反导毁伤元头部形状对目标穿甲毁伤效应的影响

徐英麦，杜茂华，王伟力，卢明章，田述栋

（1.91049 部队，山东 青岛 266102；2.海军航空工程学院 a.七系；b.兵器科学与技术系，山东 烟台 264001；）

直接碰撞杀伤(hit to kill，HTK)是在传统的防空反导技术基础上，取消大质量非触发爆炸式战斗部而以直接命中方式杀伤目标的一种新兴反导武器技术，代表着反导武器面向未来高技术战场反导作战需求的一个重要发展方向。

自20世纪70年代以来，美国已经先后研制并试验了多种类型的动能拦截弹。动能拦截弹靠高速运动所具有的巨大动能毁伤来袭目标，降低来袭目标的作战效能。

在HTK反导模式下，毁伤元的形状对舰载超近程反导智能弹药的毁伤效应具有重要影响。本文在分析反舰导弹目标易损性的基础上，分别就尖头毁伤元和钝头毁伤元对反舰导弹靶板的毁伤效应进行了研究。

1 反舰导弹易损性及毁伤模式分析

西方海军对“捕鲸叉”导弹和“飞鱼”导弹的使用率长期居反舰导弹之首，其各种性能仍在不断提高。

分析国外现役的各种反舰导弹，其组成部分主要包括弹体、弹翼、制导与控制系统、动力装置和引战系统等。弹体一般有良好的气动外形以减少空气阻力，弹体头部多为流线形，弹体截面多为圆形。弹体较为细长，弹体通常用铝合金或复合材料等制成。为了便于维护使用，反舰导弹弹体多采用分段模块化设计。反舰导弹典型弹体结构如图1所示。

图1 反舰导弹弹体结构示意图

反舰导弹的易损性是反导武器的毁伤特性和反舰导弹本身的物理特性的函数[1]。反舰导弹的物理特性包括：几何结构、硬度、关键性部件的数量和位置，以及决定一次命中能引起的毁伤或使其失去战斗能力的总概率的其他特性[2]。本文主要研究毁伤元头部形状对导弹的穿甲毁伤效应的影响。

目前，舰艇反导作战主要是使用舰载防空导弹、舰炮对反舰导弹进行拦截，它们主要是通过破片式对反舰导弹进行杀伤；另外，对反舰导弹进行电子干扰，使其制导控制系统功能失常或失效，进而使反舰导弹偏离目标。反舰导弹的毁伤分为结构毁伤和功能毁伤。因此，对反舰导弹毁伤级别的定义中，反舰导弹毁伤度分为K 和C 2级[3]。

K级毁伤：导弹立即解体；

C级毁伤：不能完成预定作战任务。

造成K级毁伤的原因主要是在破片作用下，反舰导弹战斗部爆炸，或者燃油箱着火或爆炸，再者可能是破片作用下导弹弹翼折断。K级毁伤的毁伤树如图2所示。

图2 K级毁伤的毁伤树

造成C级毁伤的原因主要是反舰导弹的控制系统、制导系统、动力系统和引战系统受创，造成反舰导弹不能完成预定的作战任务。可能具有一定的毁伤元破片的硬杀伤和电子干扰手段的软杀伤能力。C级毁伤的毁伤树如图3所示。

图3 C级毁伤的毁伤树

2 HTK反导毁伤机理分析

1)HTK反导毁伤机理。HTK反导模式下，当毁伤元以其具有的巨大动能对来袭反舰导弹进行侵彻毁伤时，其侵彻穿甲过程属于高速冲击动力学研究范畴。侵彻过程中，当毁伤元撞击靶板所产生的应力高于靶板材料的强度极限时，靶板将发生破坏[4-7]。最常见的破坏形式归纳起来主要以冲塞穿甲、花瓣型穿甲、延性扩孔穿甲。薄板穿甲问题的破坏模式与毁伤元速度、头部形状、靶板材料和靶板厚度等因素关系密切。毁伤元头部外形是影响侵彻穿甲过程的主要因素，尖头毁伤元对撞击靶板的破坏主要集中在弹体轴线的四周，如图4所示；平头毁伤元对靶体的破坏涉及到以碰撞点为圆心的一个圆柱面或一个圆锥面，如图5所示。

图4 尖头毁伤元侵彻薄板破坏模式

图5 平头毁伤元侵彻靶板毁伤模式

2)HTK反导对来袭反舰导弹的毁伤特点。当毁伤元与来袭反舰导弹相对速度较高时，穿甲冲击目标靶板后会引起撞击区域较大范围内的变形与破坏：

①当毁伤元头部为锥角时。毁伤元侵彻薄靶板的过程中，头部先压过靶板，使靶板材料在头部锥体压力作用下产生剪切滑移变形，并贴合于锥形头部表面，尤其锥角大于π/4时，在靶板背面形成锥形隆起，在头部继续前进运动下，与弹尖端接触部分最先破裂，随着裂纹的进一步延伸形成花瓣型破坏。

