金學(xué)科，余慶波，鄭元楓，王海福

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081)

0 引言

直接碰撞殺傷技術(shù)是當(dāng)前攔截彈道導(dǎo)彈彈頭最重要的手段之一，其主要特點是利用高精度動能攔截器末端遭遇高速/超高速直接碰撞作用，實現(xiàn)對來襲彈道導(dǎo)彈彈頭有效載荷的攔截和毀傷［1］，如美國陸基中段反導(dǎo)系統(tǒng)采用的外大氣層動能殺傷攔截器(EKV)、?；卸畏磳?dǎo)系統(tǒng)采用的輕質(zhì)外大氣層射彈(LEAP)等［2］。然而，由于受彈頭有效載荷位置、攔截瞄準(zhǔn)點、攔截器制導(dǎo)精度、幾何尺寸以及碰撞位置、角度等因素的影響，即便在成功遭遇的情況下，能否一舉摧毀來襲彈道導(dǎo)彈彈頭有效載荷仍存在相當(dāng)大的技術(shù)風(fēng)險［3］，特別是對子母式化學(xué)或生物彈頭攔截，一旦未被摧毀的盛裝化學(xué)或生物戰(zhàn)劑的子彈落入地面，將對地面環(huán)境和人員安全造成巨大威脅［4］。

有關(guān)動能攔截器作用彈道導(dǎo)彈子母彈頭有效載荷毀傷效應(yīng)評估問題，美國洛克希德·馬丁公司McHenry 等基于TATE 侵坑理論，建立了ALPHAKV 和OPTKV 分析模型［5］，荷蘭國防研究院Doup等從攔截器貫穿遭遇彈道出發(fā)，提出了體積重疊分析模型［6］，美國勞斯·阿拉莫斯國家試驗室采用SPHINX 專用分析代碼［7］，對生化子彈毀傷行為進行了研究。試驗研究方面，由于受地面大質(zhì)量侵徹體高速/超高速發(fā)射技術(shù)的制約，國內(nèi)外公開發(fā)表的系統(tǒng)性研究成果并不多［8-9］。本文通過爆炸形成大質(zhì)量高速侵徹體碰撞化學(xué)子母彈頭有效載荷簡化結(jié)構(gòu)的模擬試驗，并結(jié)合體積重疊分析，進行了碰撞位置對其毀傷效應(yīng)的影響研究，結(jié)果可為彈道導(dǎo)彈動能攔截瞄準(zhǔn)點選擇提供有益參考。

1 試驗方法

1.1 化學(xué)子母彈頭有效載荷簡化模型

參照PAC-3 導(dǎo)彈攔截試驗采用的“風(fēng)暴”化學(xué)子母彈頭靶標(biāo)［10］，其有效載荷段簡化結(jié)構(gòu)模型如圖1(a)所示，主要由子彈、殼體(蒙皮)和隔板等三部分組成，子彈分3 層排布，第1、第2 和第3 層子彈數(shù)分別為18 枚、12 枚和8 枚，共38 枚，排布方式如圖1(b)所示。截圓柱形殼體上、下底徑分別為220 mm和320 mm，高419 mm，厚2 mm，材料為45#鋼。隔板為LY12 硬鋁，厚度5 mm. 此外，為簡化和方便試驗，試驗中采用未開封的飲料罐來模擬盛裝化學(xué)戰(zhàn)劑子彈，圓柱形罐體尺寸為φ53 ×133 mm，罐體為0.2 mm 厚馬口鐵［11］。有效載荷模型實物圖片如圖2 所示。

圖1 化學(xué)子母彈頭簡化結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of simulated chemical submunition payload

圖2 化學(xué)子母彈頭簡化結(jié)構(gòu)實物圖片F(xiàn)ig.2 Photographs of simulated chemical submunition payload

1.2 大質(zhì)量高速侵徹體形成裝置

采用爆炸成型彈丸方法和裝置來獲得大質(zhì)量高速侵徹體，示意結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。裝置主要由殼體、金屬藥型罩、炸藥裝藥和傳爆藥柱等組成。主裝藥通過傳爆藥柱起爆后，通過爆轟壓力作用使金屬藥型罩形成高速(2 ～3 km/s)侵徹體［12-13］。試驗中，藥型罩由鋁合金機加而成［14］，底徑90 mm，壁厚13.5 mm，質(zhì)量252 g;殼體材料為LY-12 硬鋁，壁厚7.5 mm;主裝藥為注裝B 炸藥，傳爆藥柱為8701 炸藥。大質(zhì)量高速侵徹體形成裝置實物圖如圖3(b)所示。

圖3 大質(zhì)量高速侵徹體形成裝置Fig.3 Experimental high velocity explosively formed penetrator with large mass

