动能弹对某型弹道导弹发动机的毁伤效应研究

杜茂华，薛　亮，张　超，龙小军，李春荣

(1.海军航空工程学院，山东 烟台　264001； 2.海军驻成飞军代室，成都　610000；3.南海舰队装备部，广东 湛江　524000； 4.空军93501部队，北京　100000)



动能弹对某型弹道导弹发动机的毁伤效应研究

杜茂华1，薛亮2，张超3，龙小军3，李春荣4

(1.海军航空工程学院，山东 烟台264001； 2.海军驻成飞军代室，成都610000；3.南海舰队装备部，广东 湛江524000； 4.空军93501部队，北京100000)

为了研究动能拦截器对某型弹道导弹的拦截毁伤效应，采用ANSYSY/LS-DYNA有限元软件模拟动能拦截器对弹道导弹发动机壳体的拦截，并对仿真结果进行分析。结果表明：发动机壳体材料的弹性模量、延伸率、强度越高，动能弹撞击下产生的应力越大；动能弹的相对速度较高，容易穿透发动机壳体。

动能弹；弹道导弹；发动机；拦截；毁伤；有限元

本文引用格式：杜茂华，薛亮，张超，等.动能弹对某型弹道导弹发动机的毁伤效应研究[J].兵器装备工程学报，2016(8):6-10.

动能拦截弹对弹道导弹的拦截所选取的反导拦截武器有别于常规的防空反导拦截武器，反导拦截的环境也不一样，动能拦截主要在大气层外，而常规的反导拦截武器是在大气层内。在未来战争中，动能拦截武器以其命中精度高、杀伤力强、轻质小型、机动性好的特点，对弹道导弹构成了严重威胁。因此，如何有效地保证弹道导弹在受到反导武器攻击条件下产生的破损或毁伤程度被控制在允许的状态和范围内，提高弹道导弹的生存能力和作战能力，这些都是弹道导弹结构毁伤与防护所研究的对象。本文以某型弹道导弹为基础，利用ANSYSY/LS-DYNA有限元软件模拟动能拦截器对弹道导弹发动机壳体的拦截毁伤效应，并对仿真结果进行分析，本文研究结果可为弹道导弹结构抗毁设计及材料的选取提供参考，为导弹突防能力及防护提供依据。

1　导弹发动机壳体模型及材料

1.1发动机壳体结构及材料类型

发动机壳体1材料为D406A钢，发动机壳体2材料为APMOC芳纶纤维复合材料。

发动机壳体1外径为2 000 mm，长3 557 mm，当量厚度8 mm，其物理模型如图1所示；发动机壳体2外径为2 000 mm，长1 752 mm，当量厚度8 mm，其物理模型如图2所示。

2.2发动机壳体材料模型及参数选取

本节以某型弹道导弹实体模型为例，利用ANSYSY/LS-DYNA有限元软件按1∶1建立发动机壳体的物理模型。

1) 确定壳段参数的依据

(1)强度刚度要求，即在设计载荷作用之下，壳段不能因应力超过强度极限或结构丧失稳定性。

(2)当受力壳段的总体失稳或蒙皮局部失稳都可能导致壳段破坏时，应合理选择加强筋形状和尺寸等参数，使总体失稳应力和局部失稳应力都应大于某一指定值并大致相等。

(3)壳段承载时应力愈接近材料的强度极限，则材料利用愈充分，结构设计时其临界应力不要低于材料的屈服极限。

2) 各部段材料及参数

某型弹道导弹发动机壳体材料及参数如表1所示[6]，材料的JOHNSON_COOK参数如表2所示，GRUNEISEN状态方程参数如表3所示，材料的PLASTIC_KINEMATIC参数如表4所示[7]。

图1　发动机壳体1物理模型

图2　发动机壳体2物理模型

部段材料类型当量厚度/mm密度ρ/(g·cm-3)弹性模量E/GPa泊松比μ强度极限σb/MPa发动机壳体1D406A钢87.822100.281620发动机壳体2APMOC芳纶纤维81.381820.36000

表2　材料的JOHNSON_COOK参数

表3　材料GRUNEISEN状态方程参数

表4　材料的PLASTIC_KINEMATIC参数

2　动能拦截弹模型建立

对弹道导弹助推段拦截采用美国SM-3Block1型搭载轻型射弹(LEAP)动能弹头的拦截弹，其第四级是LEAP动能弹头。动能弹头本身能自动调节方向和高度，做大机动飞行。LEAP动能弹头高度模块化，结构紧凑，已经进行了空间试验，用于防御中远程弹道导弹。

