电磁发射拦截系统拦截效应仿真

第20卷第3期 弹 道 学 报 V01．20No．3 2008年9月 JournalofBallistics Sep．2008 电磁发射拦截系统拦截效应仿真 邓启斌h3，夏智勋1，王成学2，张鹏翔3 (1．国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073； 2．海军航空工程学院研究生队，山东烟台264001；3．北京特种机电研究所，北京100081) 摘要：介绍了电磁发射拦截系统的组成和工作过程，分析了影响动能穿甲弹穿甲能力的因素．以拦截弹与穿甲弹相 碰撞的物理过程为例，建立了拦截弹和穿甲弹的三维有限元模型；对拦截弹与穿甲弹在穿甲弹与拦截弹侧面平行、 穿甲弹与拦截弹大圆孔轴线共面和穿甲弹在接触面上的投影与拦截弹接触面长边的夹角为45。这3种情况下的碰 撞过程进行了有限元仿真，分析了拦截弹与穿甲弹碰撞后的速度变化及状态改变情况，结果表明，拦截弹与穿甲弹 相碰后，穿甲弹对装甲车辆的破坏力明显降低． 关键词：电磁发射；拦截弹；主动防护 中图分类号：TM303．1文献标识码：A 文章编号：1004—499X(2008)03—0049-04 SimulationofInterceptingEfficiencyoftheElectromagnetic LaunchingInterceptionSystem DENGQi—binl～，XIAZhi—xunl，WANGCheng—xue2，ZHANGPeng—xian93 (1．SchoolofAerospaceandMaterialEngineering．NationalUniversityofDefenseTechnology。Changsha410073。China 2．GraduateStudentBrigade。NavalAeronauticalEngineeringInstitute，Yantai264001，China； 3．BeijingInstituteofSpecialElectromechnicalTechnology，Beijing10008l。China) Abstract：Themakeupandtheworkingprincipleoftheelectromagneticlaunchinginterception system(EMLIS)werepresented。andthefactorofinfluencingtheabilityofkineticenergyar— mour—piercingshellwasanalyzed．Takingthephysicalprocessofinterceptorimpactingonar— mour—piercingshellasanexample，a3Dfiniteelementmodel(FEM)ofinterceptorandarmour- piercingshellwassetup．Thefiniteelementsimulationofinterceptionprojectileimpactingar— mour——piercingshellwasperformedwhenarmor--piercingshellisparalleltothesideofinterception projectile，armor—piercingshelliscoplanartothebigholeaxesofinterceptionprojectileandpro— jectionofarmor—piercingshellatinterfacemakeanangleof45。withthelongsideofinterception projectileinterface．Thevariationofvelocityandstatewereanalyzedaftertheinterceptionprojec— tileimpactingagainstarmour—piercingshell．Theresultsrevealthatdamageofarmour—piercing shellpiercingarmorvehicleisreducedobviously． Keywords：electromagneticlaunching；interceptionprojectile；activeprotection 电磁发射拦截技术是一种用于拦截、摧毁敌方 攻击弹药的主动防护技术．