張開可控式捕捉網(wǎng)彈設(shè)計(jì)及仿真分析

劉 升,劉加凱,馮建偉,鄒攀攀

(武警工程大學(xué) 裝備管理與保障學(xué)院, 西安 710086)

0 引言

面對日益復(fù)雜的社會環(huán)境,反恐防暴成為各國政府面臨的嚴(yán)峻課題。捕捉網(wǎng)系統(tǒng)作為反恐防暴裝備器材之一,因具有良好的阻滯、捕獲及非致命性等特點(diǎn),而被廣泛應(yīng)用于抓捕、伏擊犯罪分子等場景。捕捉網(wǎng)彈作為捕捉網(wǎng)系統(tǒng)的一種,因克服傳統(tǒng)捕捉網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、連發(fā)效率低、有效作用距離近等缺點(diǎn),正逐漸成為未來捕捉網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者及機(jī)構(gòu)均對捕捉網(wǎng)彈進(jìn)行了研究。申晨等[1]針對現(xiàn)有捕捉網(wǎng)系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作難度大等問題,設(shè)計(jì)了一種一體化的26.5 mm繩網(wǎng)彈,可以借助多功能防暴警棍發(fā)射,具有體積小、質(zhì)量輕、操作方便等特點(diǎn);胡明等[2]針對傳統(tǒng)網(wǎng)彈發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間長、二次擊發(fā)效率低等問題,設(shè)計(jì)了一種電點(diǎn)火具點(diǎn)火、發(fā)射藥引燃的新型網(wǎng)彈,并對其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究;國外美國福斯特·米勒公司研制了Grab系列網(wǎng)彈,可使用普通37～40 mm口徑武器發(fā)射,有效作用距離達(dá)30 m,而時(shí)間僅需0.1 s[3]?？傮w來看,現(xiàn)有捕捉網(wǎng)彈雖具備操作簡單、發(fā)射靈活、有效作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),但是面對抓捕目標(biāo)逃跑、躲閃等情況,同時(shí)也存在拋撒時(shí)機(jī)不可控、處置不靈活等缺點(diǎn)。

捕捉網(wǎng)的有效展開是網(wǎng)彈成功抓捕目標(biāo)的關(guān)鍵,但目前針對此方面的研究還鮮有報(bào)道,相關(guān)研究主要集中在空間非合作目標(biāo)清除、反無人機(jī)繩網(wǎng)捕獲等領(lǐng)域。如劉海濤等[4]針對地面環(huán)境及太空環(huán)境下的不同受力特性,建立了空間繩網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型,并仿真分析了空間繩網(wǎng)展開過程中的動(dòng)力學(xué)特性;高慶玉等[5]借鑒降落傘“先拉出、后展開”的思想,提出了一種空間繩網(wǎng)二級拉出展開模型,可有效克服繩網(wǎng)打結(jié)、纏繞等問題;Shan等[6]基于彈簧質(zhì)量模型和ANCF模型建立了空間繩網(wǎng)的2種柔性動(dòng)力學(xué)模型,仿真分析了柔性模型自由度對繩網(wǎng)展開運(yùn)動(dòng)的影響,并對比了2種模型的計(jì)算效率;魏遠(yuǎn)旺等[7]針對無人機(jī)“黑飛”問題,研究了柔性繩網(wǎng)攔截?zé)o人機(jī)的展開及捕捉性能,并基于Abaqus軟件對攔截過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析;Xiang等[8]提出了一種基于磁阻電磁發(fā)射器的反無人機(jī)飛網(wǎng)發(fā)射技術(shù),針對飛網(wǎng)的非線性大變形問題,建立了梁單元?jiǎng)恿W(xué)模型,并對飛網(wǎng)的展開過程進(jìn)行了仿真分析。

本文中針對現(xiàn)有捕捉網(wǎng)彈存在的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于近感探測技術(shù)的張開可控式捕捉網(wǎng)彈;基于捕捉網(wǎng)繩力學(xué)特點(diǎn),建立了考慮空氣動(dòng)力及重力影響下的捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型,對其展開過程進(jìn)行了仿真分析,并重點(diǎn)分析了地面風(fēng)速對捕捉網(wǎng)展開效果的影響,以期為未來張開可控式捕捉網(wǎng)彈的研制提供理論支撐。

