，，

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

侵徹彈在高速侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)，加速度傳感器測(cè)得的多層侵徹過(guò)載中會(huì)疊加大量的高頻振蕩[1]，導(dǎo)致多層侵徹過(guò)載出現(xiàn)層間粘連，計(jì)層起爆算法難以識(shí)別目標(biāo)層數(shù)，無(wú)法在指定目標(biāo)層起爆戰(zhàn)斗部。如何凸現(xiàn)多層侵徹過(guò)載的穿層特征，使計(jì)層起爆算法準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)層數(shù)一直是侵徹引信研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前多采用信號(hào)處理方法來(lái)凸現(xiàn)多層侵徹過(guò)載的穿層特征，對(duì)測(cè)得的多層侵徹過(guò)載信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，從中提取包含穿層特征的信息，計(jì)層起爆算法根據(jù)提取的信息來(lái)識(shí)別目標(biāo)層數(shù)。歐陽(yáng)科等提出了基于加速度傳感器和MEMS開(kāi)關(guān)信號(hào)融合的計(jì)層起爆算法[2]，該算法將加速度傳感器信號(hào)和MEMS開(kāi)關(guān)信號(hào)分別與不同的窗函數(shù)在時(shí)域中卷積加權(quán)求和得到復(fù)合信號(hào)，然后根據(jù)得到的復(fù)合信號(hào)來(lái)判斷彈丸侵徹過(guò)程中的穿層特征。王杰等提出了基于小波系數(shù)的粘連信號(hào)穿層特征提取方法[3]，該方法利用小波基函數(shù)的信號(hào)重構(gòu)能力和減加速度信號(hào)分量提取能力來(lái)選擇處理粘連信號(hào)時(shí)所需要的最優(yōu)小波基，再使用所選的最優(yōu)小波基對(duì)粘連信號(hào)進(jìn)行小波分解來(lái)提取出包含穿層特征信息的小波系數(shù)，計(jì)層起爆算法根據(jù)所提取的小波系數(shù)來(lái)識(shí)別目標(biāo)層數(shù)。加速度傳感器和開(kāi)關(guān)融合算法、基于小波系數(shù)的粘連信號(hào)穿層特征提取方法在對(duì)粘連過(guò)載的處理上都取得了效果，能夠從粘連信號(hào)中提取出包含目標(biāo)層特征的信息，但在實(shí)現(xiàn)上加速度傳感器和開(kāi)關(guān)融合算法需要大量先驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)確定加權(quán)值，才能得到準(zhǔn)確的復(fù)合信號(hào)，基于小波系數(shù)的粘連信號(hào)穿層特征提取方法需要較大的信號(hào)處理量，會(huì)增加硬件功耗。針對(duì)多層目標(biāo)侵徹過(guò)載粘連信號(hào)成分復(fù)雜、信號(hào)處理方法從中提取穿層特征壓力大的問(wèn)題，本文提出了基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法。

1 多層侵徹過(guò)載層間粘連機(jī)理及應(yīng)力波衰減理論

1.1 多層侵徹過(guò)載層間粘連機(jī)理

有研究者在做大型彈藥侵徹試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，大彈速度高于一定值后，侵徹多層靶時(shí)侵徹過(guò)載信號(hào)會(huì)疊加大量高頻振蕩信號(hào)，使得過(guò)載信號(hào)層與層之間相互粘連，計(jì)層算法無(wú)法識(shí)別目標(biāo)層數(shù)[1]。

分析其原因可以發(fā)現(xiàn)，大彈在侵徹多層目標(biāo)時(shí)，彈體撞擊第一層硬目標(biāo)時(shí)彈頭碰目標(biāo)位置會(huì)受到巨大的瞬態(tài)沖擊，會(huì)在彈體中產(chǎn)生傳播方向與彈運(yùn)動(dòng)方向相反的應(yīng)力波，應(yīng)力波傳到彈尾端面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，產(chǎn)生反射應(yīng)力波，反射應(yīng)力波向彈頭傳播，傳到彈頭段面時(shí)會(huì)再次發(fā)生反射，如此應(yīng)力波在彈體內(nèi)來(lái)回傳播，直到應(yīng)力波能量耗盡為止。當(dāng)侵徹彈的彈長(zhǎng)較大、彈速較高時(shí)，應(yīng)力波在彈體內(nèi)的傳播時(shí)間長(zhǎng)，衰減慢；當(dāng)應(yīng)力波衰減時(shí)間大于彈在兩層靶板之間的飛行時(shí)間時(shí)，彈再次撞擊靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波和前次撞靶產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加，從而對(duì)彈的結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生影響，使侵徹過(guò)載信號(hào)上疊加大量的高頻振蕩信號(hào)，使過(guò)載信號(hào)層與層之間相互粘連，分層特征難以識(shí)別。