该技术能极大地提高重 点防御目标及坦克等装甲车辆的生存能力，因而，目 前世界很多军事强国都在积极开展电磁发射拦截技 术的研究．电磁发射拦截技术又称为超近程反导技 术，与传统的近程拦截技术相比，它具有能源简易、 反应速度快及方向可控等优点，在军事领域有着良 好的应用前景．随着对电磁发射拦截技术研究的逐 步深入，关于电磁发射拦截效应的研究也日益受到 许多国家的重视．例如，近年来，法德联合实验室加 收稿日期：2007—07—10 作者简介：邓启斌(1963一)，男．副研究员．博士研究生．研究方向为电磁发射技术 50 弹 道 学 报 第20卷 强了对电磁拦截效应的研究工作，并取得了显著成 绩．荷兰国防与安全部也开始了对三维电磁拦截防 护的研究，并在二维和三维电磁拦截效应仿真方面 取得了一定的研究成果．为了探索拦截弹与动能弹 相碰撞时的作用机理，本文用数值仿真技术对拦截 弹与穿甲弹的碰撞过程进行了仿真． 1 电磁发射拦截系统 电磁发射拦截系统(ElectromagneticLaunch— ingInterceptionSystem，EMLIS)的组成如图1所 示L1]．该系统主要由探测系统、控制系统、电源(脉冲 电容器组)、开关、驱动线圈、绝缘材料、底座和拦截 弹组成．当探测系统探测到来袭的目标，控制系统判 断出来袭目标的类型，计算出来袭目标的方向、速度 和距离，确定拦截弹的发射时刻，瞬间闭合开关，将 拦截弹发射出去，拦截弹与来袭目标碰撞，使来袭目 标改变飞行方向或丧失破坏能力，从而确保受保护 装备的安全[2]． [二二二二) 来袭目标 拦截弹 绝缘材料 驱动线圈 底座 图1 电磁发射拦截系统的组成 2 影响动能穿甲弹穿甲能力的因素 2．1动能穿甲弹速度对穿甲能力的影响 动能穿甲弹的破坏威力与触靶速度密切相关． 图2所示为长杆形穿甲弹(L／d一10)射击半无限均 质装甲钢板所得的弹坑相对直径d／D及相对穿深 H／L与入射速度口之间的关系曲线[3]，其中，H为 装甲钢被穿入深度(拉伸强度900MPa)，D为弹坑 平均直径，L为弹体长度，d为弹体直径，A—L／d为 长径比，H。=H／L为相对穿深． 由图2可以看出，对于钨合金长杆形穿甲弹 L／d=10，穿入深度H与弹长相同时(H／L一1)的触 靶速度约为1600m／s．目前动能弹的速度约1700 1 800m／s，对初速为1700m／s的动能穿甲弹来 说，在2000m处的速度约为1580～1600m／s；而 对初速为1800m／s的动能穿甲弹来说，在2000m 处的速度约为1680～1700m／s．从图2还可以看 出，在着靶速度约为17001800m／s的范围内，曲 线的斜率很大，这表明如果穿甲弹的速度有少量降 低，其穿甲厚度将会降低许多．若用电磁发射拦截系 统发射拦截弹，使拦截弹在离被防护目标一定距离 上与穿甲弹相碰撞，则穿甲弹的速度会降低更多，穿 甲深度也会大大降低． 图2穿甲弹相对芽深与触靶速厦的关系 2．2动能穿甲弹入射角度对穿甲能力的影响 外挂反应装甲结构的坦克车辆的反应装甲板块 形成的倾斜间隙会使穿甲弹侵彻姿态发生变化．变 化规律近似满足Recht—Ipson理论： sin(2口)OC{(u毛／v；)／El+(1一口；。／v：)u2])(1) 式中，口为穿甲弹斜侵彻时弹体入射方向与出靶方向 间的角度，即偏斜角；Vo为穿甲弹的入射速度；强为 穿甲弹的极限穿透速度．若取穿甲弹穿透30mm／68 装甲板的砧。为600m／s，则当着靶速度从1600m／s 降低至1400m／s时，偏斜角口将增加约0．4。(从1．6。 增加到2．0。)，按偏斜角口为2．O。时侵彻能力降低6％ 计，速度降低200m／s，使侵彻能力显著下降．同时穿 甲弹入射角度增加，等同于装甲的防护厚度增加，这 将大大增加坦克车辆的防护能力． 2．3动能穿甲弹弹头状态对穿甲能力的影响 若拦截弹在离被防护目标一定距离的范围内与 穿甲弹相碰撞，可使穿甲弹偏离轨迹或者被损坏，从 而减小对被防护目标的毁伤能力．另外，拦截弹与穿 甲弹相碰撞后，会使弹头产生钝化，从而使穿甲弹的 作用效果大大降低． 3 仿真实例 以装甲车辆电磁发射拦截系统的拦截弹与穿甲 第3期 邓启斌。