徐英麥，杜茂華，王偉力，盧明章，田述棟

（1.91049 部隊，山東 青島 266102；2.海軍航空工程學(xué)院 a.七系；b.兵器科學(xué)與技術(shù)系，山東 煙臺 264001；）

直接碰撞殺傷(hit to kill，HTK)是在傳統(tǒng)的防空反導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)上，取消大質(zhì)量非觸發(fā)爆炸式戰(zhàn)斗部而以直接命中方式殺傷目標(biāo)的一種新興反導(dǎo)武器技術(shù)，代表著反導(dǎo)武器面向未來高技術(shù)戰(zhàn)場反導(dǎo)作戰(zhàn)需求的一個重要發(fā)展方向。

自20世紀(jì)70年代以來，美國已經(jīng)先后研制并試驗了多種類型的動能攔截彈。動能攔截彈靠高速運動所具有的巨大動能毀傷來襲目標(biāo)，降低來襲目標(biāo)的作戰(zhàn)效能。

在HTK反導(dǎo)模式下，毀傷元的形狀對艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥的毀傷效應(yīng)具有重要影響。本文在分析反艦導(dǎo)彈目標(biāo)易損性的基礎(chǔ)上，分別就尖頭毀傷元和鈍頭毀傷元對反艦導(dǎo)彈靶板的毀傷效應(yīng)進(jìn)行了研究。

1 反艦導(dǎo)彈易損性及毀傷模式分析

西方海軍對“捕鯨叉”導(dǎo)彈和“飛魚”導(dǎo)彈的使用率長期居反艦導(dǎo)彈之首，其各種性能仍在不斷提高。

分析國外現(xiàn)役的各種反艦導(dǎo)彈，其組成部分主要包括彈體、彈翼、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)、動力裝置和引戰(zhàn)系統(tǒng)等。彈體一般有良好的氣動外形以減少空氣阻力，彈體頭部多為流線形，彈體截面多為圓形。彈體較為細(xì)長，彈體通常用鋁合金或復(fù)合材料等制成。為了便于維護(hù)使用，反艦導(dǎo)彈彈體多采用分段模塊化設(shè)計。反艦導(dǎo)彈典型彈體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 反艦導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)示意圖

反艦導(dǎo)彈的易損性是反導(dǎo)武器的毀傷特性和反艦導(dǎo)彈本身的物理特性的函數(shù)[1]。反艦導(dǎo)彈的物理特性包括：幾何結(jié)構(gòu)、硬度、關(guān)鍵性部件的數(shù)量和位置，以及決定一次命中能引起的毀傷或使其失去戰(zhàn)斗能力的總概率的其他特性[2]。本文主要研究毀傷元頭部形狀對導(dǎo)彈的穿甲毀傷效應(yīng)的影響。

目前，艦艇反導(dǎo)作戰(zhàn)主要是使用艦載防空導(dǎo)彈、艦炮對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行攔截，它們主要是通過破片式對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行殺傷；另外，對反艦導(dǎo)彈進(jìn)行電子干擾，使其制導(dǎo)控制系統(tǒng)功能失?；蚴ВM(jìn)而使反艦導(dǎo)彈偏離目標(biāo)。反艦導(dǎo)彈的毀傷分為結(jié)構(gòu)毀傷和功能毀傷。因此，對反艦導(dǎo)彈毀傷級別的定義中，反艦導(dǎo)彈毀傷度分為K 和C 2級[3]。

K級毀傷：導(dǎo)彈立即解體；

C級毀傷：不能完成預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)。

造成K級毀傷的原因主要是在破片作用下，反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸，或者燃油箱著火或爆炸，再者可能是破片作用下導(dǎo)彈彈翼折斷。K級毀傷的毀傷樹如圖2所示。

圖2 K級毀傷的毀傷樹

造成C級毀傷的原因主要是反艦導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和引戰(zhàn)系統(tǒng)受創(chuàng)，造成反艦導(dǎo)彈不能完成預(yù)定的作戰(zhàn)任務(wù)。可能具有一定的毀傷元破片的硬殺傷和電子干擾手段的軟殺傷能力。C級毀傷的毀傷樹如圖3所示。