1 張開可控式捕捉網(wǎng)彈設(shè)計(jì)

1.1 捕捉網(wǎng)彈總體設(shè)計(jì)

張開可控式捕捉網(wǎng)彈主要由藥筒組件、戰(zhàn)斗部組件和近感探測引信等3個(gè)部分組成,如圖1所示,其中藥筒組件采用標(biāo)準(zhǔn)制式結(jié)構(gòu),戰(zhàn)斗部組件包括分離火藥、拋撒裝置、密封圈、牽引塊、捕捉網(wǎng)、捕捉網(wǎng)套及彈體,近感探測引信內(nèi)含電源模塊、安全保險(xiǎn)模塊及近感探測模塊。戰(zhàn)斗部組件前端與近感探測引信連接一起構(gòu)成張開可控式捕捉網(wǎng)彈的彈丸組件,并內(nèi)藏于藥筒中。

1.藥筒; 2.發(fā)射火藥; 3.分離火藥; 4.拋撒裝置; 5.密封圈; 6.牽引塊; 7.捕捉網(wǎng); 8.捕捉網(wǎng)套; 9.彈體; 10.近感探測引信

該捕捉網(wǎng)彈工作流程為:當(dāng)捕捉目標(biāo)出現(xiàn)后,捕捉網(wǎng)彈在通用槍械或發(fā)射器擊發(fā)下點(diǎn)燃發(fā)射火藥,火藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體將彈丸組件射出藥筒;彈丸組件飛行慣性將近感探測引信中的安全保險(xiǎn)模塊解鎖,電源模塊啟動(dòng)并激活近感探測模塊,其不間斷高頻次探測彈丸組件與目標(biāo)對象之間的距離;當(dāng)探測的距離小于設(shè)定閾值時(shí),近感探測模塊瞬間向拋撒裝置發(fā)出點(diǎn)火信號,引燃分離火藥,進(jìn)而炸開彈體并射出牽引塊,捕捉網(wǎng)在牽引塊的帶動(dòng)下迅速張開,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)對象的抓捕。

1.2 捕捉網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

捕捉網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)型和構(gòu)型2個(gè)方面[9]。出于繩網(wǎng)受力均勻及便于折疊需要,一般捕捉網(wǎng)網(wǎng)型都設(shè)計(jì)成正多邊形,且每個(gè)頂點(diǎn)都對應(yīng)一個(gè)牽引點(diǎn),通過牽引繩與牽引塊相連。相關(guān)研究表明,捕捉網(wǎng)牽引點(diǎn)過多,會增加系統(tǒng)復(fù)雜度,易發(fā)生纏繞;牽引點(diǎn)過少,易出現(xiàn)發(fā)射偏斜,影響捕捉網(wǎng)展開面積,因此一般都選擇正六邊形網(wǎng)型[10]。構(gòu)型是另一個(gè)影響捕捉網(wǎng)性能的重要因素,常用的構(gòu)型有三邊形、四邊形及六邊形,在不產(chǎn)生面內(nèi)局部壓縮和褶皺的情況下,四邊形構(gòu)型可以承受更大的剪切變形[9],可以更好地滿足折疊收納要求。綜合以上因素,將捕捉網(wǎng)設(shè)計(jì)成四邊形構(gòu)型的正六邊形網(wǎng)型。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11],99%成年人身高均在1 814 mm以下,為能夠罩住絕大數(shù)捕捉目標(biāo),捕捉網(wǎng)外接圓直徑設(shè)計(jì)為2 240 mm;此外成年男性平均最大頭寬為154 mm,成年女性平均最大頭寬為149 mm,為覆蓋捕捉目標(biāo)頭部,捕捉網(wǎng)四邊形構(gòu)型的邊長設(shè)計(jì)為140 mm,牽引繩長度設(shè)計(jì)為70 mm,最終設(shè)計(jì)的捕捉網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。捕捉網(wǎng)的材質(zhì)選擇阻燃耐高溫的Kevlar49纖維材料,纖維繩直徑設(shè)計(jì)為0.5 mm。

圖2 捕捉網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.3 近感探測引信設(shè)計(jì)