②当毁伤元头部为平头形时。毁伤元撞击薄靶板的过程中，在靶板内引起顺着撞击方向的位移，在撞击区域周边造成靶板材料的剪切变形。当变形达到一定程度后，毁伤元头部前方的材料与靶材发生剪切断裂，形成冲塞破坏。

根据上述特点，舰载超近程反导智能弹药采用HTK反导模式时，尖头毁伤元破坏模式为锥形隆起—花瓣型破坏，平头毁伤元破坏模式为冲塞式破坏。整个穿甲过程中尖头毁伤元消耗的动能主要是通过靶板隆起变形和花瓣形成所吸收，而花瓣形成是由裂缝的扩展和花瓣弯曲的方式完成的；平头毁伤元消耗的动能主要是靶板剪切变形和冲塞体形成所吸收，而冲塞体的形成是由靶板剪切变形和冲塞体断裂完成的。

3 HTK反导对反舰导弹穿甲毁伤效应动态分析

由于试验的复杂性和反舰导弹的特殊性以及经济性，在进行HTK反导模式下舰载超近程反导智能弹药毁伤效应研究时，不可能进行系统性的实验研究。我们采用 LS-DYNA 线性有限元程序研究HTK反导模式下动能穿甲过程的物理现象和本质[8]及其HTK反导对反舰导弹的毁伤效应。

由于毁伤元直径远小于反舰导弹弹体直径，计算时，反舰导弹可等效为平板。在研究中，舰载超近程反导智能弹药的动能毁伤元采用 Plastic-Kinematic模型，来袭反舰导弹材料选用考虑应变、应变率和温度效应的Johnson-cook 材料模型和Grüneisen 状态方程。

根据对典型来袭反舰导弹结构的分析，目标靶板设计为单层16 mm 厚4340 钢靶，动能毁伤元采用93#钨，头部形状分别为尖头锥形和平头圆柱形2种，2种毁伤元质量相等、弹径相同，都为10 mm，计算有限元模型如图6所示，计算中采用的主要参数见表1[9]、表2和表3[10]。

图6 动能毁伤元侵彻单层靶有限元模型

表1 材料Plastic-kinematic模型参数

表2 材料John-cook模型参数

表3 材料Grüneisen 状态方程参数

数值计算模型的建立基于以下假设：HTK反导模式下，舰载超近程反导智能弹药毁伤元和目标靶板结构材料为均匀连续介质；材料的初始应力为0，不计空气阻力，不考虑重力的作用。为了比较预测效果，按照相对速度由225～400 m/s 每隔25 m/s为间距进行规律性、机理性的系统模拟，获得的2种破坏模型下速度历史曲线如图7所示。

图7 不同毁伤元在不同速度下的速度时间历程图

从图7中可以看出，初速相同的情况下，穿靶后尖头毁伤元的剩余速度大于平头毁伤元的剩余速度。

在穿甲侵彻过程中，由于毁伤元头部形状的影响，不同形状的毁伤元所受阻力不同，从而使得不同毁伤元所受过载也不相同。在尖头毁伤元侵彻穿甲时，加速度与速度方向反向逐渐增大至峰值，然后逐渐减小。这是由于尖头毁伤元在侵彻过程中，毁伤元与靶板的接触面积逐渐增加，当毁伤元的尖头部分全部穿入靶板时，毁伤元与靶板的接触面积在靶板法向达到最大值，此时毁伤元的加速度达到最大值；随着毁伤元的侵入，当毁伤元头部开始贯穿靶板瞬间，毁伤元与靶板接触面积开始减少，使得毁伤元所受阻力开始减小，因而加速度值开始下降。当平头毁伤元侵彻靶板时，靶板与毁伤元接触部分开始发生弹性变形，然后发生塑性变形；在接触面作用下，使毁伤元受到靶板的阻力而减速。

HTK反导模式下，毁伤元靠其本身所具有的巨大动能侵彻贯穿目标靶板，其消耗的动能一部分转化为本身的内能，剩余部分用于侵彻目标靶板做功。在侵彻目标靶板的过程中，由于毁伤元与靶板的相互摩擦作用，毁伤元头部存在磨蚀，尖头毁伤元头部磨蚀较为严重，但平头毁伤元整体磨蚀质量大于尖头毁伤元的整体磨蚀质量。从图8可以看出，尖头毁伤元的剩余动能大于平头毁伤元。

图8 不同毁伤元在不同速度下的动能时间历程图

综上分析，在HTK反导模式下，尖头毁伤元穿透来袭反舰导弹的相同部位所消耗的动能低于平头毁伤元所消耗的动能。

4 结束语

本文在研究反舰导弹的易损特性的基础上，分析了HTK反导模式下不同形状的毁伤元对反舰导弹的毁伤机理，并利用有限元方法动态分析了2种形状的毁伤元在相同速度下对反舰导弹的毁伤效应，为舰载超近程反导智能弹药的设计和优化奠定了基础，同时对反舰导弹结构设计和抗毁伤设计具有重要的参考价值。

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