以上分析表明大彈在高速侵徹多層硬目標(biāo)時(shí)過(guò)載信號(hào)層與層之間發(fā)生粘連，主要是彈撞擊硬目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波在彈內(nèi)衰減過(guò)慢，與撞擊下一層目標(biāo)產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加引起的。

1.2 應(yīng)力波衰減理論

應(yīng)力波在單種材料介質(zhì)中傳播會(huì)隨著傳播距離的增加而發(fā)生衰減，其衰減方程表示為[4]：

σ=σ0exp(-αx)

(1)

式(1)中，σ0為應(yīng)力波初始應(yīng)力峰值，x為應(yīng)力波在粘彈性材料內(nèi)的傳播距離，σ為應(yīng)力波傳播到x距離時(shí)應(yīng)力峰值，σ為衰減系數(shù)。但工程中常使用的緩沖材料的衰減系數(shù)測(cè)定十分困難，難以在工程應(yīng)用中指導(dǎo)緩沖材料的選擇。柴華友等基于一維應(yīng)力波理論，研究材料阻尼對(duì)應(yīng)力波的傳播的影響時(shí)，提出材料的內(nèi)阻尼使材料具有松弛、蠕變行為，應(yīng)力波在材料中傳播時(shí)，阻尼會(huì)使應(yīng)力波的能量有一定程度的耗損[5]。應(yīng)力波在經(jīng)過(guò)不同波阻抗材料的分界面時(shí)，會(huì)在界面處發(fā)生反射和透射，產(chǎn)生界面反射衰減[4]。

1.2.1應(yīng)力波在單種材料介質(zhì)中的衰減

材料阻尼是指固體材料內(nèi)部的阻尼(又稱內(nèi)阻、內(nèi)耗或內(nèi)摩擦)，是材料的動(dòng)態(tài)特性之一,和楊氏模量一樣, 是衡量固體材料性質(zhì)的一個(gè)重要物理量。材料阻尼是一種復(fù)雜的物理效應(yīng), 它使振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能或應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為其他形式而發(fā)生耗散，表征這種能量耗散特性的物理量稱為阻尼[6]。應(yīng)力波在材料內(nèi)部傳播本質(zhì)是外力引起材料質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)由近及遠(yuǎn)的傳播[4]，材料阻尼使材料質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)發(fā)生衰減，從而使應(yīng)力波在材料內(nèi)部傳播時(shí)發(fā)生衰減。材料內(nèi)部的阻尼越大，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)衰減越快，應(yīng)力波在其中傳播衰減的越快。材料阻尼的大小一般用材料的損耗因子度量，損耗因子越大，材料的阻尼越大，表1列出幾種常見(jiàn)材料在室溫下和聲頻范圍內(nèi)的損耗因子[7]。

表1 幾種常見(jiàn)材料的損耗因子ηTab.1 Loss factor of some materials

橡膠是常見(jiàn)的高阻尼材料，由表1可以發(fā)現(xiàn)橡膠類材料的損耗因子比其他材料大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。橡膠的阻尼特性主要取決于橡膠的分子結(jié)構(gòu)和填料。橡膠分子鏈上引入大的側(cè)基，在橡膠材料受到外力時(shí)，橡膠分子在運(yùn)動(dòng)時(shí)， 大側(cè)基會(huì)阻礙大分子的運(yùn)動(dòng)，增大橡膠分子之間的內(nèi)摩擦，從而增大橡膠的阻尼。加填料使橡膠分子在受到外力分子發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子鏈之間、鏈段與填料之間、填料與填料之間的內(nèi)摩擦?xí)龃蠓肿舆\(yùn)動(dòng)時(shí)能量損耗。該增值與填料和橡膠分子之間的界面尺寸有關(guān)，填料的徑粒越小，比表面積越大，界面尺寸越大，粒子間的摩擦越大，分子運(yùn)動(dòng)時(shí)損耗的能量越多，橡膠材料的阻尼越大[7]。

