超高速侵徹引信多層目標(biāo)過載層間粘連機(jī)理

李 蓉，戴黎紅，吳敏忠，邵志豪，梁瑊輝

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.解放軍96901部隊(duì)，北京 100094)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)目的是打擊敵方高價(jià)值目標(biāo)，包括多層建筑物、堅(jiān)固工事、地下指揮所、機(jī)庫等[1]。彈藥戰(zhàn)斗部侵徹多目標(biāo)層過程中，引信實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)斗部侵徹過載并判斷穿層信息，控制戰(zhàn)斗部在預(yù)定的目標(biāo)層處爆炸，實(shí)現(xiàn)對建筑物內(nèi)高價(jià)值目標(biāo)的高效毀傷。

隨著動能侵徹戰(zhàn)斗部的速度不斷提高，引信不僅承受到更高的沖擊過載，并且出現(xiàn)每一層目標(biāo)侵徹過載彼此粘連，導(dǎo)致目標(biāo)層難以準(zhǔn)確識別，引信計(jì)層準(zhǔn)確性下降甚至失效。工程上準(zhǔn)確計(jì)層起爆功能是打擊多層建筑物中高價(jià)值目標(biāo)的關(guān)鍵，層間過載粘連是侵徹引信準(zhǔn)確計(jì)層的瓶頸，從嚴(yán)重粘連過載中提取出清晰的目標(biāo)過載層包絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)層起爆功能的解決途徑。

文獻(xiàn)[2]提出多層目標(biāo)侵徹過載上疊加大量振蕩信號，研究了低通濾波法、積分消噪法等方法消除高頻振蕩信號。文獻(xiàn)[3]對多層侵徹過載信號粘連的成因進(jìn)行了探索，提到了侵徹阻力的頻率與彈引系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，傳感器的加速度響應(yīng)出現(xiàn)時(shí)頻域信號粘連，濾波也難以得到侵徹穿層特征。以上文章均對多層目標(biāo)過載的層間粘連達(dá)成共識，嘗試通過不同的方法解決，但是并未對過載層間粘連產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理給出解釋。研究發(fā)現(xiàn)，一般的低通濾波很難消除粘連、凸顯目標(biāo)層特征，只有掌握了過載粘連的內(nèi)在機(jī)理才能采取有效的消除粘連措施，否則其有效性和適應(yīng)性難以評價(jià)。

針對戰(zhàn)斗部高速侵徹多層目標(biāo)過程中引信測量的過載層間粘連并導(dǎo)致計(jì)層不準(zhǔn)的問題，本文提出層間過載粘連的內(nèi)在機(jī)理。

1 多層目標(biāo)層間過載嚴(yán)重粘連

文獻(xiàn)[4]指出信號粘連是由于加速度傳感器信號中的兩種成分——彈體的剛體過載和彈體的振動響應(yīng)粘連在一起引起的。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為彈丸侵徹下一層目標(biāo)時(shí)由于上一層引起的應(yīng)力波效應(yīng)未完全衰減，傳感器的響應(yīng)信號發(fā)生了粘連。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為引戰(zhàn)系統(tǒng)的諧振是造成過載信號產(chǎn)生振蕩的根本原因。文獻(xiàn)[7]高速侵徹時(shí)彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)衰減慢，導(dǎo)致粘連，并沒有對彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)衰減慢的機(jī)理進(jìn)行研究。

從目前的研究可以看出彈體高速侵徹多層目標(biāo)過載粘連得到共識，而且從傳感器感應(yīng)、應(yīng)力波衰減、引戰(zhàn)諧振、彈體結(jié)構(gòu)響應(yīng)等角度對粘連產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行嘗試，得到定性的分析，但是卻并未給出粘連產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理而且得到響應(yīng)的量值驗(yàn)證。