1.3 測試原理

測試原理如圖4(a)所示。試驗中子母彈頭有效載荷簡化模型和高速侵徹體形成裝置被水平置于支架上，通過調(diào)節(jié)支架高度，使高速侵徹體形成裝置中心線水平瞄準(zhǔn)彈頭簡化模型上預(yù)先設(shè)定的碰撞位置。另外，為避免爆炸沖擊波的影響，同時考慮到高速侵徹體飛行距離過大會因彈道偏轉(zhuǎn)而難以準(zhǔn)確命中瞄準(zhǔn)點的問題，試驗中彈靶間距設(shè)為4 m. 彈靶作用過程由高速攝影儀進行記錄，記侵徹體形成裝置起爆時刻為0 ms 時刻。通過高速攝影圖片判定侵徹體初始著靶時刻，并由此獲得侵徹體平均速度。通過子彈殘骸回收和統(tǒng)計分析，獲得碰撞位置對毀傷效應(yīng)影響，試驗靶場布置如圖4(b)所示。

圖4 地面試驗布置Fig.4 Ground-based experimental setup

2 試驗結(jié)果

為研究碰撞位置對化學(xué)子母彈頭有效載荷等效模型毀傷行為及效應(yīng)的影響，試驗中，選取第3 層子彈中心、第2 層與第3 層子彈分界面、第2 層子彈中心、第1 層與第2 層子彈分界面、第1 層子彈中心等5 個特征位置為碰撞點，相應(yīng)的5 個碰撞位置偏移率無量綱參數(shù)ξ = L/L0分別為0.18、0.33、0.50、0.67、0.82，其中L 為碰撞點距離模型上頂端的距離，L0為模型總高度。

圖5 高速侵徹體碰撞化學(xué)子母彈頭有效載荷作用過程典型高速攝影圖片F(xiàn)ig.5 Frames from high-speed video of high velocity penetrator/simulated chemical submunition payload interaction

圖5所示為高速侵徹體碰撞子母彈頭有效載荷簡化模型作用過程典型高速攝影圖片。從中可以看出，在約1.6 ms 時刻，侵徹體命中彈頭，由此可算得侵徹體著靶速度約為2.5 km/s. 隨后侵徹體沿貫穿路徑侵徹有效載荷，火光逐漸擴大，約2.5 ms 時刻貫穿彈頭。此后火光逐漸收縮，蒙皮及子彈殘骸向四周飛散，作用過程隨之結(jié)束。對殘骸回收分析發(fā)現(xiàn)，遭毀傷子彈形態(tài)存在很大差異。從對化學(xué)子彈作戰(zhàn)功能影響看，子彈毀傷模式可分為3 個等級，即局部變形(液體不泄漏)、局部裂孔(液體部分泄漏)和碎裂摧毀(液體完全泄漏)，如圖6 所示。3 種毀傷等級定義及描述列于表1，碰撞位置對子彈毀傷影響分級統(tǒng)計數(shù)據(jù)列于表2. 圖7 所示是ξ 分別為0.67 和0.82 碰撞條件下子彈毀傷分級試驗照片。

圖6 子彈典型毀傷模式Fig.6 Typical damage modes of submunition

表1 子彈毀傷等級定義Tab.1 Damage-level definition for submunition

表2 不同碰撞位置下子彈毀傷試驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of damaged submunition with different impact positions

從表2 和圖7 可以看出，碰撞位置偏移量ξ 對子彈毀傷模式有顯著影響，其中3 號(ξ =0.18)和5 號(ξ=0.82)兩發(fā)試驗都存在未泄漏的子彈，特別是3 號這發(fā)試驗，未泄漏子彈約占總子彈數(shù)18%.在實際攔截中，一旦出現(xiàn)這種情況，將對地面落區(qū)安全構(gòu)成巨大威脅。另外，所有5 發(fā)試驗都不同程度地存在局部裂孔毀傷的子彈，其中4 號(ξ =0.67)試驗子彈局部裂孔毀傷率最低，約為16%，而1號(ξ=0.50)試驗子彈局部裂孔毀傷率最高，約為53%. 在實際攔截中，這些局部裂孔毀傷子彈是否會對地面落區(qū)安全構(gòu)成威脅，很大程度上取決于攔截高度。對于大氣層外和大氣層內(nèi)高空攔截，很可能不會對地面落區(qū)安全構(gòu)成威脅，而對于末端低空區(qū)域攔截，很可能存在安全威脅。事實上，從攔截化學(xué)子母彈頭有效載荷毀傷效果角度看，表征攔截效果最重要和直接的指標(biāo)是子彈摧毀率，即遭毀傷子彈占總子彈數(shù)的百分率?；诒驹囼灲Y(jié)果，4 號試驗子彈摧毀率最高，約為84%，而3 號試驗子彈摧毀率最低，只約為37%. 這表明，對于化學(xué)子母彈頭的攔截，即便在成功實施攔截的情況下，依然存在難以一舉摧毀的風(fēng)險。進一步分析發(fā)現(xiàn)，ξ 對子彈摧毀率影響相當(dāng)復(fù)雜。

圖7 典型子彈毀傷分級試驗照片F(xiàn)ig.7 Photographs of typically categorized damaged submunitions

