胡 兵，王昆侖，李 輝，陳 誠(chéng)，王玉濤

(中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

0 引 言

利用運(yùn)動(dòng)靶標(biāo)(原為靜止)去撞擊靜止彈體(原為運(yùn)動(dòng))的試驗(yàn)方法稱(chēng)為反向彈道試驗(yàn)方法[1].從應(yīng)力波傳播觀點(diǎn)來(lái)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(shí)，其受力過(guò)程與變形過(guò)程應(yīng)是一致的.反向彈道試驗(yàn)主要基于輕氣炮開(kāi)展，是目前在戰(zhàn)斗部研制前期進(jìn)行殼體、裝藥以及引信試驗(yàn)的重要手段.

國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量戰(zhàn)斗部縮比模型的反向彈道試驗(yàn).孫有光[2]通過(guò)輕氣炮反向彈道試驗(yàn)和靶場(chǎng)測(cè)試壓電引信瞬發(fā)的對(duì)比試驗(yàn)，證明了反向彈道試驗(yàn)法可以代替實(shí)彈測(cè)試壓電引信瞬發(fā)度；劉堅(jiān)成等[3]利用反向彈道試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)字圖像方法，在152 mm輕氣炮加載平臺(tái)上建立了反向彈道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，得到了不同侵徹條件下彈體結(jié)構(gòu)的定量響應(yīng)規(guī)律；趙生偉等[4]在130 mm輕氣炮上進(jìn)行模擬裝藥實(shí)驗(yàn),結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果評(píng)測(cè)縮比彈的裝藥安定性.上述研究均基于縮比模型開(kāi)展，然而正反彈道試驗(yàn)在系統(tǒng)的初始輸入動(dòng)能、邊界條件上不可避免地存在差異.趙生偉等[5]研究認(rèn)為在相同的碰撞速度下，靶板相對(duì)彈體的質(zhì)量比大于20時(shí)，變形能偏差在5%以?xún)?nèi).輕氣炮反向彈道試驗(yàn)中，試驗(yàn)靶板的尺寸和質(zhì)量都很小，模擬彈丸的直徑一般為10 mm級(jí)，與真實(shí)彈體差別較大，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)裝藥或引信也有限制，難以建立試驗(yàn)結(jié)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(yàn)可以不受實(shí)驗(yàn)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(shí)彈系統(tǒng).本文研究了反向彈道火箭橇試驗(yàn)方法、原理、特點(diǎn)以及在國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀，開(kāi)展了某戰(zhàn)斗部反向彈道火箭橇驗(yàn)證試驗(yàn)，獲取了撞擊過(guò)程的完整數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了反向彈道火箭橇試驗(yàn)方法的可行性和優(yōu)勢(shì).

1 原理與特點(diǎn)

火箭橇是在專(zhuān)用的軌道上，利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力推動(dòng)火箭滑車(chē)高速前進(jìn)的大型地面動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng).火箭橇可以開(kāi)展大到全彈系統(tǒng)，小至元器件的功能考核、參數(shù)測(cè)試等試驗(yàn)，試驗(yàn)領(lǐng)域幾乎覆蓋武器系統(tǒng)所有的功能，其中，高動(dòng)態(tài)條件下的撞擊試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛.常規(guī)戰(zhàn)斗部火箭橇撞擊試驗(yàn)采用正向彈道，即將戰(zhàn)斗部固定于火箭橇車(chē)上，將戰(zhàn)斗部作用的目標(biāo)靜止固定在軌道末端，戰(zhàn)斗部隨橇車(chē)加速至指定速度后撞擊軌道末端的目標(biāo).反向彈道火箭橇試驗(yàn)是通過(guò)支架將戰(zhàn)斗部可靠固定在火箭橇滑軌終點(diǎn)，火箭橇車(chē)搭載作用靶標(biāo)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(yàn)原理如圖1 所示.

