一種攔截網(wǎng)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)與飛散特性仿真分析?

伍驚濤 朱 磊 孫章毅

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，隨著各類信息化武器裝備的使用，裝甲目標(biāo)面臨的戰(zhàn)場(chǎng)威脅也越來越大［1］，尤其像反坦克導(dǎo)彈、末敏彈等反裝甲類彈藥的使用，對(duì)裝甲目標(biāo)產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅［2］。為應(yīng)對(duì)此類武器的打擊，裝甲車輛就要不斷地提高自身的主動(dòng)防護(hù)能力。劉一鳴等［3］提出了一種使用柔性金屬網(wǎng)來攔截導(dǎo)彈的新方法，分析來襲導(dǎo)彈彈頭所受荷載的變化及荷載隨彈體初速度、鋼絲繩直徑、彈體攻角、彈體質(zhì)量、網(wǎng)孔邊長(zhǎng)等多個(gè)指標(biāo)的變化關(guān)系；尚宇晴［4］在基于主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)板攔截系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究中提出了網(wǎng)板攔截主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的總體方案；許國(guó)杰［9］在基于主動(dòng)防護(hù)的飛網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究中建立了飛網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)攔截來襲目標(biāo)的有限元模型；清華大學(xué)李京陽(yáng)［5］在空間飛網(wǎng)兩種動(dòng)力學(xué)模型的比較研究中，研究了不同工況下牽引質(zhì)量塊的參數(shù)對(duì)飛網(wǎng)展開的影響。

本文以末敏子彈為主要攔截目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種攔截網(wǎng)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，分析了其戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)利用ABAQUS軟件對(duì)該捕獲網(wǎng)進(jìn)行建模，對(duì)其展開性能進(jìn)行了仿真分析。

2 攔截網(wǎng)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

該攔截網(wǎng)戰(zhàn)斗部由牽引塊和捕獲網(wǎng)組成，裝載在攔截網(wǎng)彈內(nèi)，彈體采用中心擴(kuò)爆式結(jié)構(gòu)。捕獲網(wǎng)通過網(wǎng)體軸線與牽引塊牢固連接，利用彈體擴(kuò)爆開艙時(shí)，牽引塊向四周分散的動(dòng)能，拉動(dòng)捕獲網(wǎng)在空中充分展開，在末敏子彈下落方向形成面積巨大的攔截網(wǎng)幕，形成對(duì)末敏子彈的包裹和纏繞。

考慮到捕獲網(wǎng)在低空、高存速條件下張開，動(dòng)載較大，要求捕獲網(wǎng)的設(shè)計(jì)滿足動(dòng)載強(qiáng)度要求?？蓮牟东@網(wǎng)材料選擇、結(jié)構(gòu)、物理性能等方面進(jìn)行研究。

2.1 捕獲網(wǎng)材料選擇

因彈丸內(nèi)腔裝填容積有限，要求捕獲網(wǎng)重量輕、體積?。?］。在彈丸開艙拋射過程中，雖已采取密封措施，但仍可能會(huì)有少量火藥氣體泄漏進(jìn)入攔截網(wǎng)艙體，故需要求捕獲網(wǎng)耐高溫、抗燒蝕；捕獲網(wǎng)裝入彈丸內(nèi)腔后，經(jīng)密封不再拆裝，要求捕獲網(wǎng)在不能通風(fēng)的條件下，具有良好的防潮能力［7］，根據(jù)捕獲網(wǎng)結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境等的要求，捕獲網(wǎng)的材料應(yīng)具有密度低、強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、抗燒蝕、易于加工和成型等特點(diǎn)［8］，同時(shí)還需要適應(yīng)長(zhǎng)期貯存。凱夫拉繩和聚乙烯繩是常用的柔性網(wǎng)繩，表1給出了兩種材料性能對(duì)比，從表中可知，聚乙烯繩強(qiáng)度是凱夫拉繩的約1.5倍，抗拉強(qiáng)度可達(dá)3.76GPa；而且相對(duì)密度低，只有0.97；滿足重量輕、體積小要求，同時(shí)，有很好的耐化學(xué)性；原料非常廣泛，成本較低。其主要缺點(diǎn)是熔點(diǎn)低，只有150℃?？紤]到捕獲網(wǎng)的性能特點(diǎn)，我們選擇聚乙烯繩作為捕獲網(wǎng)材料［8］。

表1 凱夫拉繩和聚乙烯繩性能對(duì)比

2.2 捕獲網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使捕獲網(wǎng)能夠有效攔截末敏子彈，提高攔截概率，應(yīng)對(duì)捕獲網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，要求捕獲網(wǎng)具有較好的對(duì)稱性和穩(wěn)定性，張開時(shí)受力均勻；通過增大捕獲網(wǎng)展開面積，并合理設(shè)計(jì)網(wǎng)格形狀和網(wǎng)格尺寸，可提高攔截末敏子彈的概率。同時(shí)，捕獲網(wǎng)在折疊裝配時(shí)，需保證張開過程的規(guī)律性和一致性。用六邊形或八邊形繩網(wǎng)，可使捕獲網(wǎng)完整展開，并獲得較大的展收比，考慮到彈丸內(nèi)尺寸限制，選擇六邊形繩網(wǎng)，比較利于空間安排；而從捕獲網(wǎng)的加工、折疊裝配考慮，多邊形結(jié)構(gòu)要比圓形結(jié)構(gòu)有利于初始形狀固定和相鄰邊的識(shí)別。