近感探測引信用于控制捕捉網(wǎng)拋撒時(shí)機(jī),為實(shí)現(xiàn)捕捉網(wǎng)彈定距近炸,近感探測模塊基于激光幾何截?cái)喽ň嗵綔y原理實(shí)現(xiàn),圖3為近感探測引信信號處理電路。捕捉網(wǎng)彈發(fā)射后,加速度計(jì)檢測發(fā)射后坐力,當(dāng)超過設(shè)定閾值后,向微處理器發(fā)送信號進(jìn)而啟動(dòng)近感探測模塊工作,捕捉網(wǎng)彈處于目標(biāo)搜索狀態(tài),當(dāng)探測距離小于設(shè)定閾值時(shí)發(fā)送點(diǎn)火信號,實(shí)現(xiàn)捕捉網(wǎng)的拋撒。

圖3 引信信號處理電路

為確保捕捉網(wǎng)彈平時(shí)勤務(wù)處理安全、戰(zhàn)時(shí)發(fā)射過程可靠,近感探測引信采用了冗余安全保險(xiǎn)設(shè)計(jì),如圖4所示,只有當(dāng)發(fā)射火藥熔斷短路保險(xiǎn)且戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)慣性使加速度保險(xiǎn)閉合,電路中三極管才能導(dǎo)通,近感探測模塊才能工作。

1.電源; 2.加速度保險(xiǎn); 3.短路保險(xiǎn); 4.近感探測模塊; 5.點(diǎn)火裝置

2 捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)建模及求解

2.1 捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)建模

捕捉網(wǎng)屬于典型的多柔體、非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),目前主要有集中質(zhì)量法、絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法等2種離散建模方法,2種方法計(jì)算結(jié)果基本一致,但集中質(zhì)量法計(jì)算效率更高[12],本文采用集中質(zhì)量法進(jìn)行建模。集中質(zhì)量法的基本原理是:將捕捉網(wǎng)離散為若干個(gè)繩單元,將繩單元質(zhì)量均勻分布于其兩端的繩節(jié)點(diǎn)上;然后再將繩單元等效為只能承拉而不能承壓的彈簧阻尼單元;最終將整個(gè)捕捉網(wǎng)系統(tǒng)簡化為由若干個(gè)離散繩單元組成的多體動(dòng)力學(xué)模型。具體建模中,首先計(jì)算捕捉網(wǎng)各繩單元所受的內(nèi)力與外力,然后再聯(lián)立各繩節(jié)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)方程,通過求解動(dòng)力學(xué)方程最后獲得捕捉網(wǎng)系統(tǒng)各繩節(jié)點(diǎn)的位移。

2.1.1繩單元內(nèi)力計(jì)算

對于捕捉網(wǎng)繩單元m,兩端的繩節(jié)點(diǎn)分別記為i和j,其在捕捉網(wǎng)全局坐標(biāo)系中的矢量位置分別為ri和rj,則繩單元m內(nèi)所受的內(nèi)力Tm為[13]:

(1)

(2)

(3)

式(2)中,lm為繩單元初始長度。

2.1.2繩單元外力計(jì)算

不同于空間非合作目標(biāo)清除,捕捉網(wǎng)在近地面展開,將受到空氣動(dòng)力及重力等外力影響,致使捕捉網(wǎng)不能完全展開[14],因此在捕捉網(wǎng)建模中必須考慮空氣動(dòng)力和重力的影響。

(4)

(5)

(6)

捕捉網(wǎng)繩單元m所受的重力為:

Gm=ρAmlmg

(7)

式(7)中:ρ為繩網(wǎng)密度;Am為繩單元橫截面積;g為重力加速度。

2.1.3捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型建立

對于捕捉網(wǎng)繩節(jié)點(diǎn),根據(jù)牛頓第二定律:

(8)

式(8)中:mi為繩單元在節(jié)點(diǎn)處的等效質(zhì)量;Ω為所有與繩節(jié)點(diǎn)i相連的繩單元集合。

對于整個(gè)捕捉網(wǎng)系統(tǒng),其動(dòng)力學(xué)方程可以描述為:

(9)

