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        爆炸沖擊波對“低慢小”無人機毀傷效應(yīng)研究

        2022-06-06 12:56:40姜穎資宋海博
        彈箭與制導(dǎo)學(xué)報 2022年2期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)

        姜穎資,宋海博

        (94259部隊,山東 煙臺 265600)

        0 引言

        近年來,無人機在世界局部戰(zhàn)爭中頻頻顯露身影,并展現(xiàn)出不容忽視的威力和潛在的巨大威脅,在各軍事強國的軍事技術(shù)競爭中,體現(xiàn)出越來越重要的作用和地位,特別是“低慢小”無人機和無人機蜂群戰(zhàn)術(shù),可能會改變未來戰(zhàn)爭的形態(tài)和方式。因此各國在積極研究無人機作戰(zhàn)模式的同時,也在大力研究和探索反無人機的系統(tǒng)、武器、裝備和手段。

        無人機,特別是“低慢小”無人機,具有低空突防強、目標(biāo)特征弱、成本低、操縱靈活性高的特點。傳統(tǒng)的大型防空導(dǎo)彈對無人機的毀傷概率不高,而且兩者的造價相差巨大,從效費比上來看也明顯不適用。未來對抗“低慢小”無人機、發(fā)展新式防空武器十分重要。爆破戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)簡單,相配的防空導(dǎo)彈在同等情況下造價較低。研究小裝藥量爆破戰(zhàn)斗部,對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng),為打造適用的對抗武器提供思路和參考,具有一定的現(xiàn)實意義。

        1 爆炸沖擊波對無人機目標(biāo)毀傷原理

        1.1 “低慢小”無人機目標(biāo)易損性分析

        “低慢小”無人機的目標(biāo)易損性,與載人作戰(zhàn)飛機的區(qū)別主要在不需要考慮飛行人員的損傷。參照載人作戰(zhàn)飛機毀傷等級劃分,針對“低慢小”無人機目標(biāo)特性,毀傷等級從高至低可劃分為:K級,發(fā)動機、燃料系統(tǒng)等被擊中,無人機直接解體破壞;A級,無人機受攻擊后,在極短時間,一般不超過在30 s內(nèi)失去控制; B級,無人機受攻擊后,產(chǎn)生偏航、內(nèi)部主要設(shè)備損壞等不能完成作戰(zhàn)任務(wù);C級,無人機受攻擊后在較短,沒有完成設(shè)定任務(wù)的時間內(nèi)即失去控制;D級,無人機受攻擊后無法返航。

        無人機在空中飛行易受爆炸沖擊波的破壞,特別是低空飛行,空氣密度較大時。爆炸沖擊波超壓作用在無人機機體表面,會造成蒙皮大面積凹陷、甚至撕裂,機內(nèi)電子設(shè)備損壞失靈等。根據(jù)試驗和大量經(jīng)驗總結(jié),入射于飛機上的沖擊波超壓Δ在0.05~0.10 MPa之間,飛機就會嚴(yán)重?fù)p傷;Δ>0.10 MPa就可使其完全破壞。

        1.2 爆破戰(zhàn)斗部作用原理

        防空使用的外爆式爆破戰(zhàn)斗部殼體較薄,幾乎對打擊目標(biāo)不產(chǎn)生毀傷效應(yīng),爆炸沖擊波是爆破戰(zhàn)斗部最主要的毀傷單元,一般研究時都是將爆破戰(zhàn)斗部等效為一定當(dāng)量的裸裝藥進行相關(guān)計算。

        爆炸沖擊波對目標(biāo)的毀傷主要是通過沖擊波超壓和比沖量來實現(xiàn),其對目標(biāo)的毀傷效果與沖擊波的超壓峰值、正壓時間、比沖量以及目標(biāo)、結(jié)構(gòu)的抗破壞能力等有關(guān)。爆破戰(zhàn)斗部爆炸時若距離目標(biāo)較近,爆轟產(chǎn)物和爆炸沖擊波共同毀傷目標(biāo),與目標(biāo)距離若超過15倍裝藥半徑,爆轟產(chǎn)物基本不起作用,爆炸沖擊波單獨破壞目標(biāo)。裝藥動爆,如果裝藥運動方向和爆轟產(chǎn)物飛散方向一致,兩者共同作用的距離會增加。

        2 爆炸沖擊波理論計算及與數(shù)值模擬結(jié)果對比

        2.1 爆炸沖擊波超壓和比沖量理論計算

        對于圓柱形TNT裸裝藥,其爆炸沖擊波入射超壓計算公式為:

        (1)