圖3 C級毀傷的毀傷樹

2 HTK反導(dǎo)毀傷機(jī)理分析

1)HTK反導(dǎo)毀傷機(jī)理。HTK反導(dǎo)模式下，當(dāng)毀傷元以其具有的巨大動能對來襲反艦導(dǎo)彈進(jìn)行侵徹毀傷時，其侵徹穿甲過程屬于高速沖擊動力學(xué)研究范疇。侵徹過程中，當(dāng)毀傷元撞擊靶板所產(chǎn)生的應(yīng)力高于靶板材料的強(qiáng)度極限時，靶板將發(fā)生破壞[4-7]。最常見的破壞形式歸納起來主要以沖塞穿甲、花瓣型穿甲、延性擴(kuò)孔穿甲。薄板穿甲問題的破壞模式與毀傷元速度、頭部形狀、靶板材料和靶板厚度等因素關(guān)系密切。毀傷元頭部外形是影響侵徹穿甲過程的主要因素，尖頭毀傷元對撞擊靶板的破壞主要集中在彈體軸線的四周，如圖4所示；平頭毀傷元對靶體的破壞涉及到以碰撞點為圓心的一個圓柱面或一個圓錐面，如圖5所示。

圖4 尖頭毀傷元侵徹薄板破壞模式

圖5 平頭毀傷元侵徹靶板毀傷模式

2)HTK反導(dǎo)對來襲反艦導(dǎo)彈的毀傷特點。當(dāng)毀傷元與來襲反艦導(dǎo)彈相對速度較高時，穿甲沖擊目標(biāo)靶板后會引起撞擊區(qū)域較大范圍內(nèi)的變形與破壞：

①當(dāng)毀傷元頭部為錐角時。毀傷元侵徹薄靶板的過程中，頭部先壓過靶板，使靶板材料在頭部錐體壓力作用下產(chǎn)生剪切滑移變形，并貼合于錐形頭部表面，尤其錐角大于π/4時，在靶板背面形成錐形隆起，在頭部繼續(xù)前進(jìn)運動下，與彈尖端接觸部分最先破裂，隨著裂紋的進(jìn)一步延伸形成花瓣型破壞。

②當(dāng)毀傷元頭部為平頭形時。毀傷元撞擊薄靶板的過程中，在靶板內(nèi)引起順著撞擊方向的位移，在撞擊區(qū)域周邊造成靶板材料的剪切變形。當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，毀傷元頭部前方的材料與靶材發(fā)生剪切斷裂，形成沖塞破壞。

根據(jù)上述特點，艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥采用HTK反導(dǎo)模式時，尖頭毀傷元破壞模式為錐形隆起—花瓣型破壞，平頭毀傷元破壞模式為沖塞式破壞。整個穿甲過程中尖頭毀傷元消耗的動能主要是通過靶板隆起變形和花瓣形成所吸收，而花瓣形成是由裂縫的擴(kuò)展和花瓣彎曲的方式完成的；平頭毀傷元消耗的動能主要是靶板剪切變形和沖塞體形成所吸收，而沖塞體的形成是由靶板剪切變形和沖塞體斷裂完成的。

3 HTK反導(dǎo)對反艦導(dǎo)彈穿甲毀傷效應(yīng)動態(tài)分析

由于試驗的復(fù)雜性和反艦導(dǎo)彈的特殊性以及經(jīng)濟(jì)性，在進(jìn)行HTK反導(dǎo)模式下艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥毀傷效應(yīng)研究時，不可能進(jìn)行系統(tǒng)性的實驗研究。我們采用 LS-DYNA 線性有限元程序研究HTK反導(dǎo)模式下動能穿甲過程的物理現(xiàn)象和本質(zhì)[8]及其HTK反導(dǎo)對反艦導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)。

由于毀傷元直徑遠(yuǎn)小于反艦導(dǎo)彈彈體直徑，計算時，反艦導(dǎo)彈可等效為平板。在研究中，艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥的動能毀傷元采用 Plastic-Kinematic模型，來襲反艦導(dǎo)彈材料選用考慮應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)的Johnson-cook 材料模型和Grüneisen 狀態(tài)方程。