对弹道导弹中段拦截采用美国的外大气层MKV动能拦截器，因为GBI和SM-3导弹目前均是携带单个动能拦截器，在无法有效解决识别目标问题的情况下，拦截一枚具有复杂突防装置的导弹可能需要多枚拦截弹。为此，美国于2002年公布了微型杀伤拦截器(MKV)计划，即利用微型化技术，使一枚拦截弹携带数十个拦截器，采用一种“多对多”的策略来有效弥补弹头识别方面的不足，降低对来袭导弹发射前的情报需求和对导弹防御系统识别能力的需求。MKV体积小，质量轻，对运载工具的要求较低。

2.1建立动能拦截弹物理模型

LEAP动能拦截器其等效弹头为半径3.5 cm，长34 cm的动能杆，其物理模型如图3所示。MKV动能拦截器其等效弹头为半径为2.3 cm，长17 cm的动能杆，其物理模型如图4所示。

图3　LEAP动能拦截弹物理模型

图4　MKV动能拦截弹物理模型

2.2动能拦截器弹头材料模型及参数选取

LEAP在10 kg量级，材料为45#钢[10]。美国正在研制的MKV动能拦截器弹头大约重5 kg，材料为钨合金。材料的JOHNSON_COOK参数如表5所示，GRUNEISEN状态方程参数如表6所示。

表5　动能拦截弹材料JOHNSON_COOK参数

表6　动能拦截弹材料GRUNEISEN状态方程参数

3　仿真计算及结果分析

仿真计算模型中，单元类型为8节点六面体实体SOLID164单元，进行适当的切割和和简化，并进行合理的网格划分，动能拦截器及目标壳体仿真模型采用Lagrange方法进行网格划分，动能拦截器及目标壳体接触面采用Contact-eroding-surface-to-surface，同时多次试算确定相关的控制参数，对模型的对称面约束设定为平移自由度为零，以此建立仿真计算模型。

简化碰撞模型的选取过程中，设计估算采用逐次逼近的方法，这往往需要多次调整结构尺寸，反复计算，比较选优。为了在满足一定精度的条件下，能够较快地得到结果，对壳体作了较多简化，主要有[3]：

(1)略去受力不大的局部加强筋和构件的影响，按典型标准的网格加筋壳计算。

(2)几何形状简化，如截锥壳不考虑锥度效应，而按当量圆筒壳计算，壳体的中小舱口均略去，按圆开口考虑。

(3)受力特性的简化，存轴外压作用时，按无矩理论、边界简支考虑。在仪器舱承受轴压、弯矩等多种载荷作用时，为便于计算，往往把弯矩载荷利用折合公式折合成轴向力，归并为一种轴向载荷[3]。

(4)不考虑壳段端部与端框之间的焊接连接效应，即附加力矩，而在以后的计算中另外加以修正，如在安全系数设计法中将安全系数适当增大。

发动机壳体1与动能毁伤元仿真计算模型中，发动机壳体1与毁伤元仿真计算模型为实体模型的1/4，单元数为24 300，动能拦截杆单元数为1 440；发动机壳体2与毁伤元仿真计算模型为实体模型的1/4，单元数为22 400，动能拦截杆单元数为1 440，如图5所示。

图5　发动机壳体与动能杆仿真计算模型

3.1发动机壳体1仿真结果

取发动机壳体1速度中间值500 m/s，计算得动能弹头相对速度为3 968 m/s。发动机壳体1正面应力，如图6所示。动能弹头应力如图7所示，相对速度变化曲线，如图8所示。

图6　发动机壳体1正面应力图

图7　动能弹头应力图

图8　动能弹头相对速度曲线

3.2发动机壳体2仿真结果

取发动机壳体2速度值2 500 m/s，计算得动能弹头相对速度为3 122 m/s。发动机壳体2正面应力，如图9所示。动能弹头应力如图10所示，相对速度变化曲线，如图11所示。

图9　发动机壳体2正面应力

图10　动能弹头应力图

图11　动能弹头相对速度曲线

3.3仿真结果分析

在发动机壳体侵彻仿真结果中，从发动机壳体所对应的应力分布如图6、图9可以得知发动机壳体1、发动机壳体2都被动能弹头完全侵彻。在侵彻过程中，发动机壳体应力逐渐变大，应力从中心部分到四周逐渐减小，约在侵彻到一半时应力最大，之后逐渐减小，发动机壳体1和发动机壳体2材料不同，发动机壳体1材料为D406A钢，发动机壳体2材料为APMOC芳纶纤维，两种材料的弹性模量、延伸率、强度极限不同，因此出现的应力和形变大小不同，从图6、图9可以看出，采用高延伸率和强度极限APMOC芳纶纤维的发动机壳体2应力和形变更大。

