王 鵬,郭 磊,李 巍,申明輝,王新泉,郭立力

(1 北京航天長征飛行器研究所, 北京 100076； 2 中國運載火箭彈技術研究院長征學院, 北京 100076)

0 引言

在現(xiàn)代高技術局部戰(zhàn)爭中,永備地下工事等高價值關鍵目標(比如地下指揮中心等),發(fā)揮的作用越來越大而備受人們的關注[1]?，F(xiàn)有傳統(tǒng)對地武器,很難對永備地下工事構成威脅。已有大量試驗表明[2-5],當速度超過一定值時,現(xiàn)有武器裝藥侵徹體材料侵深反而下降,且彈體材料易受破壞,內(nèi)裝藥毀傷效果大幅下降。因此研制具有新型毀傷模式的對地毀傷武器,已提上新型武器研制的議事日程。

相關資料顯示,當一定質(zhì)量的彈丸對地撞擊速度達到超高速時,其撞擊產(chǎn)生的能量將大于等質(zhì)量的炸藥爆炸產(chǎn)生的能量,且在撞擊過程中會產(chǎn)生許多新的物理和化學現(xiàn)象[3],因此超高速動能對地武器逐漸受到世界各軍事強國的重視,尤其據(jù)最新報道,美國近期試驗了多款超高速武器平臺(如X-37B、X-51A)[6-7],動能對地武器是備選武器之一。與傳統(tǒng)對地武器不同,動能對地武器,對超高速撞擊惡劣環(huán)境適應能力強,這里所說的超高速[8]是指動能武器著靶后,彈靶材料呈流體動力學形態(tài),材料可壓縮性不可忽略,此時彈靶材料的應變率通常在106～107之間,對應的彈靶相對速度在3 000～12 000 m/s之間。因此超高速動能對地武器毀傷效果研究代表了一個很重要的發(fā)展方向,也為將來天基武器發(fā)展做相應技術儲備。

目前由于超高速動能對地武器研究仍處于探索階段,對其毀傷模式和毀傷能力及其毀傷評估仍沒有合適手段,為此文中根據(jù)一定質(zhì)量動能棒超高速對地撞擊毀傷效果及其等效當量試驗,探索超高速動能對地武器的毀傷模式和毀傷能力,為超高速動能對地武器后續(xù)研究提供重要參考。

1 超高速動能對地武器主要毀傷形式及其成因分析

超高速動能對地武器,是一種將若干大質(zhì)量高密度實心金屬棒,搭載地地導彈或安裝在運行于地球軌道的衛(wèi)星上[7](如圖1所示),通過地地導彈上的制導裝置或其它衛(wèi)星實現(xiàn)對目標定位,并控制這些金屬棒以高速和超高速撞擊目標,利用撞擊侵徹過程形成的高強度沖擊波及層裂效應等,對深層堅固目標進行毀傷的新型鉆地武器。因此超高速動能對地武器對目標的毀傷效果,主要包括撞擊成坑、地沖擊、地震動等,當目標介質(zhì)中出現(xiàn)自由邊界時,還伴隨層裂現(xiàn)象。

圖1 “上帝之杖”系統(tǒng)和毀傷模擬

超高速撞擊地面后,主要產(chǎn)生撞擊成坑以及三種波[9],即沿地層深度傳入的縱波(也就是P波)、垂直縱波波陣面的剪切波(也就是S波),以及沿地表傳播的橫波(也就是R波),因此超高速對地撞擊形成的毀傷形式主要由這三種波共同作用而造成,如圖2所示。

圖2 超高速撞擊后形成的不同區(qū)域示意圖

其中地沖擊主要沿地層深度方向傳播,是對深層地下工事的主要毀傷形式,由P波與S波的垂直分量共同疊加形成,對于有限厚介質(zhì),當入射壓縮波到達混凝土結構內(nèi)表面時,將產(chǎn)生一個反射拉伸波向混凝土內(nèi)傳播。在混凝土結構內(nèi)表面附近,反射拉伸波與入射壓縮波相互疊加,疊加后生成的拉應力脈沖超過混凝土的動態(tài)抗拉強度時,混凝土結構內(nèi)表面產(chǎn)生層裂,最多可生成2次。對于石灰?guī)r類介質(zhì),已有資料顯示[10],其完全摧毀的壓力為100 MPa,嚴重受損的壓力為50 MPa。