圖1 反向彈道火箭橇試驗(yàn)原理示意圖

反向彈道火箭橇試驗(yàn)主要通過(guò)高速攝影、X光照相、應(yīng)力波測(cè)試、沖擊振動(dòng)測(cè)試等測(cè)試手段獲取碰撞過(guò)程所需的數(shù)據(jù)，包括碰炸引信作用瞬發(fā)度，串聯(lián)戰(zhàn)斗部多級(jí)作用時(shí)間、破甲彈射流參數(shù)以及戰(zhàn)斗部殼體結(jié)構(gòu)響應(yīng)、裝藥安定性等多種特征量.與正向彈道火箭橇試驗(yàn)方法相比，反向彈道火箭橇具有以下特點(diǎn)：

1)戰(zhàn)斗部處于靜止?fàn)顟B(tài)，不用經(jīng)受火箭橇運(yùn)行過(guò)程中惡劣的振動(dòng)、沖擊環(huán)境，不受火箭橇地面設(shè)施的干擾.戰(zhàn)斗部安裝姿態(tài)可以事先調(diào)整，從而精確控制彈目交會(huì)的姿態(tài).

2)可以在彈體上安裝傳感器等測(cè)試設(shè)備，并通過(guò)硬線(xiàn)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，從而獲得大量高分辨率測(cè)試數(shù)據(jù)，克服了正向彈道試驗(yàn)中彈體一直處于高速移動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的在線(xiàn)同步監(jiān)測(cè)或者彈載測(cè)試的數(shù)據(jù)采樣率及存儲(chǔ)量受限等問(wèn)題.

3)可以同時(shí)布設(shè)多個(gè)狀態(tài)被試產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)單發(fā)試驗(yàn)考核不同狀態(tài)產(chǎn)品性能，由于目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)一致，各狀態(tài)數(shù)據(jù)分析比對(duì)具有更高置信度，可有效節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用.

反向彈道火箭橇試驗(yàn)特別適用于安裝有敏感電子器件、不能承受火箭橇運(yùn)行環(huán)境、性能易受火箭橇試驗(yàn)設(shè)施干擾的戰(zhàn)斗部.反向彈道火箭橇試驗(yàn)的局限性主要在于：試驗(yàn)靶標(biāo)的尺寸和重量受到火箭橇軌道的限制，也無(wú)法模擬高動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)被試產(chǎn)品性能的影響.

2 國(guó)外發(fā)展

美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)首創(chuàng)了將目標(biāo)加速撞擊靜止產(chǎn)品的反向彈道火箭橇試驗(yàn)，先后在Mk21再入飛行器、B61-12核炸彈等武器型號(hào)的地面試驗(yàn)中應(yīng)用.

Mk21再入飛行器是美國(guó)和平衛(wèi)士、民兵Ⅲ等洲際彈道導(dǎo)彈的末端載具.20世紀(jì)80年代，SNL在Mk21地面試驗(yàn)中開(kāi)展了反向彈道高速撞擊試驗(yàn)研究，試驗(yàn)靶標(biāo)質(zhì)量從百公斤到噸級(jí)，速度從亞聲速至6 M[6-7].1985年4月，SNL完成了200 kg 目標(biāo)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(yàn)，如圖2 所示.試驗(yàn)采用雙軌火箭橇車(chē)，橇車(chē)頭部垂直楔形上表面設(shè)計(jì)20°撞擊斜面，有效載荷圓柱內(nèi)部空腔包含有235 kg 的混凝土靶標(biāo).測(cè)試系統(tǒng)包括14個(gè)通道，使用了4個(gè)應(yīng)變計(jì)，3個(gè)加速度計(jì)和7個(gè)壓力傳感器.試驗(yàn)時(shí)將Mk21再入飛行器固定在軌道末端，測(cè)試系統(tǒng)獲取了撞擊過(guò)程的完整數(shù)據(jù).

圖2 Mk21再入飛行器反向彈道火箭橇試驗(yàn)

B61-12核炸彈作為美國(guó)最新研發(fā)的一種可鉆地氫彈，為了測(cè)試引信沖擊傳感器對(duì)撞擊的反應(yīng)以及彈體其他部件和系統(tǒng)的損壞時(shí)間序列，SNL進(jìn)行了部件和系統(tǒng)級(jí)的反向彈道火箭橇試驗(yàn)[8-9]，如圖3 所示.試驗(yàn)中，鋼筋混凝土靶標(biāo)安裝在火箭橇車(chē)上，部件級(jí)試驗(yàn)中，B61-12引信組件懸吊在軌道末端；系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)中，B61-12模擬彈懸掛固定在軌道末端.撞擊過(guò)程由高速攝像和DIC(數(shù)字圖像相關(guān))方法記錄，模擬彈內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)外接電纜傳輸?shù)綔y(cè)試系統(tǒng)，獲取彈體變形數(shù)據(jù)，并與試驗(yàn)前的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)比分析，以完善模型與真實(shí)產(chǎn)品的等效性[10-11].