1.2.2應(yīng)力波在不同材料介質(zhì)界面處的衰減

材料的波阻抗是表征材料在動(dòng)態(tài)載荷下力學(xué)性能的基本參數(shù)之一，其物理意義是應(yīng)力波在材料介質(zhì)中傳播時(shí)，作用于某個(gè)面積上的壓力與單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)此面積的質(zhì)點(diǎn)流量(即面積乘以質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度)之比。波阻抗具有阻力的含義，在數(shù)值上等于介質(zhì)密度ρ0與波速C0的乘積[8]。應(yīng)力波在傳播過(guò)程中，經(jīng)過(guò)兩種不同材料介質(zhì)的分界面時(shí)，將在分界面處發(fā)生反射和透射，如圖1所示。應(yīng)力波的反射率和透射率由構(gòu)成分界面兩種材料介質(zhì)的波阻抗決定。其中反射波、透射波和入射波的強(qiáng)度關(guān)系可通過(guò)如下方程組確定：

(2)

當(dāng)應(yīng)力波由波阻抗高的材料(入射介質(zhì))傳入波阻抗低的材料(透射介質(zhì))時(shí)，入射介質(zhì)的波阻抗與透射介質(zhì)的波阻抗比值n大于1，透射率T小于1，透射波的強(qiáng)度小于入射波的強(qiáng)度。入射介質(zhì)的波阻抗與透射介質(zhì)的波阻抗比值n越大，透射率T越小，透射波的強(qiáng)度越小，應(yīng)力波在材料介質(zhì)界面處的衰減量越大，表2列出了幾種常見(jiàn)材料的波阻抗。

表2 幾種常見(jiàn)材料的波阻抗ρ0C0Tab.2 Wave impedance of some materials

2 基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法

根據(jù)多層過(guò)載信號(hào)層間粘連機(jī)理及應(yīng)力波衰減機(jī)理，提出一種基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法。在不改變侵徹引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，使用應(yīng)力波衰減材料替換現(xiàn)有的緩沖材料，形成新的緩沖結(jié)構(gòu)，加快應(yīng)力波在彈內(nèi)的衰減，使應(yīng)力波在彈內(nèi)傳播時(shí)能量耗盡時(shí)間小于彈兩層靶板之間的飛行時(shí)間，從而避免應(yīng)力波沿著彈體多次重復(fù)疊加造成侵徹過(guò)載的層間粘連。

該方法的關(guān)鍵是應(yīng)力波衰減材料的選擇。由表1和表2可以看出，硅橡膠的阻尼大，波阻抗小，是很好的應(yīng)力波衰減材料?？墒窃谧鰶_擊試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，普通硅橡膠的應(yīng)力波衰減能力仍達(dá)不到要求，因此需要一種應(yīng)力波衰減能力更強(qiáng)的橡膠材料。根據(jù)橡膠的阻尼特性，往橡膠中加填料可以增加橡膠的阻尼，填料的徑粒越小，增加的阻尼越大，且填料在橡膠內(nèi)部，并不改變橡膠外表面處波阻抗。

采用灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒制備新型緩沖材料，將新材料填充到引信殼內(nèi)側(cè)，在本體周圍形成緩沖層。該材料形成的緩沖層能使應(yīng)力波在彈內(nèi)快速衰減，避免了應(yīng)力波沿著彈體多次重復(fù)疊加造成侵徹過(guò)載的層間粘連，從而凸現(xiàn)侵徹過(guò)載的目標(biāo)層特征。

應(yīng)力波從引信外殼傳到緩沖層時(shí)，會(huì)在引信外殼材料和緩沖材料構(gòu)成的分界面處發(fā)生反射和透射，由于引信外殼的材料為鈦合金，波阻抗為22 MPa·m-1·s-1，硅橡膠的波阻抗為1.21 MPa·m-1·s-1，應(yīng)力波由引信外殼傳入緩沖材料時(shí)透射波強(qiáng)度為σT，入射波強(qiáng)度為σI，由式(2)可以得到：