此外粘連過載信號處理方法也是研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[8]提出一種基于加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號融合的計(jì)層算法，通過對加速度傳感器和MEMS開關(guān)信號分別與不同窗函數(shù)在時(shí)域中的卷積加權(quán)和得到的復(fù)合信號來判定彈丸侵徹過程中的分層特征。文中最后指出算法中使用的兩個(gè)加權(quán)系數(shù)需要更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定，表明該算法需要先驗(yàn)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[9]提出一種利用小波變換處理侵徹信號的方法，并未對多層侵徹過載信號的處理進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[10]提出一種利用加速度信號的Choi_Williams能量分布特征的層數(shù)識別方法，但是并未對粘連多層過載信號進(jìn)行驗(yàn)證，而且該方法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)不明確。

由此可以看到目前的研究雖然探索了多種粘連過載處理的方法，但是這些方法都是單純地進(jìn)行過載的信號處理，并非基于明確粘連機(jī)理的措施，因此其在多層粘連過載驗(yàn)證效果，對目標(biāo)適用性以及便于工程實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)方面尚有差距。

2 超高速侵徹引信多層目標(biāo)過載層間粘連機(jī)理

2.1 過載層間粘連的機(jī)理及定性分析

本文通過對試驗(yàn)彈侵徹多層靶板試驗(yàn)中實(shí)測的過載進(jìn)行分析，得到層間過載粘連產(chǎn)生的機(jī)理是：彈體高速侵徹多層目標(biāo)過程中，作用在彈體上瞬間快速變化的沖擊力激發(fā)出沖擊應(yīng)力波，該應(yīng)力波沿著彈長方向來回傳播、反射并且反射波與行進(jìn)波疊加，使得彈體侵徹每一層靶板時(shí)加速度傳感器感知到的過載信號上疊加了應(yīng)力波傳播振蕩的信息，形成粘連過載信號中的高頻分量。彈體在相鄰兩層靶板間行進(jìn)過程中，應(yīng)力波仍在振蕩尚未衰減完畢，因此導(dǎo)致相鄰兩目標(biāo)層之間的過載彼此粘連，沒有清晰的界限。

當(dāng)彈體撞擊多層目標(biāo)時(shí)，彈體前端受到強(qiáng)烈的沖擊，根據(jù)實(shí)測的過載曲線，沖擊過載在十幾個(gè)μs內(nèi)就能達(dá)到數(shù)萬g。根據(jù)彈性力學(xué)理論，當(dāng)作用于介質(zhì)中各個(gè)微元體的動載荷在極短時(shí)間(ms、μs甚至ns)內(nèi)達(dá)到很高數(shù)值，其應(yīng)變率高達(dá)102～107s-1量級則在介質(zhì)體內(nèi)激發(fā)出應(yīng)力波。

然而并不是任何侵徹過程都會在彈體內(nèi)激發(fā)出應(yīng)力波。125 mm試驗(yàn)彈在侵徹多層目標(biāo)過程中的過載曲線如圖1所示。從圖中可以看到三層目標(biāo)過載包絡(luò)清晰，每層過載之間沒有粘連。

圖1 125 mm模擬試驗(yàn)彈侵徹3層過載曲線Fig.1 3-layer overload curve of penetration of aimulated test projectile

通過對不同試驗(yàn)彈、不同侵徹條件下實(shí)測多層目標(biāo)侵徹過載的分析，認(rèn)為彈體侵徹多層目標(biāo)過程中，在彈體內(nèi)能否激發(fā)出應(yīng)力波與以下條件有關(guān)：介質(zhì)體瞬間應(yīng)變率dξ/dt，侵徹彈的彈形L/D，侵徹速度V，彈體在相鄰兩層目標(biāo)之間自由飛行的時(shí)間τ有關(guān)。即彈體內(nèi)應(yīng)力波激發(fā)的條件為：

(1)

式(1)中，介質(zhì)體瞬間應(yīng)變率dξ/dt與材料的本構(gòu)關(guān)系直接相關(guān)，彈體在相鄰兩層目標(biāo)之間自由飛行的時(shí)間τ與侵徹速度V和侵徹彈長L相關(guān)。彈體只有在高速侵徹多層目標(biāo)時(shí)受到瞬間突變的沖擊過載作用，彈體內(nèi)微元才能產(chǎn)生瞬間的高應(yīng)變率。低速大長徑比的侵徹彈、高速小長徑比的侵徹彈在侵徹過程中難以在彈體內(nèi)激發(fā)出應(yīng)力波，也不會出現(xiàn)dξ/dt與V相關(guān)聯(lián)，也與侵徹彈的長徑比音速或者亞音速侵徹多層目標(biāo)時(shí)，不會激發(fā)應(yīng)力波，不會出現(xiàn)層間過載粘連。