等 电磁发射拦截系统拦截效应仿真 51 弹相碰撞的物理过程为例，用某结构动力有限元分 析软件，对拦截弹的电磁拦截效应进行仿真． 3．1仿真方案 由于拦截弹与穿甲弹碰撞时的姿态及相对空间 位置存在随机性，分析中假设拦截弹与穿甲弹相碰撞 的姿态如图3所示．从图3可以看出，穿甲弹与拦截 弹接触面的夹角为45。，在此前提下，选取3种情况 (如图4所示)进行了仿真：①穿甲弹与拦截弹侧面平 行；②穿甲弹与拦截弹大圆孔轴线共面；③穿甲弹在 接触面上的投影与拦截弹接触面长边的夹角为45。． (a)穿甲弹与拦截弹侧面平行 (b)穿甲弹与拦截弹大圆孔轴线共面 图4拦截弹与穿甲弹的碰撞 3．2仿真模型 拦截弹与穿甲弹的仿真模型如图4所示．穿甲弹 弹芯直径25mlTl，杆长700mm，材料为钨合金；拦截 弹端面为梯形，长边170mm，短边30mm，高度 80mm，厚度100ITtm，中心大孔直径40mm，tl,孑L直 径20mm，材料为铝合金．模型的材料特性参数如 表1所示．表中，p为材料的密度，E为弹性模量，d为 材料的屈服强度，G为剪变模量，口为泊松比． 表1模型材料参数 p／(g·cm一3)E／GPaa／MPaG／GPa“ 拦截弹 2．69 72 380 26 0．36 穿甲弹芯 18 300 1600 0．65 0．32 对于第①、第③种情况采用1／2模型，这样既能 满足分析需要，又使模型单元数量减半，缩减计算时 间．对第②种情况采用全模型．给模型赋予相应的材 料特性后，选择六面体单元进行划分，生成拦截弹和 穿甲弹的有限元模型，其中拦截弹1／z模型的单元数 为491120个，穿甲弹1／2模型的单元数为1480个． 全模型的单元数量为第①、第②种情况的2倍． 对穿甲弹模型划分单元时，沿轴向实行单元渐 变处理，即头部(球形端部)单元密度较大，尾部单元 较疏．采用此措施的目的是既能保证穿甲弹头部有 较大的单元密度，确保计算精度，又能减少模型单元 的总体数量，减小计算时间．图5所示为拦截弹和穿 甲弹1／z模型的局部单元划分情况． 分析中，在碰撞初期假设拦截弹的速度为 图3拦截弹与穿甲弹的碰撞姿态 (c)穿甲弹在接他面上的投影与拦截弹 接触面长边的夹角为45。 200m／s，高速动能穿甲弹的速度约为1720m／s． 图5拦截弹与穿甲弹1／2模型的局部单元划分情况 3．3仿真结果分析 1)第①种碰撞情况． 图6(a)、6(b)分别为第①种情况下拦截弹与穿甲 弹碰撞后的状态及碰撞后穿甲弹头部的变形．碰撞后 拦截弹与穿甲弹的速度"z-31、％变化如图7所示． 图6第①情况下拦截弹与穿甲弹碰撞后的状态 从图6、图7可以看出，穿甲弹弹芯与拦截弹碰 撞后，产生了破碎钝化现象，穿甲弹杆前部发生弯 曲，杆头部变为墩粗墩扁，且速度由1720m／s减至 1671m／s，降低49m／s．同时，穿甲弹的运动方向偏 转2．9。，穿甲弹的穿甲能力受到较严重的影响． 52 弹 道 学 报 第20卷 220 200 ．180 ，160 量l加 120 100 80 0 ● 王 ≤ r 图7第①情况下碰撞后速厦变化 拦截弹碰撞后在侵彻部位产生大变形并贯穿成 孔，拦截弹的速度减小，方向改变． 穿甲弹弹芯与拦截弹碰撞，速度降低，再碰撞到 装甲车辆钢板后，穿甲深度大大降低．另外，对于 200mm厚的装甲钢板，穿甲弹以65。着角时，穿甲厚 度是473．5mm，拦截弹使穿甲弹的运动方向偏转 2．9。，穿甲弹的穿甲厚度变为531．6mm，相当于装甲 的防护厚度增加58．1mm，防护厚度增加12．3％． 假设拦截弹在距装甲车辆10m处与穿甲弹相 碰撞，拦截弹使穿甲弹的运动方向偏转2．9。，那么 穿甲弹在触及装甲车辆时将偏转0．5m，使穿甲弹 偏离装甲车辆的可能性增大． 2)第②种碰撞情况． 图8(a)、8(b)分别为第②种情况下拦截弹与穿 甲弹碰撞后的状态及碰撞后穿甲弹头部的变形．碰 撞后拦截弹与穿甲弹的速度如图9所示． 图8第②种情况下拦截弹与穿甲弹碰撞后的状态 图9第②种情况碰撞后速度变化 从图8、图9可以看出，穿甲弹芯与拦截弹碰撞 后，弹芯头部变为墩粗状，杆前部发生弯曲，速度由 1 720m／s减小到1701．7m／s，降低18．3m／s．同 时，穿甲弹的运动方向偏转4．5。，穿甲弹的穿甲能 力削弱． 拦截弹碰撞后在侵彻部位产生大变形，并被贯 穿产生孔，速度先减小后增大，方向改变． 穿甲弹弹芯与拦截弹碰撞后，产生了钝化现象， 最后碰撞到装甲车辆钢板，穿甲深度大大降低．