捕獲網(wǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是依靠從彈體內(nèi)拋出并可靠展開的，由于其質(zhì)量小、面積大，故需設(shè)計(jì)牽引塊增加其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便性，利用預(yù)制彈體爆炸后形成的破片通過牽引繩與捕獲網(wǎng)相連接，從而牽引捕獲網(wǎng)張開，達(dá)到使捕獲網(wǎng)迅速可靠展開的目的。

此外考慮柔性攔截網(wǎng)的使用要求，設(shè)計(jì)捕獲網(wǎng)外接圓直徑不小于3.5m，靜態(tài)展開面積不小于10m2。但在實(shí)際彈體飛行中，由于攔截網(wǎng)飛行姿態(tài)呈“網(wǎng)兜”狀，最大開口面積只能達(dá)到網(wǎng)靜態(tài)展開面積的60%左右，故最大有效攔截面積只可按6m2考慮。綜上，確定捕獲網(wǎng)為正六邊形結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)約為1.5m，結(jié)構(gòu)單元為平行四邊形。具體牽引塊和捕獲網(wǎng)連接關(guān)系及展開平面如圖1所示。

圖1 捕獲網(wǎng)平面示意圖

3 柔性攔截網(wǎng)拋出后的運(yùn)動(dòng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真分析

采用ABAQUS軟件對(duì)攔截網(wǎng)戰(zhàn)斗部的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有限元仿真，設(shè)置捕獲網(wǎng)所需材料為聚乙烯材質(zhì)，捕獲網(wǎng)為正六邊形結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為1.5m，每個(gè)邊分為5個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間約30cm，牽引塊取50g，牽引繩長(zhǎng)度取10cm，網(wǎng)繩直徑為5mm，彈體飛行速度為110m/s，攔截網(wǎng)戰(zhàn)斗部飛行角度為5°，捕獲網(wǎng)為了防止相互纏繞，而且可使捕獲網(wǎng)展開面積迅速達(dá)到最大，增加相應(yīng)時(shí)間，折疊方式為六角星形折疊方式［10］，通過外力使捕獲網(wǎng)折疊成類似六角星的形狀，具體折疊方式如圖2所示。

圖3和圖4顯示在上述捕獲網(wǎng)折疊方式下，捕獲網(wǎng)從彈體拋出后，在牽引塊的牽引帶動(dòng)下其捕獲網(wǎng)迅速?gòu)堥_截圖。圖5顯示其攔截網(wǎng)在拋出后，其速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可以看出，攔截網(wǎng)在拋出瞬間，由于火藥氣體的推動(dòng)，此時(shí)速度達(dá)到最大，而后由于空氣阻力的影響，速度急劇下降，當(dāng)速度降到40m/s時(shí)，其下降速率趨于平滑。圖6顯示攔截網(wǎng)的飛行時(shí)間和網(wǎng)有效展開面積之間的關(guān)系。從圖中可以看出攔截網(wǎng)在拋出后展開面積逐步增大，在0.2s左右時(shí)，面積達(dá)到最大，為6.2m2。而后面積逐步減小。

圖3 捕獲網(wǎng)80ms運(yùn)動(dòng)圖

圖4 捕獲網(wǎng)150ms運(yùn)動(dòng)圖

圖5 攔截網(wǎng)飛行速度隨時(shí)間變化曲線

圖6 攔截網(wǎng)有效攔截面積隨時(shí)間變化曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為便于實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，選擇在天氣良好、無風(fēng)的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，彈丸發(fā)射后，利用高速攝像機(jī)觀測(cè)攔截網(wǎng)戰(zhàn)斗部起爆、攔截網(wǎng)展開等情況，然后通過標(biāo)志桿等測(cè)量計(jì)算出捕獲網(wǎng)的飛行時(shí)間、速度、攔截網(wǎng)展開面積等重要參數(shù)［11］。通過實(shí)驗(yàn)，捕獲網(wǎng)在實(shí)驗(yàn)中展開性良好，大約在網(wǎng)彈發(fā)射約200ms左右達(dá)到最大值，而后逐漸減小，沒有強(qiáng)烈的擾動(dòng)現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 繩網(wǎng)發(fā)射實(shí)際展開圖

結(jié)合高速相機(jī)拍攝情況，對(duì)捕獲網(wǎng)展開面積計(jì)算得到實(shí)際展開面積值，與仿真實(shí)驗(yàn)所得到結(jié)果相似，驗(yàn)證了仿真的正確性。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)捕獲網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化了裝甲目標(biāo)的主動(dòng)攔截系統(tǒng)，分析了攔截網(wǎng)的各類參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。并建立了有限元模型，同時(shí)，利用ABAQUS軟件，對(duì)捕獲網(wǎng)拋撒模型進(jìn)行了仿真，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證［12］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）柔性攔截網(wǎng)在此設(shè)計(jì)條件和結(jié)構(gòu)模型下，可以迅速展開。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，符合功能需要。

2）柔性攔截網(wǎng)其運(yùn)動(dòng)速度是逐漸減小的，但前期速度變化快，后期速度變化慢。當(dāng)捕獲網(wǎng)初速達(dá)到110m/s時(shí)，其展開面積在0.2s時(shí)達(dá)到最大值，其有效攔截面積大于4m2，此時(shí)其攔截效果達(dá)到最佳。

3）在主動(dòng)攔截防護(hù)系統(tǒng)中采用柔性攔截網(wǎng)的方式，采用特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期的攔截效果?？蔀閿r截低小慢目標(biāo)提供一種新思路。