地震動主要沿目標表面?zhèn)鞑?由R波和S波水平分量疊加而成,該種毀傷形式是超高速動能對地武器毀傷地面目標的主要毀傷形式,主要表現(xiàn)為強度低、傳播速度慢、衰減慢、頻率低、傳播距離遠等特點。通過地表橫波可引起建筑物震動,一旦震動過載超過建筑物設計的承受值,將使得建筑物墻體開裂、坍塌形成破壞。

2 超高速動能武器對地撞擊及其等效當量

超高速對地撞擊的特點與化學能類似,為直觀了解超高速動能武器對地毀傷能力,文中用化學能對其進行毀傷能力評估。超高速動能武器打擊的目標是深層地下工事,而造成地下工事破壞的主要是地沖擊效應。因此把超高速撞擊等效當量定義為：能與超高速動能對地武器造成相同埋深地下目標嚴重毀傷的裝藥量。

根據(jù)上述地震動和地沖擊分析,可以看出,地沖擊的表征值主要表現(xiàn)為形成的壓實區(qū)深度,最直接反映在所形成的壓實區(qū)密度相對于原狀土密度的增益,為此可通過測試地震動過載以及壓實區(qū)土層密度的變化,來評估超高速動能對地武器的毀傷效果。

2.1 超高速動能棒對地撞擊結果及其分析

搭載同一平臺進行了兩種質(zhì)量相同材料不同百千克級的動能棒超高速對地撞擊試驗,分別表示為試驗件一和試驗件二,其中試驗件一密度約是試驗件二密度的2.3倍,二者延伸率相當,σb相當,采用成熟的標準灌砂法獲得了兩種情況超高速對地撞擊壓實區(qū)深度,利用不同方向、不同量程過載傳感器獲得了兩種情況超高速對地撞擊地震動數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗可以看出：

1)超高速情況下,試驗件一對地造成的毀傷深度和壓實區(qū)厚度,均優(yōu)于試驗件二相應數(shù)值,其中試驗件一形成的毀傷深度比試驗件二形成的毀傷深度增大約72%,壓實區(qū)厚度增大約80%；

2)超高速情況下,試驗件一對地造成的可見坑尺寸,比試驗件二對地造成的可見坑尺寸小約50%；

3)對比前兩條內(nèi)容,可以看出試驗件一能量釋放主要沿地層深度方向,方向性更強；

4)從試驗件一和試驗件二超高速對地撞擊后回收物來看,試驗件一攜帶能量的轉(zhuǎn)化率,明顯高于試驗件二攜帶能量的轉(zhuǎn)化率,其中試驗件一回收最大殘片僅為百克量級,其余大都轉(zhuǎn)化為多孔狀燒結物,而回收試驗件二殘片的有幾十千克,多為磨蝕和墩粗破壞,未見轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì),基本保持了產(chǎn)品的初始性態(tài)；

5)從對回收殘片位置看,如果要獲得較大毀傷深度,韌性材料不宜作為動能棒的候選材料,其中回收試驗件二的殘片位置多集中在可見坑底表面,而試驗件一的殘片回收位置多在侵徹隧道內(nèi)。

2.2 等效當量評估結果

用TNT炸藥來進行超高速動能對地撞擊毀傷效果等效當量評估。在每個撞擊成坑附近各選定3塊一定直徑的平整未經(jīng)擾動的場地,炸藥質(zhì)心距地表垂直向下一定距離,并保持該距離不變,分別埋設400 kg、800 kg和1 200 kg TNT炸藥,進行化爆試驗,用2.1節(jié)方法同樣對此進行測試,并與試驗件一所獲結果進行比對,根據(jù)試驗結果可以看出:

1)超高速情況下,百公斤級試驗件一對地撞擊后形成的壓實區(qū)厚度,與炸藥質(zhì)心距地表一定深度處1 200 kg TNT爆炸形成的壓實區(qū)厚度相當；