式(9)中:M為各繩節(jié)點(diǎn)等效質(zhì)量構(gòu)成的質(zhì)量矩陣;r為各繩節(jié)點(diǎn)位移矩陣;F為各繩節(jié)點(diǎn)所受內(nèi)力和外力和構(gòu)成的矩陣。

2.2 捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型求解

根據(jù)式(9)可知,捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型是一組二階微分方程,為獲取捕捉網(wǎng)各繩節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻的位移,需要對該方程進(jìn)行數(shù)值積分求解。本文綜合考慮計(jì)算精度及計(jì)算效率,采用自適應(yīng)四階龍格庫塔方法進(jìn)行數(shù)值求解。

對于式(9),可以將其表示為:

(10)

(11)

對時(shí)間進(jìn)行離散處理,時(shí)間步長增量設(shè)為h,則(k+1)時(shí)刻的位移可以由k時(shí)刻的位移、速度表示為:

(12)

使用式(12)求解捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí),需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置時(shí)間步長,此勢必會造成程序計(jì)算精度與計(jì)算效率無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu),而自適應(yīng)步長方法卻可以很好地解決此問題。自適應(yīng)步長方法可以根據(jù)當(dāng)前步長及當(dāng)前半個(gè)步長下的計(jì)算誤差自動(dòng)調(diào)整步長大小,在保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率,其求解流程如圖5所示。

圖5 捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型求解流程

3 捕捉網(wǎng)展開仿真分析

為驗(yàn)證本文所建立的捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型的正確性,對捕捉網(wǎng)展開過程進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,仿真中忽略近感探測模塊、空氣攝動(dòng)等因素對繩網(wǎng)的影響。如圖2所示,以捕捉網(wǎng)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)、自由展開面為XOY平面、水平發(fā)射方向?yàn)閆軸建立捕捉網(wǎng)全局坐標(biāo)系;以捕捉網(wǎng)各繩段連接點(diǎn)長度劃分繩單元,建立捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型。仿真分析中用到的捕捉網(wǎng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 捕捉網(wǎng)主要仿真參數(shù)

3.1 無風(fēng)條件下捕捉網(wǎng)展開過程

假設(shè)捕捉網(wǎng)彈發(fā)射區(qū)域?yàn)闊o風(fēng)區(qū),對捕捉網(wǎng)展開過程進(jìn)行仿真分析。圖6為不同時(shí)刻捕捉網(wǎng)展開過程的仿真結(jié)果,由圖6可知,捕捉網(wǎng)發(fā)射后首先以束狀形式線性拉出,之后再帶動(dòng)周圍繩段節(jié)點(diǎn)不斷展開,捕捉網(wǎng)網(wǎng)口面積不斷增大,達(dá)到最大后又不斷收縮至完全合攏。受空氣動(dòng)力及重力影響,捕捉網(wǎng)始終跟隨牽引塊運(yùn)動(dòng),捕捉網(wǎng)不能完全展開至最大面積,且6個(gè)牽引塊所構(gòu)成的展開面法向不斷向重力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖6 不同時(shí)刻捕捉網(wǎng)展開仿真結(jié)果

捕捉網(wǎng)從發(fā)射到成功抓捕是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,可以用展開面積、飛行距離、有效作用距離等3個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述[16]。展開面積定義為捕捉網(wǎng)6個(gè)牽引點(diǎn)在垂直于發(fā)射方向上投影所圍成的面積,其表示捕捉網(wǎng)所能覆蓋的范圍;飛行距離為6個(gè)牽引塊質(zhì)心在發(fā)射方向上的投影,其表示捕捉網(wǎng)能夠捕捉的距離;有效作用距離為捕捉網(wǎng)展開面積大于某一給定值(取60%自由展開面積)的飛行距離,表示捕捉網(wǎng)能夠有效覆蓋抓捕對象的運(yùn)動(dòng)距離。