侵徹彈的長徑比對應(yīng)力波的激發(fā)具有明顯的影響，短粗彈侵徹過程中很難在彈體內(nèi)激發(fā)出應(yīng)力波，而長徑比大的彈更容易激發(fā)出應(yīng)力波。侵徹彈短，即使激發(fā)出應(yīng)力波，其傳播行程短，幾個(gè)傳播周期內(nèi)很快耗散能量，應(yīng)力波在短時(shí)間內(nèi)很快衰減，不會產(chǎn)生兩個(gè)波之間的疊加，不會導(dǎo)致層間過載粘連。應(yīng)力波到達(dá)材料的界面時(shí)發(fā)生反射和透射，并在介質(zhì)材料中發(fā)生入射波和發(fā)射波間復(fù)雜的相互所用，形成應(yīng)力波傳播、反射和相互作用的過程，即應(yīng)力波在彈長方向上傳播、反射、再傳播、再反射。

根據(jù)以上分析可以得到：應(yīng)力波沿著彈長來回傳播形成多層侵徹過載上疊加的高頻振蕩，即形成了層間過載的粘連。依據(jù)該分析則有侵徹過載中小振蕩脈沖的頻率f為：

(2)

式(2)中，L是彈長，Ce是應(yīng)力波(一維縱波)在鋼體中傳播的速度。

2.2 過載層間粘連的機(jī)理及定量表述

戰(zhàn)斗部以2.5Ma侵徹7層鋼筋混凝土靶板的實(shí)測過載如圖2所示。從圖2中可以看到多層目標(biāo)侵徹過載嚴(yán)重粘連。通過分析，可以看到每層目標(biāo)侵徹過載由數(shù)個(gè)小振蕩包絡(luò)組成，根據(jù)兩層過載之間的時(shí)間計(jì)算應(yīng)力波振蕩的頻率為1.538 kHz。對7層實(shí)測過載的頻譜分析如圖3所示。

圖2 戰(zhàn)斗部侵徹7層靶的實(shí)測過載曲線Fig.2 Measured overload curve of warhead penetrating 7-layer target

圖3 戰(zhàn)斗部對7層靶的實(shí)測過載的頻譜Fig.3 Spectrum of measured overload of warhead to 7-layer target

從圖3中可以看到1.53 kHz和1.547 kHz是兩個(gè)高頻成分，距離很近，可以認(rèn)為 1.54 kHz是該過載信號振蕩頻率。該侵徹彈體的長度為1.68 m，根據(jù)式(2)計(jì)算得到的振蕩頻率為1.532 kHz。由此可見，通過過載頻譜分析、依據(jù)振蕩脈沖數(shù)以及根據(jù)應(yīng)力波沿著彈長方向傳播計(jì)算三個(gè)方法得到的侵徹過載振蕩頻率均一致。

通過以上彈體侵徹多層目標(biāo)過程中，應(yīng)力波的激發(fā)和傳播的定性分析、根據(jù)實(shí)測過載信號的定量計(jì)算，表明多層目標(biāo)侵徹過載粘連的機(jī)理是：侵徹過程中彈體所受到的應(yīng)力波沿著彈長方向傳播、反射和疊加形成，粘連信號的振蕩頻率能夠根據(jù)式(2)計(jì)算獲得。

2.3 過載層間粘連的消除方法

根據(jù)對多層實(shí)測過載分析得到粘連過載的振蕩頻率，根據(jù)該頻率進(jìn)行低通濾波處理后的過載信號粘連得到有效的改善，能夠清晰得到信號的層過載。