3 試驗結(jié)果分析與討論

為進一步從機理上分析和揭示碰撞位置對子彈摧毀率的影響，采用體積重疊法分析沿侵徹體貫穿路徑被直接碰撞摧毀的子彈隨碰撞位置分布，即重疊區(qū)域內(nèi)的子彈被摧毀。為便于問題分析，假設(shè)高速侵徹體具有足夠的動能貫穿子母彈頭有效載荷，且侵徹過程不發(fā)生變形和破碎。同時，不失一般性，假設(shè)子彈呈密實排布，并通過截面空隙率對實際上非密實排布子彈作修正。

忽略層間隔板厚度，在正碰撞條件下，即射擊線垂直相交于母彈體軸線，侵徹體與子母彈頭簡化模型體積重疊幾何關(guān)系如圖8(a)所示，圖中Lsub為子彈長度，rj為第j 層子彈包絡(luò)半徑(j =1，2，3)，r 為侵徹體半徑，xi為碰撞點橫坐標(biāo)。圖8(b)為任意剖面A-A 重疊區(qū)域幾何關(guān)系，該剖面橫坐標(biāo)取值區(qū)間為［xi-r，xi+r］，其中Aj(xi)和bj(xi)分別為剖面A-A 處侵徹體與第j 層子彈重疊區(qū)域面積和弦心距。

圖8 體積重疊分析模型Fig.8 Volume overlap analysis model

基于貫穿路徑幾何關(guān)系分析，結(jié)合圖8(b)所示幾何關(guān)系可得侵徹體與第j 層子彈間重疊區(qū)域面積Aj(xi)，見(1)式，其中bj(xi)是侵徹體半徑、碰撞位置和子彈包絡(luò)半徑的分段函數(shù)。由圖8(a)所示關(guān)系，并結(jié)合碰撞點移動過程中各幾何變量變化關(guān)系可得相應(yīng)弦心距表述，見(2)式。

事實上，子彈之間不可能密實排布，為此，引入截面孔隙率參數(shù)αj對Aj(xi)進行修正。這樣，子彈摧毀率可由有效重疊區(qū)域面積與子彈密實排布圓面積之比給出，可表述為

式中:

nj為第j 層子彈數(shù)，rsub為子彈半徑。

利用數(shù)值模擬獲得試驗中形成裝置獲得高速侵徹體速度為2 410 m/s，最大直徑為81 mm，長度為93 mm，結(jié)合子母彈頭簡化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，由(3)式計算得到碰撞位置對子彈摧毀率影響關(guān)系，如圖9所示。由圖9 可以看出，子彈摧毀率隨碰撞位置變化呈現(xiàn)為相當(dāng)復(fù)雜的類多階梯分布。與試驗結(jié)果相比，二者總體變化趨勢相吻合，但試驗結(jié)果顯著高于理論分析值。進一步分析發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)于不同碰撞位置，基于體積重疊分析侵徹體直接碰撞造成的子彈摧毀率只約占對應(yīng)試驗結(jié)果的40% ～60%. 這表明，侵徹體沿貫穿路徑對所遭遇子彈的直接碰撞作用，并非是造成子彈摧毀的唯一因素，侵徹過程引起的其他力學(xué)行為，如蒙皮碎片碰撞、子彈間相互碰撞、高速流體濺射及子彈爆裂碎片等，對子彈造成的附加摧毀效應(yīng)也相當(dāng)顯著。此外，從子彈摧毀率類多階梯式分布曲線還可以看出，在給定攔截遭遇條件下，子彈摧毀率存在某個最佳碰撞區(qū)域。在該碰撞區(qū)域內(nèi)，子彈摧毀率最高，如本文攔截條件下的最佳碰撞區(qū)域為ξ=0.67 附近，一旦偏離該碰撞區(qū)域，子彈摧毀率將迅速下降。這一研究結(jié)果表明，在攔截器尺寸一定條件下，弄清和掌握化學(xué)子母彈頭有效載荷幾何特征，準(zhǔn)確選擇最佳瞄準(zhǔn)點，對發(fā)揮攔截器毀傷效能至關(guān)重要。

圖9 碰撞點偏移率對子彈摧毀率影響Fig.9 Impact position offset vs. damage probability

4 結(jié)論

1)試驗結(jié)果表明，化學(xué)子彈在高速彈丸碰撞下主要呈現(xiàn)為局部變形(不泄露)、局部裂孔(部分泄露)和碎裂摧毀(完全泄露)等3 種毀傷模式，且分布顯著受碰撞位置影響。

2)引入貫穿路徑體積重疊法分析表明，子彈摧毀率隨碰撞位置偏移變化呈復(fù)雜類多階梯分布，分布規(guī)律與試驗結(jié)果相吻合，但試驗結(jié)果顯著高于理論分析結(jié)果。

3)大質(zhì)量高速彈丸沿貫穿彈道對子彈直接碰撞作用，只是摧毀子彈的一個重要因素，侵徹過程中蒙皮碎片碰撞、子彈間相互碰撞、子彈爆裂高速流體噴射等附加毀傷作用也相當(dāng)重要。

4)在給定攔截器尺寸條件下，子彈摧毀率存在某個最佳碰撞區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)子彈摧毀率最高，偏離該碰撞區(qū)域子彈摧毀率迅速下降。

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