        其它類型裸裝藥可換算成TNT裝藥當(dāng)量,再按式(1)近似估算Δ。等效TNT裝藥當(dāng)量計算公式為:

        (2)

        式中:為某裝藥的等效TNT當(dāng)量;為某裝藥質(zhì)量;和分別為某裝藥和TNT的爆熱。作用于目標(biāo)的比沖量計算公式為:

        (3)

        式中:為沖擊波正壓持續(xù)時間。

        2.2 數(shù)值模擬與理論計算結(jié)果對比

        某爆破戰(zhàn)斗部的主裝藥為HMX炸藥,其等效裸炸藥當(dāng)量為40.10 kg,爆熱為5 673 J/g,TNT炸藥爆熱為4 184 J/g,則根據(jù)式(1)、式(2)理論計算出,此爆破戰(zhàn)斗部爆炸后距離其爆心1 m和3 m處的入射沖擊波超壓分別為102.22 MPa和 3.64 MPa。

        數(shù)值模擬采用Euler算法,使用High-explosive-burn模型和JWL狀態(tài)方程描述HMX炸藥,空氣采用Null材料模型和Linear-Polynomial狀態(tài)方程描述。HMX炸藥材料參數(shù)如表1所示。

        表1 HMX炸藥材料參數(shù)

        High-explosive-burn模型和JWL狀態(tài)方程為:

        (4)

        式中:為爆轟壓力;為相對體積;為炸藥單位體積內(nèi)能;,,,,為材料常數(shù)。

        建立的數(shù)值模擬模型共兩個部分,第一部分為爆破戰(zhàn)斗部等效裸裝藥,第二部分為空氣域。數(shù)值模擬計算爆破戰(zhàn)斗部靜爆后,距離爆心1 m和3 m處,空氣域中入射沖擊波壓力峰值附近部分節(jié)點的壓力-時間曲線,分別如圖1和圖2所示。

        圖1 距爆心1 m處空氣域部分節(jié)點壓力-時間曲線

        圖2 距爆心3 m處空氣域部分節(jié)點壓力-時間曲線

        數(shù)值模擬計算爆破戰(zhàn)斗部靜爆后,距離其爆心1 m和3 m處,入射沖擊波平均超壓分別約為101.38 MPa和3.32 MPa,與理論計算結(jié)果較為吻合。兩者對比,說明數(shù)值模擬模型和材料參數(shù)正確,相關(guān)計算結(jié)果真實可信。

        3 有限元計算模型及物理參數(shù)

        3.1 有限元計算模型

        某型“低慢小”無人機,長度為220 cm,高度為30 cm,翼展388 cm,蒙皮厚2 mm,材料為TC4鈦合金,其簡化模型如圖3所示。某導(dǎo)彈的爆破戰(zhàn)斗部裝藥為圓柱形,半徑為15 cm,長度為30 cm,主裝藥為HMX炸藥。真實“低慢小”無人機與導(dǎo)彈在空中遭遇,彈目交會情況復(fù)雜多樣,文中數(shù)值模擬計算將彈目交會角定義如圖4所示。

        圖3 無人機簡化模型

        圖4 彈目交會角定義

        采用LS-DYNA的流固耦合算法,計算爆炸沖擊波和爆轟產(chǎn)物對某型“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng)。計算模型中裝藥和空氣域,使用Euler單元,無人機蒙皮使用Lagrange單元。

        3.2 物理參數(shù)

        無人機蒙皮材料為TC4鈦合金,采用Johnson-Cook模型進行描述,狀態(tài)方程采用Grüneisen狀態(tài)方程,其材料參數(shù)如表2所示。

        表2 TC4鈦合金材料參數(shù)

        4 各工況數(shù)值計算結(jié)果及分析

        4.1 不同距離和彈目交會下爆炸沖擊波對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng)

        真實戰(zhàn)場環(huán)境下,彈目之間距離與交會的角度存在各種情況。爆破沖擊波在空氣中的傳播速度、波陣面的壓力衰減很快,因此彈目距離不同,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的毀傷能力差異巨大。相同的彈目距離,還需考慮彈目交會角的不同。在空中遭遇時,爆破戰(zhàn)斗部和“低慢小”無人機各具速度,則兩者交會角不同,相對運動速度不同,動爆效應(yīng)會不同,而且爆炸沖擊波、爆轟產(chǎn)物和無人機的接觸面積、接觸角度也不同。因此,即使彈目距離相同,不同的交會角毀傷效應(yīng)也存在差異。