另 外，对于200mm厚的装甲钢板，穿甲弹以65。着角 时，穿甲厚度是473．5mm，拦截弹使穿甲弹的运动 方向偏转4．5。，穿甲弹的穿甲厚度变为571．1mm， 相当于装甲的防护厚度增加睨．8mm，目标的防护 厚度增加20．7％． 假设拦截弹在距装甲车辆10m处与来袭穿甲 弹相碰撞，碰撞后，拦截弹使穿甲弹的运动方向偏转 4．5。，则穿甲弹在触及装甲车辆时将偏转0．79m， 使穿甲弹偏离装甲车辆的可能性大大增加． 3)第③种碰撞情况 图10(a)、10(b)分别为第③种情况下拦截弹与 穿甲弹碰撞后的状态及碰撞后穿甲弹头部的变形． 碰撞后拦截弹与穿甲弹的速度如图11所示． 图10第③种情况FF放弹与穿甲弹碰撞后的状态 图11第③种情况碰撞后速度变化 从图10、图11可以看出，穿甲弹芯与拦截弹碰 撞后，头部变成墩粗墩扁，并出现弯回现象，杆前部 发生弯曲；穿甲弹的速度由1720m／s减小至 1 671．1m／s，降低了48．9m／s，同时，穿甲弹运动 (下转第58页) 58 弹 道 学 报 第20卷 HUANGKun．LIURongzhong．Adutycycleoptimization andcaptureprobabilitycalculationofterminal——sensitiveprojee·- tiles[c]．27thAnnualAmmunitionAcademicSymposium． Beijing：ChinaOrdnanceSociety，1998．(inChinese) [2]黄鸱．刘荣忠．末敏弹系统效能灵敏度分析[J]．兵工学报。 2001．22(3)：412—415． ． HUANGKun，LIURongzhong．Sensitivityanalysisofsystem efficienaboutterminal—sensitiveprojectiles[J]．ActaArma— mentarii，2001，22(3)：412—415．(inChinese) [3]蔺飞燕．陈智锋．计算中心区敏感系数的数值仿真[C]．第十 二届引信学术年会论文集．北京：中国兵工学会．2001：43 —46． LINFeiyan，CHENZhifeng．Numericalsimulationforcenter region’ssensitivecoefficientcalculation[c]．12thAnnual FuzeAcademicSymposium．Baijing：ChinaOrdnanceSociety， 2001：43—46．(inChinese) (上接第52页) 方向偏转4．5。，较严重地影响穿甲弹的穿甲能力． 拦截弹碰撞后在侵彻部位产生大变形，出现撕 裂、破碎现象，速度先减小后增大，方向改变． 穿甲弹弹芯与拦截弹碰撞后，产生了破碎、钝化 现象，最后碰撞到装甲车辆钢板，穿甲深度大大降 低．由于穿甲弹与拦截弹碰撞后的偏转角度与第② 种情况相同，所以对相同厚度的装甲钢板和相同距 离外的装甲车辆来说，穿甲弹与拦截弹相碰撞后，其 穿甲厚度的改变量和对装甲车辆的偏移距离也相 同．此外，从穿甲弹的偏转角度和速度降低来看，这 种情况下，拦截弹的拦截效果要好于第①、第②种 情况． 4 结论 本文介绍了电磁发射拦截系统的组成及工作过 程，分析了影响动能穿甲弹穿甲能力的因素，以拦截 弹与穿甲弹相碰撞的物理过程为例，在穿甲弹与拦 截弹接触面的夹角为45。的前提下，对拦截弹与穿 甲弹相碰撞时，穿甲弹与拦截弹侧面平行、穿甲弹与 拦截弹大圆孔轴线共面和穿甲弹在接触面上的投影 与拦截弹接触面的长边的夹角为45。这3种情况时 [4]肖业伦．航天器飞行动力学原理[M]．北京：中国宇航出版社， 1995：18—20． XIAOYelun．Flightdynamicsmechanicsforspacecraft[M]． Beijing：ChinaAstronauticPublishingHouse．1995：18—20． (inChinese) [5]刘记军．EFP成型飞行及侵彻钢靶特性的数值模拟分析[J]． 弹箭与制导学报，2006，26(1)：71—73． LIUJijun．Numericalsimulationandanalysisofcharateristic ofEFPformingflyingandpenetratingsteeltarget[J]．