傳播。在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)表面附近,反射拉伸波與入射壓縮波相互疊加,疊加后生成的拉應(yīng)力脈沖超過混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)表面產(chǎn)生層裂,最多可生成2次。對(duì)于石灰?guī)r類介質(zhì),已有資料顯示[10],其完全摧毀的壓力為100 MPa,嚴(yán)重受損的壓力為50 MPa。

地震動(dòng)主要沿目標(biāo)表面?zhèn)鞑?由R波和S波水平分量疊加而成,該種毀傷形式是超高速動(dòng)能對(duì)地武器毀傷地面目標(biāo)的主要?dú)问?主要表現(xiàn)為強(qiáng)度低、傳播速度慢、衰減慢、頻率低、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。通過地表橫波可引起建筑物震動(dòng),一旦震動(dòng)過載超過建筑物設(shè)計(jì)的承受值,將使得建筑物墻體開裂、坍塌形成破壞。

2 超高速動(dòng)能武器對(duì)地撞擊及其等效當(dāng)量

超高速對(duì)地撞擊的特點(diǎn)與化學(xué)能類似,為直觀了解超高速動(dòng)能武器對(duì)地毀傷能力,文中用化學(xué)能對(duì)其進(jìn)行毀傷能力評(píng)估。超高速動(dòng)能武器打擊的目標(biāo)是深層地下工事,而造成地下工事破壞的主要是地沖擊效應(yīng)。因此把超高速撞擊等效當(dāng)量定義為：能與超高速動(dòng)能對(duì)地武器造成相同埋深地下目標(biāo)嚴(yán)重毀傷的裝藥量。

根據(jù)上述地震動(dòng)和地沖擊分析,可以看出,地沖擊的表征值主要表現(xiàn)為形成的壓實(shí)區(qū)深度,最直接反映在所形成的壓實(shí)區(qū)密度相對(duì)于原狀土密度的增益,為此可通過測(cè)試地震動(dòng)過載以及壓實(shí)區(qū)土層密度的變化,來評(píng)估超高速動(dòng)能對(duì)地武器的毀傷效果。

2.1 超高速動(dòng)能棒對(duì)地撞擊結(jié)果及其分析

搭載同一平臺(tái)進(jìn)行了兩種質(zhì)量相同材料不同百千克級(jí)的動(dòng)能棒超高速對(duì)地撞擊試驗(yàn),分別表示為試驗(yàn)件一和試驗(yàn)件二,其中試驗(yàn)件一密度約是試驗(yàn)件二密度的2.3倍,二者延伸率相當(dāng),σb相當(dāng),采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)灌砂法獲得了兩種情況超高速對(duì)地撞擊壓實(shí)區(qū)深度,利用不同方向、不同量程過載傳感器獲得了兩種情況超高速對(duì)地撞擊地震動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)可以看出：

1)超高速情況下,試驗(yàn)件一對(duì)地造成的毀傷深度和壓實(shí)區(qū)厚度,均優(yōu)于試驗(yàn)件二相應(yīng)數(shù)值,其中試驗(yàn)件一形成的毀傷深度比試驗(yàn)件二形成的毀傷深度增大約72%,壓實(shí)區(qū)厚度增大約80%；

2)超高速情況下,試驗(yàn)件一對(duì)地造成的可見坑尺寸,比試驗(yàn)件二對(duì)地造成的可見坑尺寸小約50%；

3)對(duì)比前兩條內(nèi)容,可以看出試驗(yàn)件一能量釋放主要沿地層深度方向,方向性更強(qiáng)；

4)從試驗(yàn)件一和試驗(yàn)件二超高速對(duì)地撞擊后回收物來看,試驗(yàn)件一攜帶能量的轉(zhuǎn)化率,明顯高于試驗(yàn)件二攜帶能量的轉(zhuǎn)化率,其中試驗(yàn)件一回收最大殘片僅為百克量級(jí),其余大都轉(zhuǎn)化為多孔狀燒結(jié)物,而回收試驗(yàn)件二殘片的有幾十千克,多為磨蝕和墩粗破壞,未見轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì),基本保持了產(chǎn)品的初始性態(tài)；

5)從對(duì)回收殘片位置看,如果要獲得較大毀傷深度,韌性材料不宜作為動(dòng)能棒的候選材料,其中回收試驗(yàn)件二的殘片位置多集中在可見坑底表面,而試驗(yàn)件一的殘片回收位置多在侵徹隧道內(nèi)。

2.2 等效當(dāng)量評(píng)估結(jié)果

用TNT炸藥來進(jìn)行超高速動(dòng)能對(duì)地撞擊毀傷效果等效當(dāng)量評(píng)估。在每個(gè)撞擊成坑附近各選定3塊一定直徑的平整未經(jīng)擾動(dòng)的場(chǎng)地,炸藥質(zhì)心距地表垂直向下一定距離,并保持該距離不變,分別埋設(shè)400 kg、800 kg和1 200 kg TNT炸藥,進(jìn)行化爆試驗(yàn),用2.1節(jié)方法同樣對(duì)此進(jìn)行測(cè)試,并與試驗(yàn)件一所獲結(jié)果進(jìn)行比對(duì),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

1)超高速情況下,百公斤級(jí)試驗(yàn)件一對(duì)地撞擊后形成的壓實(shí)區(qū)厚度,與炸藥質(zhì)心距地表一定深度處1 200 kg TNT爆炸形成的壓實(shí)區(qū)厚度相當(dāng)；