圖7、圖8分別為仿真獲得的捕捉網(wǎng)展開面積及飛行距離變化曲線。

圖7 展開面積隨飛行距離變化曲線

由圖7可知,捕捉網(wǎng)展開面積隨飛行距離的增加先增大后減小,因此其展開過程可分為展開和收縮2個(gè)階段;捕捉網(wǎng)從展開到收縮整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間為0.644 s,飛行距離為5.817 m,但是有效作用距離僅為2.11 m(圖7中紅線);在2.963 m飛行距離(0.138 5 s時(shí)刻)處,捕捉網(wǎng)展開面積達(dá)到最大值3.093 m2,占自由展開面積的84.07%;捕捉網(wǎng)飛行距離隨飛行時(shí)間非線性變化,此主要是由捕捉網(wǎng)繩阻尼效應(yīng)引起。

圖8 飛行距離隨飛行時(shí)間變化曲線

3.2 地面風(fēng)速對捕捉網(wǎng)展開的影響

張開可控式捕捉網(wǎng)彈遂行的任務(wù)場景是多種多樣的,多數(shù)時(shí)候會受地面風(fēng)速影響。了解地面風(fēng)速對捕捉網(wǎng)展開效果的影響,對捕捉網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)及正確使用至關(guān)重要。相關(guān)研究表明,我國多年來平均地面風(fēng)速為2.14 m/s[17];本文以此地面風(fēng)速為設(shè)置條件,對捕捉網(wǎng)彈在無風(fēng)、橫風(fēng)、逆風(fēng)及順風(fēng)條件的展開情況進(jìn)行研究。圖9為不同方向地面風(fēng)速下捕捉網(wǎng)展開面積隨飛行距離的變化曲線,由圖9可知,在無風(fēng)與橫風(fēng)情況下捕捉網(wǎng)展開過程基本一致,對捕捉網(wǎng)最大展開面積幾乎無影響;而逆風(fēng)會加快捕捉網(wǎng)展開過程,減小捕捉網(wǎng)有效作用距離;順風(fēng)則會延緩捕捉網(wǎng)展開過程,增加捕捉網(wǎng)有效作用距離。

圖9 不同方向地面風(fēng)速對展開面積的影響

圖10為不同方向地面風(fēng)速下捕捉網(wǎng)飛行距離隨時(shí)間的變化曲線,由圖10同樣可得出,順風(fēng)會增加捕捉網(wǎng)有效工作距離而逆風(fēng)會減小有效工作距離。表2為不同方向地面風(fēng)速下捕捉網(wǎng)有效作用距離,由表2可知,在年平均地面風(fēng)速作用下,而相對于無風(fēng)條件,順風(fēng)使捕捉網(wǎng)有效工作距離增加23.0%,而逆風(fēng)使捕捉網(wǎng)有效作用距離減小20.9%。因此在張開可控式捕捉網(wǎng)彈使用中,為增加有效捕捉距離,應(yīng)盡量順著風(fēng)向發(fā)射捕捉網(wǎng)。

圖10 不同方向地面風(fēng)速對飛行距離的影響

4 結(jié)論

本文中針對現(xiàn)有捕捉網(wǎng)彈存在的拋撒時(shí)機(jī)不可控、處置不靈活等問題,設(shè)計(jì)了一種基于近感探測技術(shù)的張開可控式捕捉網(wǎng)彈。建立了考慮空氣動(dòng)力及重力影響的捕捉網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型,并對有無地面風(fēng)速下的捕捉網(wǎng)展開過程進(jìn)行了仿真,得到的主要結(jié)論如下:

1) 所設(shè)計(jì)張開可控式捕捉網(wǎng)彈可實(shí)時(shí)探測、追蹤目標(biāo)對象,能有效克服抓捕對象逃跑、躲閃帶來的拋撒時(shí)機(jī)不可控、處置不靈活等問題。

2) 捕捉網(wǎng)展開過程分為展開和收縮2個(gè)階段,在此過程中捕捉網(wǎng)展開面積先增大后減小;在無風(fēng)條件下,在2.963 m飛行距離(0.138 5 s時(shí)刻)處,捕捉網(wǎng)展開面積達(dá)到最大值3.093 m2,占自由展開面積的84.07%,有效作用距離達(dá)2.11 m。

3) 在年平均地面風(fēng)速作用下,橫風(fēng)基本對捕捉網(wǎng)展開過程無影響,而相對于無風(fēng)條件,順風(fēng)會使捕捉網(wǎng)有效工作距離增加23.0%,逆風(fēng)使捕捉網(wǎng)有效作用距離減小20.9%。