(a)部件級(jí)試驗(yàn)

作為SNL滑軌的特色試驗(yàn)方法，SNL認(rèn)為反向彈道火箭橇試驗(yàn)方法是在精確控制條件下進(jìn)行撞擊試驗(yàn)的最實(shí)用手段之一.SNL通過(guò)對(duì)軌道系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)更高速度、更重目標(biāo)的試驗(yàn)任務(wù)要求.同時(shí)SNL特別注重反向彈道火箭橇試驗(yàn)獲取的高分辨率數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真模型的修正作用，通過(guò)多種工況仿真分析與典型工況試驗(yàn)相結(jié)合，節(jié)省研發(fā)成本，提升研發(fā)效率[12].

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某戰(zhàn)斗部火箭橇試驗(yàn)的目的是獲取引信作用和裝藥爆轟過(guò)程參數(shù).采用反向彈道火箭橇試驗(yàn)方案，利用火箭橇裝載靶標(biāo)加速，與固定在滑軌終點(diǎn)的戰(zhàn)斗部撞擊，戰(zhàn)斗部與靶標(biāo)撞擊后，引信觸發(fā)，起爆試驗(yàn)戰(zhàn)斗部.戰(zhàn)斗部尾部數(shù)據(jù)線(xiàn)連接地面專(zhuān)用引信測(cè)試設(shè)備，地面布設(shè)高速攝像機(jī).

火箭橇橇車(chē)前部安裝靶標(biāo)，后部安裝4枚助推發(fā)動(dòng)機(jī).在發(fā)射點(diǎn)靜態(tài)同步點(diǎn)燃助推發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束時(shí)火箭橇達(dá)到最大速度，之后慣性滑行至滑軌終點(diǎn)，降至指定速度，靶標(biāo)撞擊被試產(chǎn)品.靶標(biāo)通過(guò)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(nèi)，靶標(biāo)直徑500 mm，火箭橇車(chē)如圖4 所示.

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)火箭橇示意圖

模擬戰(zhàn)斗部通過(guò)固定支架及鋼錠安裝在滑軌終點(diǎn)，將支架與鋼錠焊接連接，四周用土層夯實(shí)，戰(zhàn)斗部通過(guò)卡箍壓緊在支架上，后端面通過(guò)擋板進(jìn)行限位，避免撞擊過(guò)程中后移.戰(zhàn)斗部布設(shè)如圖5 所示.地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備和地面高速攝像布設(shè)在軌道終點(diǎn)一側(cè)掩體內(nèi).采集設(shè)備通過(guò)信號(hào)線(xiàn)與被試產(chǎn)品連接，用于獲取被試產(chǎn)品受撞擊后引信觸發(fā)時(shí)序，高速攝像用于捕獲戰(zhàn)斗部撞擊與侵爆過(guò)程.

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)戰(zhàn)斗部布設(shè)示意圖

試驗(yàn)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(shè)備獲取了靶標(biāo)撞擊戰(zhàn)斗部時(shí)，戰(zhàn)斗部不同位置的沖擊過(guò)載，記錄了傳感器閉合—引信觸發(fā)—主裝藥起爆的動(dòng)作時(shí)序.通過(guò)地面高速攝影精確記錄了發(fā)火起爆過(guò)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(shí)間.

圖6 戰(zhàn)斗部起爆瞬間高速攝像照片

4 結(jié) 論

火箭橇試驗(yàn)相比于飛行試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是它相對(duì)較低的成本，而反向彈道火箭橇試驗(yàn)相比正向彈道試驗(yàn)在安全性和數(shù)據(jù)質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì).

從SNL的經(jīng)驗(yàn)看，數(shù)值計(jì)算和仿真已經(jīng)成為戰(zhàn)斗部和引信研制中重要的技術(shù)手段.通過(guò)創(chuàng)建計(jì)算機(jī)模型執(zhí)行大量工況的仿真計(jì)算，從仿真分析中識(shí)別的趨勢(shì)和影響條件中選取典型工況，開(kāi)展全尺寸或大尺寸反向彈道火箭橇試驗(yàn)，利用試驗(yàn)獲取的高速碰撞響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行校準(zhǔn)，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(yàn)有望在未來(lái)更多類(lèi)型戰(zhàn)斗部火箭橇試驗(yàn)中應(yīng)用.