2)超高速情況下,百公斤級(jí)試驗(yàn)件二對(duì)地撞擊形成的壓實(shí)區(qū)厚度,與炸藥質(zhì)心距地表一定深度處400 kg TNT爆炸形成的壓實(shí)區(qū)厚度相當(dāng)；

3)超高速情況下,百公斤級(jí)試驗(yàn)件一地震動(dòng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果,與800 kg TNT炸藥爆炸產(chǎn)生地震動(dòng)相當(dāng),與第一條對(duì)比進(jìn)一步表明,試驗(yàn)件一能量釋放主要沿深度方向。

3 超高速動(dòng)能對(duì)地毀傷深度及其等效當(dāng)量估算

動(dòng)能棒超高速撞擊靶板同炸藥爆炸作用靶板類似,只是產(chǎn)生源不同,在靶板中都產(chǎn)生了沖擊波,而沖擊波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律是相似的,因此可以參考炸藥在介質(zhì)中爆炸的研究方法,通過相似理論研究超高速撞擊在介質(zhì)中產(chǎn)生的沖擊波傳播規(guī)律。

(1)

式中：Pm為沖擊波峰值壓力,單位為MPa,ω、r的單位分別為J和m?？紤]到炸藥在介質(zhì)中不同的位置爆炸,以及爆炸后形成的沖擊波在介質(zhì)中的衰減情況,將式(1)修訂為：

Pm=A((ηtω)/r)β

(2)

式中：ηt為地表爆炸相對(duì)于不同深度爆炸的等效當(dāng)量埋深系數(shù),A和β為與介質(zhì)相關(guān)的衰減系數(shù),根據(jù)已有地面試驗(yàn),典型介質(zhì)系數(shù)如表1所示。

表1 幾種典型介質(zhì)的應(yīng)力波傳播規(guī)律試驗(yàn)值

為確定埋深系數(shù)ηt,引入封閉度的概念,即爆炸深度對(duì)爆炸地沖擊強(qiáng)度及坑道破壞特征影響程度的指標(biāo),用B來表示,可由下式計(jì)算：

(3)

式中：hq為裝藥中心至地面投影點(diǎn)的深度(m),hk為臨界無影響深度(m)。hk可用下式計(jì)算：

(4)

埋深系數(shù)ηt由下式獲得：

綜合上述各式的意義就在于,當(dāng)量為ω的炸藥在地下爆炸產(chǎn)生的地沖擊及坑道破壞效應(yīng),與當(dāng)量為ηtω的炸藥在地表爆炸產(chǎn)生地沖擊及坑道破壞效應(yīng)相當(dāng),這樣就能切實(shí)描述：觸地起爆的傳統(tǒng)彈藥與超高速動(dòng)能對(duì)地武器之間的等效關(guān)系。

根據(jù)上述計(jì)算公式,首先來計(jì)算此次試驗(yàn)動(dòng)能棒與TNT觸地爆情況下等效當(dāng)量。動(dòng)能棒與試驗(yàn)動(dòng)能棒質(zhì)量、外形完全一致,落速也用實(shí)測(cè)落速。從計(jì)算結(jié)果可以看出,以第3部分試驗(yàn)為比較對(duì)象,也就是說,能完全摧毀地下10 m左右地下工事嚴(yán)重破壞,若要達(dá)到相同的毀傷效果,試驗(yàn)動(dòng)能棒對(duì)地造成的毀傷深度與37 t TNT裝藥在地表爆炸的毀傷能力相當(dāng)。

據(jù)此增大動(dòng)能棒質(zhì)量,動(dòng)能棒長(zhǎng)徑比保持不變,計(jì)算了長(zhǎng)徑比為10的噸級(jí)動(dòng)能棒,以速度4 500 m/s撞擊巖石介質(zhì),可得該種工況能完成摧毀地下15.58 m處的工事,能造成地下20 m處的地下工事嚴(yán)重破壞,與180 t TNT炸藥在地表爆炸的毀傷能力相當(dāng)。

4 結(jié)論及建議

通過上述試驗(yàn)和初步分析,超高速動(dòng)能棒對(duì)地撞擊具有能量釋放方向性強(qiáng)、地沖擊有效作用距離大等特點(diǎn),能對(duì)深層地下工事構(gòu)成威脅,代表了未來有效打擊深層地下工事武器的一個(gè)發(fā)展方向。但國(guó)內(nèi)在超高速動(dòng)能對(duì)地毀傷及其等效評(píng)估研究方面,尚處于探索階段,文中所獲結(jié)果有限,還有很多物理和化學(xué)現(xiàn)象沒有發(fā)現(xiàn),為此提出如下建議：

1)進(jìn)行超高速動(dòng)能對(duì)混凝土靶板二級(jí)輕氣炮試驗(yàn),獲得沿深度方向強(qiáng)沖擊壓力傳播規(guī)律,找出超高速情況下動(dòng)能棒和目標(biāo)介質(zhì)的本構(gòu)方程；

2)由于動(dòng)能棒和目標(biāo)介質(zhì)的本構(gòu)方程還不確定,SPH方法的適用性和超高速情況下的相關(guān)材料參數(shù)還需要進(jìn)一步試驗(yàn)來驗(yàn)證,故無法實(shí)現(xiàn)超高速動(dòng)能棒對(duì)地撞擊在數(shù)值仿真和理論方面的突破；

3)進(jìn)一步擴(kuò)展超高速動(dòng)能武器的打擊目標(biāo),比如航母等對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)影響較大的目標(biāo),并在此進(jìn)行相關(guān)機(jī)理研究。