2)超高速情況下,百公斤級試驗件二對地撞擊形成的壓實區(qū)厚度,與炸藥質(zhì)心距地表一定深度處400 kg TNT爆炸形成的壓實區(qū)厚度相當；

3)超高速情況下,百公斤級試驗件一地震動參數(shù)測試結果,與800 kg TNT炸藥爆炸產(chǎn)生地震動相當,與第一條對比進一步表明,試驗件一能量釋放主要沿深度方向。

3 超高速動能對地毀傷深度及其等效當量估算

動能棒超高速撞擊靶板同炸藥爆炸作用靶板類似,只是產(chǎn)生源不同,在靶板中都產(chǎn)生了沖擊波,而沖擊波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律是相似的,因此可以參考炸藥在介質(zhì)中爆炸的研究方法,通過相似理論研究超高速撞擊在介質(zhì)中產(chǎn)生的沖擊波傳播規(guī)律。

(1)

式中：Pm為沖擊波峰值壓力,單位為MPa,ω、r的單位分別為J和m?？紤]到炸藥在介質(zhì)中不同的位置爆炸,以及爆炸后形成的沖擊波在介質(zhì)中的衰減情況,將式(1)修訂為：

Pm=A((ηtω)/r)β

(2)

式中：ηt為地表爆炸相對于不同深度爆炸的等效當量埋深系數(shù),A和β為與介質(zhì)相關的衰減系數(shù),根據(jù)已有地面試驗,典型介質(zhì)系數(shù)如表1所示。

表1 幾種典型介質(zhì)的應力波傳播規(guī)律試驗值

為確定埋深系數(shù)ηt,引入封閉度的概念,即爆炸深度對爆炸地沖擊強度及坑道破壞特征影響程度的指標,用B來表示,可由下式計算：

(3)

式中：hq為裝藥中心至地面投影點的深度(m),hk為臨界無影響深度(m)。hk可用下式計算：

(4)

埋深系數(shù)ηt由下式獲得：

綜合上述各式的意義就在于,當量為ω的炸藥在地下爆炸產(chǎn)生的地沖擊及坑道破壞效應,與當量為ηtω的炸藥在地表爆炸產(chǎn)生地沖擊及坑道破壞效應相當,這樣就能切實描述：觸地起爆的傳統(tǒng)彈藥與超高速動能對地武器之間的等效關系。

根據(jù)上述計算公式,首先來計算此次試驗動能棒與TNT觸地爆情況下等效當量。動能棒與試驗動能棒質(zhì)量、外形完全一致,落速也用實測落速。從計算結果可以看出,以第3部分試驗為比較對象,也就是說,能完全摧毀地下10 m左右地下工事嚴重破壞,若要達到相同的毀傷效果,試驗動能棒對地造成的毀傷深度與37 t TNT裝藥在地表爆炸的毀傷能力相當。

據(jù)此增大動能棒質(zhì)量,動能棒長徑比保持不變,計算了長徑比為10的噸級動能棒,以速度4 500 m/s撞擊巖石介質(zhì),可得該種工況能完成摧毀地下15.58 m處的工事,能造成地下20 m處的地下工事嚴重破壞,與180 t TNT炸藥在地表爆炸的毀傷能力相當。

4 結論及建議

通過上述試驗和初步分析,超高速動能棒對地撞擊具有能量釋放方向性強、地沖擊有效作用距離大等特點,能對深層地下工事構成威脅,代表了未來有效打擊深層地下工事武器的一個發(fā)展方向。但國內(nèi)在超高速動能對地毀傷及其等效評估研究方面,尚處于探索階段,文中所獲結果有限,還有很多物理和化學現(xiàn)象沒有發(fā)現(xiàn),為此提出如下建議：

1)進行超高速動能對混凝土靶板二級輕氣炮試驗,獲得沿深度方向強沖擊壓力傳播規(guī)律,找出超高速情況下動能棒和目標介質(zhì)的本構方程；

2)由于動能棒和目標介質(zhì)的本構方程還不確定,SPH方法的適用性和超高速情況下的相關材料參數(shù)還需要進一步試驗來驗證,故無法實現(xiàn)超高速動能棒對地撞擊在數(shù)值仿真和理論方面的突破；

3)進一步擴展超高速動能武器的打擊目標,比如航母等對戰(zhàn)爭勝負影響較大的目標,并在此進行相關機理研究。