从动能弹头的应力分布图中的最大应力数据可以得知侵彻发动机壳体2的动能弹头所受应力最大，这和发动机壳体2材料为高强度APMOC芳纶纤维有关；从动能弹头的应变分布图可以看出，图7的动能弹头较宽，图10较窄，动能弹头形变和入射速度、壳体半径和壳体材料有关。

分析图8动能弹头的速度曲线，可以得知发动机壳体1被侵彻过程中，动能弹头动能下降2.0%，初始相对速度为3 968 m/s，剩余速度为3 926.6 m/s；分析图10动能弹头的速度曲线，可以得知发动机壳体2被侵彻过程中，动能弹头动能下降1.2%，初始相对速度为3 122 m/s，剩余速度为3 101.4 m/s。

4　结论

通过利用ANSYSY/LS-DYNA有限元软件仿真模拟动能拦截器对弹道导弹发动机壳体的拦截，并对仿真结果分析，得到如下结论：

1) 在侵彻过程中，各部段壳体应力逐渐变大，应力从中心部分到四周逐渐减小，约在侵彻到一半时应力最大，之后逐渐减小。

2) 发动机壳体材料类型不同，产生的应力大小不同，极限强度越高的材料，壳体产生应力越高，都达到了所对应材料的极限强度。当达到材料的极限强度时，材料断裂，被动能弹头侵彻。

3) 发动机壳体的形变与材料属性有关，即与材料的弹性模量、延伸率、强度有关，一般来说，材料的弹性模量、延伸率、强度越高，产生的应力越大。

4) 在动能弹头侵彻导弹过程中，LEAP动能拦截器动能下降幅度在1.0%～5%，MKV钨合金动能拦截器动能下降幅度在20%左右，两种动能拦截器相对速度下降幅度在10～200 m/s，动能弹头能够轻易穿透导弹发动机壳体。

[1]姜颖姿，王伟力，黄雪峰,等.带壳炸药在高速运动炸药作用下殉爆效应研究[J].工程爆破，2014，20(3):16-20.

[2]王伟力,李永胜.固体力学基础与本构和状态方程[M].烟台:海军航空工程学院,2009.

[3]慈明森.金属在大变形、高应变率和高温条件下的本构模型和数据[J].弹箭技术,1998(3):32-44.

[4]杜茂华,王伟力,黄勇,等.舰载超近程反导智能弹药冲击引爆反舰导弹战斗部的分析研究[J].工程爆破,2012,18(2):17-21.

[5]杜茂华,王伟力,卢明章.EFP对反舰导弹发动机舱的侵彻毁伤机理研究[J].工程爆破,2011,17(4):9-13.

[6]陈刚,陈小伟,陈忠富,等.A3钢钝头弹撞击45号钢板破坏模式的数值分析[J].爆炸与冲击,2007,27(5):390-397.

(责任编辑杨继森)

Research on the Damage Effect of Kinetic Enegry Pill to Penetrate the Ballistic Missile Engine Sheel

DU Mao-hua1, XUE Liang2, ZHANG Chao2, LONG Xiao-jun3, LI Chun-rong4

(1.Naval Aeronautical and Engineering Institute, Yantai 264001, China;2.The Naval military Department Stationed in Chengdu Aircraft Factory, Chengdu 610000, China;3.The Equipment Department of South Fleets, Zhanjiang 524000, China;4.The 91515thTroop of Air Force, Beijing 100000, China)

To investigate the damage effect of kinetic energy pill to intercept and penetrate the ballistic missile engine shell, the finite element soft ANSYSY/LS-DYNA was used to simulate the process of kinetic energy pill to penetrate the ballistic missile engine shell, and the simulation results were analyzed. The results indicated that the engine shell’s stess is larger with the raise of the engine shell’s modulus of elasticity, extensibility and intensity, and the kinetic energy pill could pierce through the engine shell because of the kinetic enery pill’s high relative velocity.

kinetic energy pill; ballistic missile; engine; interception; damage; finite element

2016-05-04；

2016-05-25

杜茂华(1980—)，男，博士，讲师，主要从事武器系统作战效能和毁伤技术的研究。

10.11809/scbgxb2016.08.002

format:DU Mao-hua, XUE Liang, ZHANG Chao, et al.Research on the Damage Effect of Kinetic Enegry Pill to Penetrate the Ballistic Missile Engine Sheel[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):6-10.

TJ450.2

A

2096-2304(2016)08-0006-05

【装备理论与装备技术】