根據(jù)對典型來襲反艦導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的分析，目標(biāo)靶板設(shè)計為單層16 mm 厚4340 鋼靶，動能毀傷元采用93#鎢，頭部形狀分別為尖頭錐形和平頭圓柱形2種，2種毀傷元質(zhì)量相等、彈徑相同，都為10 mm，計算有限元模型如圖6所示，計算中采用的主要參數(shù)見表1[9]、表2和表3[10]。

圖6 動能毀傷元侵徹單層靶有限元模型

表1 材料Plastic-kinematic模型參數(shù)

表2 材料John-cook模型參數(shù)

表3 材料Grüneisen 狀態(tài)方程參數(shù)

數(shù)值計算模型的建立基于以下假設(shè)：HTK反導(dǎo)模式下，艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥毀傷元和目標(biāo)靶板結(jié)構(gòu)材料為均勻連續(xù)介質(zhì)；材料的初始應(yīng)力為0，不計空氣阻力，不考慮重力的作用。為了比較預(yù)測效果，按照相對速度由225～400 m/s 每隔25 m/s為間距進(jìn)行規(guī)律性、機(jī)理性的系統(tǒng)模擬，獲得的2種破壞模型下速度歷史曲線如圖7所示。

圖7 不同毀傷元在不同速度下的速度時間歷程圖

從圖7中可以看出，初速相同的情況下，穿靶后尖頭毀傷元的剩余速度大于平頭毀傷元的剩余速度。

在穿甲侵徹過程中，由于毀傷元頭部形狀的影響，不同形狀的毀傷元所受阻力不同，從而使得不同毀傷元所受過載也不相同。在尖頭毀傷元侵徹穿甲時，加速度與速度方向反向逐漸增大至峰值，然后逐漸減小。這是由于尖頭毀傷元在侵徹過程中，毀傷元與靶板的接觸面積逐漸增加，當(dāng)毀傷元的尖頭部分全部穿入靶板時，毀傷元與靶板的接觸面積在靶板法向達(dá)到最大值，此時毀傷元的加速度達(dá)到最大值；隨著毀傷元的侵入，當(dāng)毀傷元頭部開始貫穿靶板瞬間，毀傷元與靶板接觸面積開始減少，使得毀傷元所受阻力開始減小，因而加速度值開始下降。當(dāng)平頭毀傷元侵徹靶板時，靶板與毀傷元接觸部分開始發(fā)生彈性變形，然后發(fā)生塑性變形；在接觸面作用下，使毀傷元受到靶板的阻力而減速。

HTK反導(dǎo)模式下，毀傷元靠其本身所具有的巨大動能侵徹貫穿目標(biāo)靶板，其消耗的動能一部分轉(zhuǎn)化為本身的內(nèi)能，剩余部分用于侵徹目標(biāo)靶板做功。在侵徹目標(biāo)靶板的過程中，由于毀傷元與靶板的相互摩擦作用，毀傷元頭部存在磨蝕，尖頭毀傷元頭部磨蝕較為嚴(yán)重，但平頭毀傷元整體磨蝕質(zhì)量大于尖頭毀傷元的整體磨蝕質(zhì)量。從圖8可以看出，尖頭毀傷元的剩余動能大于平頭毀傷元。

圖8 不同毀傷元在不同速度下的動能時間歷程圖

綜上分析，在HTK反導(dǎo)模式下，尖頭毀傷元穿透來襲反艦導(dǎo)彈的相同部位所消耗的動能低于平頭毀傷元所消耗的動能。

4 結(jié)束語

本文在研究反艦導(dǎo)彈的易損特性的基礎(chǔ)上，分析了HTK反導(dǎo)模式下不同形狀的毀傷元對反艦導(dǎo)彈的毀傷機(jī)理，并利用有限元方法動態(tài)分析了2種形狀的毀傷元在相同速度下對反艦導(dǎo)彈的毀傷效應(yīng)，為艦載超近程反導(dǎo)智能彈藥的設(shè)計和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，同時對反艦導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)設(shè)計和抗毀傷設(shè)計具有重要的參考價值。

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