Journal ofProjectiles，Rockets，MissilesandGuidance．2006，26(1)： 71—73．(inChinese) [63杨冬梅，陈惠武．EFP飞行及威力实验研究[J]．弹道学报， 2000-12(4)：82—85． YANGDongmei．CHENHuiwu．Experimentalstudyofflight characteristicsandpenetrationabilityofEFPwarhead[J]． JournalofBallistics，2000，12(4)：82—85．(inChinese) 的碰撞效果进行了仿真，结果表明，拦截弹与穿甲弹 相碰后，穿甲弹对装甲车辆的破坏力将明显降低．这 对进一步工程发展具有～定指导意义． 参考文献 [1]王成学．王向阳，曹延杰．电磁发射拦截装置中驱动线圈的结 构分析[J]．海军航空工程学院学报。2005，(3)：389—392． WANGChengxue。WANGXiangyang，CAOYanjie．Strue— turalanalysisoflaunchcoilinelectromagneticlaunchintercep— 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2005(3) 2.KLAUS S.VOLKER B Active armor protection-conception and design of steerable launcher systems fed by modular pulsed-power supply units 2001(1) 3.张自强 装甲防护技术基础 2000 4.赵国志 穿甲工程力学 1992 相似文献(4条) 1.期刊论文 邓启斌.夏智勋.王成学.王慧锦.DENG Qi-bin.XIA Zhi-xun.WANG Cheng-xue.WANG Hui-jin 电磁发射 拦截系统电磁发射组件仿真研究 -火炮发射与控制学报2008(3) 电磁发射组件基座的材料特性和结构参数变化会影响拦截弹的受力,进而影响拦截弹的发射速度.通过分析电磁发射组件的工作原理,推导了拦截弹的 受力方程.编制了有限元分析程序,开发了能够描述发射组件的三维实体模型和有限元模型,对电磁发射组件进行了电磁场仿真.结果表明,基座为磁性材料 的电磁发射组件能够减小磁能损失,增大拦截弹的受力;磁性材料基座的结构参数对拦截弹的受力也有影响,故实用中应依据基座材料的特性,合理选择基 座的截面尺寸. 2.期刊论文 王成学.曹延杰.王慧锦.金洪波.WANG Cheng-xue.CAO Yan-jie.WANG Hui-jin.JIN Hong-bo 电磁发射 拦截系统驱动线圈结构分析 -微特电机2008,36(10) 简要介绍了电磁发射拦截系统的组成,分析了拦截弹发射器的工作原理,建立了拦截弹发射器的三维模型和三维有限元模型,对驱动线圈进行了磁-结 构耦合分析,并对驱动线圈结构参数变化引起的拦截弹所受电磁力的变化情况进行了仿真,得到了驱动线圈匝间距变化和截面高度变化对拦截弹所受电磁 力的影响规律. 3.期刊论文 吴战胜.王成学.王慧锦.曹延杰.WU Zhan-sheng.WANG Cheng-xue.WANG Hui-jin.CAO Yan-jie 对电磁 发射拦截系统中拦截弹的运动分析 -海军航空工程学院学报2007,22(5) 介绍了电磁发射拦截系统的组成及工作原理,建立了发射线圈组件的三维模型.对承载150kA电流的发射线圈组件的工作过程进行了分析,得到了加载 瞬间拦截弹的受力、加速度、速度和位移的变化规律. 4.期刊论文 王向阳.曹延杰.王成学.吴战胜.WANG Xiangyang.CAO Yanjie.WANG Chengxue.WU Zhansheng 对电磁发 射拦截系统中发射线圈的研究 -海军航空工程学院学报2006,21(2) 文中介绍了电磁发射拦截系统的组成及工作原理,建立了发射线圈组件的三维模型.对不同匝间距和不同截面高度的发射线圈进行了磁场分析,得到了 拦截弹所受电磁力的变化规律. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_ddxb200803013.aspx 下载时间：2010年1月19日