胡 兵，王昆侖，李 輝，陳 誠，王玉濤

(中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引 言

利用運動靶標(原為靜止)去撞擊靜止彈體(原為運動)的試驗方法稱為反向彈道試驗方法[1].從應力波傳播觀點來分析，彈丸以某一速度垂直撞擊靜止靶板和靶板以同一速度垂直撞擊靜止彈丸時，其受力過程與變形過程應是一致的.反向彈道試驗主要基于輕氣炮開展，是目前在戰(zhàn)斗部研制前期進行殼體、裝藥以及引信試驗的重要手段.

國內開展了大量戰(zhàn)斗部縮比模型的反向彈道試驗.孫有光[2]通過輕氣炮反向彈道試驗和靶場測試壓電引信瞬發(fā)的對比試驗，證明了反向彈道試驗法可以代替實彈測試壓電引信瞬發(fā)度；劉堅成等[3]利用反向彈道試驗技術和數字圖像方法，在152 mm輕氣炮加載平臺上建立了反向彈道實驗系統(tǒng)，得到了不同侵徹條件下彈體結構的定量響應規(guī)律；趙生偉等[4]在130 mm輕氣炮上進行模擬裝藥實驗,結合數值計算結果評測縮比彈的裝藥安定性.上述研究均基于縮比模型開展，然而正反彈道試驗在系統(tǒng)的初始輸入動能、邊界條件上不可避免地存在差異.趙生偉等[5]研究認為在相同的碰撞速度下，靶板相對彈體的質量比大于20時，變形能偏差在5%以內.輕氣炮反向彈道試驗中，試驗靶板的尺寸和質量都很小，模擬彈丸的直徑一般為10 mm級，與真實彈體差別較大，實驗室環(huán)境對裝藥或引信也有限制，難以建立試驗結果與全尺寸模型的等效性.

與輕氣炮相比，基于火箭橇的反向彈道試驗可以不受實驗室環(huán)境的限制，特別適用于全尺寸(或大尺寸縮比)、全裝藥和具有完備引信的實彈系統(tǒng).本文研究了反向彈道火箭橇試驗方法、原理、特點以及在國外的發(fā)展現(xiàn)狀，開展了某戰(zhàn)斗部反向彈道火箭橇驗證試驗，獲取了撞擊過程的完整數據，驗證了反向彈道火箭橇試驗方法的可行性和優(yōu)勢.

1 原理與特點

火箭橇是在專用的軌道上，利用火箭發(fā)動機作動力推動火箭滑車高速前進的大型地面動態(tài)試驗系統(tǒng).火箭橇可以開展大到全彈系統(tǒng)，小至元器件的功能考核、參數測試等試驗，試驗領域幾乎覆蓋武器系統(tǒng)所有的功能，其中，高動態(tài)條件下的撞擊試驗應用最為廣泛.常規(guī)戰(zhàn)斗部火箭橇撞擊試驗采用正向彈道，即將戰(zhàn)斗部固定于火箭橇車上，將戰(zhàn)斗部作用的目標靜止固定在軌道末端，戰(zhàn)斗部隨橇車加速至指定速度后撞擊軌道末端的目標.反向彈道火箭橇試驗是通過支架將戰(zhàn)斗部可靠固定在火箭橇滑軌終點，火箭橇車搭載作用靶標加速至所需速度后，直接撞擊靜止戰(zhàn)斗部.反向彈道火箭橇試驗原理如圖1 所示.

圖1 反向彈道火箭橇試驗原理示意圖

反向彈道火箭橇試驗主要通過高速攝影、X光照相、應力波測試、沖擊振動測試等測試手段獲取碰撞過程所需的數據，包括碰炸引信作用瞬發(fā)度，串聯(lián)戰(zhàn)斗部多級作用時間、破甲彈射流參數以及戰(zhàn)斗部殼體結構響應、裝藥安定性等多種特征量.與正向彈道火箭橇試驗方法相比，反向彈道火箭橇具有以下特點：

1)戰(zhàn)斗部處于靜止狀態(tài)，不用經受火箭橇運行過程中惡劣的振動、沖擊環(huán)境，不受火箭橇地面設施的干擾.戰(zhàn)斗部安裝姿態(tài)可以事先調整，從而精確控制彈目交會的姿態(tài).

2)可以在彈體上安裝傳感器等測試設備，并通過硬線與數據采集設備相連，從而獲得大量高分辨率測試數據，克服了正向彈道試驗中彈體一直處于高速移動狀態(tài)，無法進行測試數據的在線同步監(jiān)測或者彈載測試的數據采樣率及存儲量受限等問題.

3)可以同時布設多個狀態(tài)被試產品，實現(xiàn)單發(fā)試驗考核不同狀態(tài)產品性能，由于目標運行狀態(tài)一致，各狀態(tài)數據分析比對具有更高置信度，可有效節(jié)省試驗費用.

反向彈道火箭橇試驗特別適用于安裝有敏感電子器件、不能承受火箭橇運行環(huán)境、性能易受火箭橇試驗設施干擾的戰(zhàn)斗部.反向彈道火箭橇試驗的局限性主要在于：試驗靶標的尺寸和重量受到火箭橇軌道的限制，也無法模擬高動態(tài)環(huán)境對被試產品性能的影響.

2 國外發(fā)展

美國桑迪亞國家實驗室(SNL)首創(chuàng)了將目標加速撞擊靜止產品的反向彈道火箭橇試驗，先后在Mk21再入飛行器、B61-12核炸彈等武器型號的地面試驗中應用.