同樣，根據(jù)粘連機(jī)理確定的式(2)，計(jì)算出圖2中7層實(shí)測過載的振蕩頻率為1.54 kHz ，以此頻率為截止頻率的低通濾波器及處理后結(jié)果如圖4所示。圖中可見，層間過載粘連與圖2相比得到很大的改善，目標(biāo)層過載清晰可辨。

圖4 以圖2粘連過載振蕩頻率為截止頻率的低通濾波器及其處理后效果Fig.4 Low pass filter with the cut-off frequency of Fig. 2 conglutination overload oscillation frequency and its effect after processing

3 消除過載層間粘連方法驗(yàn)證

采用半實(shí)物仿真系統(tǒng)對粘連過載濾波處理方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。引信半實(shí)物系統(tǒng)由仿真計(jì)算機(jī)、引信電路、信號轉(zhuǎn)換裝置等構(gòu)成。根據(jù)式(2)由彈體長度和應(yīng)力波傳播速度計(jì)算得出振蕩頻率，作為7層粘連過載低通濾波的截止頻率。起爆控制電路根據(jù)該截止頻率對輸入的侵徹加速度信號進(jìn)行濾波，獲得層識別信號。

半實(shí)物仿真系統(tǒng)首先將多層靶板侵徹加速度數(shù)據(jù)輸入到信號轉(zhuǎn)換裝置，得到多層靶板侵徹加速度模擬信號，得到符合要求的數(shù)據(jù)格式和大小。將該信號作為激勵(lì)輸入到起爆控制電路。起爆控制電路對輸入的模擬加速度信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和信號處理并進(jìn)行有效層包絡(luò)識別和計(jì)層起爆控制，通過示波器監(jiān)測信號輸出。圖5是7層實(shí)測粘連過載經(jīng)起爆控制模塊濾波后的半實(shí)物仿真結(jié)果，圖6是12層實(shí)測粘連過載裝定10層起爆的半實(shí)物仿真結(jié)果。

圖5中上半部分是實(shí)測的多層目標(biāo)侵徹粘連過載信號，圖中短脈沖信號是計(jì)層引信起爆控制模塊發(fā)出的層識別標(biāo)識信號，每識別到一層目標(biāo)則給出一個(gè)層識別標(biāo)識信號。從圖中可以看到起爆控制模塊能夠準(zhǔn)確地識別到每層目標(biāo)。圖6中黃色曲線是實(shí)測的12層目標(biāo)侵徹粘連過載信號，圖中橙色信號是計(jì)層引信起爆控制模塊發(fā)出的層識別標(biāo)識信號，每識別到一層目標(biāo)則給出一個(gè)層識別標(biāo)識信號。從圖中可以看到起爆控制模塊能夠準(zhǔn)確地識別到每層目標(biāo)，并在10層目標(biāo)后輸出計(jì)10層起爆信號。通過對多層目標(biāo)侵徹過載中粘連機(jī)理分析，得到振蕩頻率，依據(jù)該頻率對粘連過載進(jìn)行低通濾波處理后，粘連得到有效改善，凸顯層包絡(luò)，引信能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確地進(jìn)行目標(biāo)層識別和計(jì)層起爆控制。

圖5 7層目標(biāo)粘連過載半實(shí)物仿真結(jié)果Fig.5 Hardware in the loop simulation results of 7-layer target adhesion overload

圖6 12層目標(biāo)粘連過載裝定10層起爆半實(shí)物仿真結(jié)果Fig.6 Hardware in the loop simulation results of 12 layer target conglutination overload setting and 10 layer initiation

4 結(jié)論

本文提出超高速侵徹引信多層目標(biāo)過載層間粘連機(jī)理，對實(shí)測過載信號包絡(luò)進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，過載粘連是由于彈體高速侵徹瞬間產(chǎn)生的應(yīng)力波在彈軸方向來回傳播和疊加造成，粘連過載的主頻頻率是應(yīng)力波傳播的頻率。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明該機(jī)理能夠指導(dǎo)粘連過載的信號處理方法，根據(jù)過載粘連機(jī)理設(shè)計(jì)的濾波方法能夠有效消除層間粘連，凸顯層包絡(luò)，為解決過載層間粘連導(dǎo)致引信計(jì)層精度下降的問題提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。