(3)

添加納米SiO2顆粒，硅橡膠的阻尼由0.15～0.30增加到0.80～1.05，阻尼越大，應(yīng)力波衰減越快，應(yīng)力波在新材料形成的緩沖層內(nèi)衰減加快。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

通過(guò)靶場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證新型引信緩沖材料的多層侵徹過(guò)載目標(biāo)特征凸現(xiàn)效果。在同一個(gè)引信內(nèi)安裝兩個(gè)加速度傳感器，傳感器1裝在位置1，周圍無(wú)緩沖，測(cè)量無(wú)緩沖時(shí)的侵徹過(guò)載；傳感器2裝在位置2，周圍填充新緩沖材料(灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒)進(jìn)行緩沖，測(cè)量經(jīng)過(guò)新緩沖材料(灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒)緩沖后侵徹過(guò)載。彈內(nèi)引信結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。將傳感器2(有緩沖)測(cè)得的侵徹過(guò)載和傳感器1(無(wú)緩沖)測(cè)得的侵徹過(guò)載進(jìn)行對(duì)比，來(lái)觀察使用新型引信緩沖材料，是否會(huì)對(duì)多層侵徹過(guò)載信號(hào)的層間粘連情況有所改善。

使用炮彈搭載引信，發(fā)射速度為(400 ±30) m/s，侵徹3層鋼筋混凝土靶板，第一層厚度0.3 m，第二層厚度0.18 m, 第三層厚度0.18 m，靶板強(qiáng)度C30，靶板設(shè)置在距炮口50 m處，靶板的靶面垂直于彈道，靶板間距為0.8 m(前靶后端面到后靶前端面之間)，靶板布置情況如3所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)彈成功回收，彈內(nèi)測(cè)試裝置成功讀取到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，傳感器1、傳感器2測(cè)得侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)如圖4所示。

傳感器1和傳感器2 測(cè)得的多層侵徹過(guò)載數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，裝在位置1處無(wú)緩沖的傳感器1測(cè)得的侵徹過(guò)載峰值為5.08萬(wàn)g，層間粘連嚴(yán)重，難以識(shí)別目標(biāo)層特征；裝在位置2處經(jīng)新型緩沖材料緩沖的傳感器2測(cè)得的侵徹過(guò)載峰值為2.24萬(wàn)g，目標(biāo)層特征清晰。

試驗(yàn)結(jié)果表明，灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒制成的新型緩沖材料，能有效改善多層侵徹過(guò)載信號(hào)的層間粘連情況。新型緩沖材料與引信外殼的材料界面、新型緩沖材料形成的緩沖層都能加快應(yīng)力波的衰減，使撞擊靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波能量在彈內(nèi)的耗盡時(shí)間小于彈體在兩層靶板之間的飛行時(shí)間，從而避免了撞擊前一層靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波與撞擊下一層靶板產(chǎn)生的應(yīng)力波相互疊加導(dǎo)致的侵徹過(guò)載層間粘連的情況，凸現(xiàn)侵徹過(guò)載的目標(biāo)層特征，同時(shí)使過(guò)載峰值大幅下降。

4 結(jié)論

本文提出的基于應(yīng)力波衰減材料的目標(biāo)層特征凸現(xiàn)方法，該方法采用灌封硅橡膠+納米SiO2顆粒

制備新型的緩沖材料，將新材料填充到引信殼內(nèi)側(cè)，在本體周圍形成緩沖層。該材料形成的緩沖層能使應(yīng)力波在彈內(nèi)快速衰減，避免了應(yīng)力波沿著彈體多次重復(fù)疊加造成侵徹過(guò)載的層間粘連，從而凸現(xiàn)侵徹過(guò)載的目標(biāo)層特征。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明：同一發(fā)彈內(nèi)采用該材料緩沖測(cè)得的侵徹過(guò)載層特征較未采用該材料緩沖的侵徹過(guò)載層特征明顯。

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