Mk21再入飛行器是美國和平衛(wèi)士、民兵Ⅲ等洲際彈道導彈的末端載具.20世紀80年代，SNL在Mk21地面試驗中開展了反向彈道高速撞擊試驗研究，試驗靶標質量從百公斤到噸級，速度從亞聲速至6 M[6-7].1985年4月，SNL完成了200 kg 目標以1 844 m/s的速度撞擊再入飛行器的反向彈道火箭橇試驗，如圖2 所示.試驗采用雙軌火箭橇車，橇車頭部垂直楔形上表面設計20°撞擊斜面，有效載荷圓柱內部空腔包含有235 kg 的混凝土靶標.測試系統(tǒng)包括14個通道，使用了4個應變計，3個加速度計和7個壓力傳感器.試驗時將Mk21再入飛行器固定在軌道末端，測試系統(tǒng)獲取了撞擊過程的完整數據.

圖2 Mk21再入飛行器反向彈道火箭橇試驗

B61-12核炸彈作為美國最新研發(fā)的一種可鉆地氫彈，為了測試引信沖擊傳感器對撞擊的反應以及彈體其他部件和系統(tǒng)的損壞時間序列，SNL進行了部件和系統(tǒng)級的反向彈道火箭橇試驗[8-9]，如圖3 所示.試驗中，鋼筋混凝土靶標安裝在火箭橇車上，部件級試驗中，B61-12引信組件懸吊在軌道末端；系統(tǒng)級試驗中，B61-12模擬彈懸掛固定在軌道末端.撞擊過程由高速攝像和DIC(數字圖像相關)方法記錄，模擬彈內的傳感器數據通過外接電纜傳輸到測試系統(tǒng)，獲取彈體變形數據，并與試驗前的計算機仿真結果對比分析，以完善模型與真實產品的等效性[10-11].

(a)部件級試驗

作為SNL滑軌的特色試驗方法，SNL認為反向彈道火箭橇試驗方法是在精確控制條件下進行撞擊試驗的最實用手段之一.SNL通過對軌道系統(tǒng)和發(fā)動機動力系統(tǒng)進行升級，以實現(xiàn)更高速度、更重目標的試驗任務要求.同時SNL特別注重反向彈道火箭橇試驗獲取的高分辨率數據對計算機仿真模型的修正作用，通過多種工況仿真分析與典型工況試驗相結合，節(jié)省研發(fā)成本，提升研發(fā)效率[12].

3 試驗驗證

某戰(zhàn)斗部火箭橇試驗的目的是獲取引信作用和裝藥爆轟過程參數.采用反向彈道火箭橇試驗方案，利用火箭橇裝載靶標加速，與固定在滑軌終點的戰(zhàn)斗部撞擊，戰(zhàn)斗部與靶標撞擊后，引信觸發(fā)，起爆試驗戰(zhàn)斗部.戰(zhàn)斗部尾部數據線連接地面專用引信測試設備，地面布設高速攝像機.

火箭橇橇車前部安裝靶標，后部安裝4枚助推發(fā)動機.在發(fā)射點靜態(tài)同步點燃助推發(fā)動機，發(fā)動機工作結束時火箭橇達到最大速度，之后慣性滑行至滑軌終點，降至指定速度，靶標撞擊被試產品.靶標通過圓柱形艙段固定，艙段與火箭橇焊接連接，壓板將混凝土板壓緊在艙段內，靶標直徑500 mm，火箭橇車如圖4 所示.

圖4 驗證試驗火箭橇示意圖

模擬戰(zhàn)斗部通過固定支架及鋼錠安裝在滑軌終點，將支架與鋼錠焊接連接，四周用土層夯實，戰(zhàn)斗部通過卡箍壓緊在支架上，后端面通過擋板進行限位，避免撞擊過程中后移.戰(zhàn)斗部布設如圖5 所示.地面數據采集設備和地面高速攝像布設在軌道終點一側掩體內.采集設備通過信號線與被試產品連接，用于獲取被試產品受撞擊后引信觸發(fā)時序，高速攝像用于捕獲戰(zhàn)斗部撞擊與侵爆過程.

圖5 驗證試驗戰(zhàn)斗部布設示意圖

試驗系統(tǒng)工作正常，撞擊速度706 m/s，戰(zhàn)斗部起爆瞬間高速攝像照片如圖6 所示.地面采集設備獲取了靶標撞擊戰(zhàn)斗部時，戰(zhàn)斗部不同位置的沖擊過載，記錄了傳感器閉合—引信觸發(fā)—主裝藥起爆的動作時序.通過地面高速攝影精確記錄了發(fā)火起爆過程，并判讀了從靶板撞擊戰(zhàn)斗部彈尖到裝藥爆轟的傳遞時間.

圖6 戰(zhàn)斗部起爆瞬間高速攝像照片

4 結 論

火箭橇試驗相比于飛行試驗的優(yōu)點是它相對較低的成本，而反向彈道火箭橇試驗相比正向彈道試驗在安全性和數據質量上更有優(yōu)勢.

從SNL的經驗看，數值計算和仿真已經成為戰(zhàn)斗部和引信研制中重要的技術手段.通過創(chuàng)建計算機模型執(zhí)行大量工況的仿真計算，從仿真分析中識別的趨勢和影響條件中選取典型工況，開展全尺寸或大尺寸反向彈道火箭橇試驗，利用試驗獲取的高速碰撞響應數據對計算機仿真模型進行校準，從而極大地縮短研制周期并降低成本.反向彈道火箭橇試驗有望在未來更多類型戰(zhàn)斗部火箭橇試驗中應用.