        文中數(shù)值計算爆破戰(zhàn)斗部距“低慢小”無人機1 m、2 m、3 m,彈目交會角分別為0°、30°、60°的工況,以及3個交會角情況動爆下,穿透無人機蒙皮后,入射沖擊波超壓分別超過0.05 MPa和0.1 MPa的彈目臨界距離,來研究評估爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng)。彈目交會時,爆破戰(zhàn)斗部取兩倍音速,“低慢小”無人機速度為50 m/s。部分工況毀傷效果,如圖5~圖8所示。

        圖5 距離1 m、2 m、3 m,交會角0°、30°、60°初始狀態(tài)

        圖6 距離1 m,交會角0°對低慢小無人機毀傷應(yīng)力云圖

        圖7 距離2 m,交會角30°對低慢小無人機毀傷應(yīng)力云圖

        圖8 距離3 m,交會角60°對低慢小無人機毀傷應(yīng)力云圖

        各工況“低慢小”無人機毀傷具體數(shù)據(jù)如表3所示。從毀傷數(shù)據(jù)可以看出,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的毀傷,主要表現(xiàn)為面毀傷、結(jié)構(gòu)毀傷,毀傷能力最大的影響因子是彈目距離。隨著彈目距離的增加,毀傷效應(yīng)迅速降低。在彈目距離1 m處,無人機蒙皮大面積破裂,且上下兩層蒙皮均有破裂;距離2 m時,無人機蒙皮表現(xiàn)為局部破裂和大面積的凹陷,上層蒙皮沒有出現(xiàn)破裂和凸起;距離3 m時,無人機下層蒙皮表現(xiàn)為小面積、點破裂和局部的凹陷。對比沖擊波超壓峰值,彈目距離1 m和2 m相差超過10倍,彈目距離2 m和3 m之間也有4~5倍的差距,這符合沖擊波在空氣中衰減迅速的特性。

        表3 低慢小無人機結(jié)構(gòu)毀傷效應(yīng)和沖擊波超壓峰值

        相同彈目距離3個彈目交會角對比,30°的工況毀傷效應(yīng)最強,然后是60°,最弱為0°。這是因為30°和60°的工況,爆破戰(zhàn)斗部與“低慢小”無人機之間,具有較高相向運動速度,這種動爆,會加成爆炸沖擊波的速度和威力;從超壓峰值來看,也是30°、60°的工況,高于0°的工況。而60°的工況總體毀傷能力弱于同距離30°的工況,是因為爆炸沖擊波與無人機蒙皮斜相交角度過大,雖然60°的工況裝藥朝向目標(biāo)方向上的速度分量較大,但正相交于無人機表面的入射沖擊波分量較小,正入射入無人機內(nèi)部的沖擊波壓力較小,抵消了彈目之間垂直方向相對速度較大的毀傷加成。如果裝藥和目標(biāo)之間的相對速度增加到一定程度,將只能抵消一部分相對相對速度較大的毀傷加成,屆時60°工況的毀傷效果會超過30°工況。

        綜合數(shù)據(jù)和以上分析,可以得出結(jié)論,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng),隨彈目距離的增加而迅速減小。在相同彈目距離時,毀傷效應(yīng)先隨彈目交會角的增大而增大,到達一定角度后,再隨角度的增大而減小。

        TC4鈦合金的波阻抗,遠(yuǎn)大于戰(zhàn)斗部的裝藥,數(shù)值模擬計算,0°、30°、60°三個彈目交會角,分別在彈目距離6.15 m、6.49 m和6.32 m時,經(jīng)過機體蒙皮的阻擋和反射,傳入“低慢小”無人機內(nèi)部的沖擊波超壓峰值僅超過0.05 MPa;0°、30°、60°三個彈目交會角,分別在彈目距離4.53 m、4.98 m和4.64 m時,機體內(nèi)部沖擊波超壓峰值僅超過0.10 MPa。

        根據(jù)“低慢小”無人機目標(biāo)易損性,彈目距離1 m時,若爆炸沖擊波擊中發(fā)動機、螺旋槳、燃油系統(tǒng)等,發(fā)動機會損毀、螺旋槳葉片會斷裂、燃油系統(tǒng)會爆炸;若擊中機翼,機翼會折斷。即使沒有擊中要害部位,超過無人機超壓破壞臨界值幾百倍的壓力,也會徹底損壞無人機內(nèi)部的設(shè)備,使其完全喪失性能??烧J(rèn)定彈目距離1 m,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機造成K級毀傷;彈目距離2 m時,穿透無人機蒙皮后的沖擊波超壓峰值,依然是0.1 MPa的幾十倍,因此彈目距離2 m,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機造成K級或A級毀傷;彈目距離3 m時,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的結(jié)構(gòu)毀傷已不明顯,但其超壓峰值尚在臨界破壞壓力值的10倍左右。因此彈目距離3 m,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機造成A級或B級毀傷。彈目距離在4.53~4.98 m之間,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機造成B級或C級毀傷;彈目距離在6.15~6.49 m之間,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機造成C級或D級毀傷。

        4.2 爆炸沖擊波疊加效應(yīng)對毀傷結(jié)果的影響分析

        沖擊波疊加現(xiàn)象是物理界的典型問題,根據(jù)大量的相關(guān)研究,兩個或多個沖擊波正相交、斜相交,會疊加合成更強的沖擊波,從而增加對目標(biāo)的毀傷能力。面對無人機蜂群式攻擊,發(fā)射的防空導(dǎo)彈也需要一定的數(shù)量。多枚爆破戰(zhàn)斗部在空氣中臨近、幾乎同時爆炸,很容易形成沖擊波的疊加,對無人機造成遠(yuǎn)大于簡單相加的毀傷效應(yīng)。對比研究彈目距離2 m,單一爆破戰(zhàn)斗部和兩枚同時起爆、外沿相距1 m的爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng),結(jié)果如圖9~圖11所示。

        圖9 單個和雙爆破戰(zhàn)斗部打擊低慢小無人機初始狀態(tài)

        圖10 距離2 m,交會角0°,毀傷應(yīng)力云圖

        圖11 兩個爆破戰(zhàn)斗部同時起爆的疊加毀傷應(yīng)力云圖

        經(jīng)過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn),兩枚同時起爆的裝藥,在穿過兩裝藥的對稱中心線,并垂直于兩裝藥橫截面的平面產(chǎn)生最強的沖擊波疊加,疊加效應(yīng)隨遠(yuǎn)離該平面而減弱,且疊加后,沖擊波壓力峰值的增益,隨傳播距離的增加呈增長趨勢。在彈目距離2 m,兩裝藥外延相距1 m,方向平行的工況,沖擊波峰值超壓,相比單一裝藥爆炸增加了大約32.2%~57.3%。在其它方向,沖擊波壓力形成延時疊加和耦合,疊加和耦合的時間呈非線性、各不相同,這就會在不同的時間和位置,產(chǎn)生多個沖擊波壓力峰值,從而沖擊波超壓作用的時間延長,比沖量大大增加,對“低慢小”無人機造成多次、累加的毀傷。

        工況彈目距離2 m,兩裝藥同時起爆,沖擊波正相交、斜相交,疊加的最強區(qū)域,超壓撕裂了“低慢小”無人機上下兩層蒙皮,對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng)基本等同于彈目距離1 m的工況。根據(jù)相關(guān)的研究,裝藥數(shù)量的增加,會提高沖擊波疊加形成的高壓區(qū)域和沖量。預(yù)測多個爆破戰(zhàn)斗部在相近時間和位置爆炸,有可能在一個較大區(qū)域內(nèi),沖擊波互相疊加,形成一個存在時間較長、出現(xiàn)多次波峰的高壓區(qū)。在此區(qū)域內(nèi),“低慢小”無人機蜂群完全K級毀傷,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等數(shù)量爆破戰(zhàn)斗部,在相同距離對“低慢小”無人機蜂群毀傷的簡單相加。

        5 結(jié)論

        通過理論計算和數(shù)值模擬計算的對比,驗證了數(shù)值模擬數(shù)據(jù)、模型的準(zhǔn)確性,結(jié)合“低慢小”無人機特性和飛機類目標(biāo)毀傷超壓準(zhǔn)則,給出了“低慢小”無人機的毀傷等級和超壓臨界毀傷距離。

        計算結(jié)果表明,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的毀傷主要為面毀傷和結(jié)構(gòu)毀傷,毀傷能力隨彈目相對距離的增加而迅速減弱;彈目交會角對毀傷能力也有較大的影響,彈目距離相同的前提下,爆破戰(zhàn)斗部對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng),先隨彈目交會角的增大而增大,到一定角度后,再隨彈目交會角的增大而減小。

        進行了雙爆破戰(zhàn)斗部同時起爆數(shù)值模擬,計算結(jié)果顯示沖擊波疊加最強區(qū)域的超壓,相比單一裝藥爆炸,增益了大約57.3%,對“低慢小”無人機的毀傷效應(yīng)明顯大于同距離、兩爆破戰(zhàn)斗部造成的毀傷相加;計算結(jié)果和分析,可為后續(xù)研究多爆炸沖擊波的復(fù)雜相互疊加,對“低慢小”無人機蜂群的毀傷效應(yīng)提供一定的參考。

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