超高速动能棒对地毁伤效果及其等效当量评估*

王 鹏,郭 磊,李 巍,申明辉,王新泉,郭立力

(1 北京航天长征飞行器研究所, 北京 100076； 2 中国运载火箭弹技术研究院长征学院, 北京 100076)

0 引言

在现代高技术局部战争中,永备地下工事等高价值关键目标(比如地下指挥中心等),发挥的作用越来越大而备受人们的关注[1]。现有传统对地武器,很难对永备地下工事构成威胁。已有大量试验表明[2-5],当速度超过一定值时,现有武器装药侵彻体材料侵深反而下降,且弹体材料易受破坏,内装药毁伤效果大幅下降。因此研制具有新型毁伤模式的对地毁伤武器,已提上新型武器研制的议事日程。

相关资料显示,当一定质量的弹丸对地撞击速度达到超高速时,其撞击产生的能量将大于等质量的炸药爆炸产生的能量,且在撞击过程中会产生许多新的物理和化学现象[3],因此超高速动能对地武器逐渐受到世界各军事强国的重视,尤其据最新报道,美国近期试验了多款超高速武器平台(如X-37B、X-51A)[6-7],动能对地武器是备选武器之一。与传统对地武器不同,动能对地武器,对超高速撞击恶劣环境适应能力强,这里所说的超高速[8]是指动能武器着靶后,弹靶材料呈流体动力学形态,材料可压缩性不可忽略,此时弹靶材料的应变率通常在106～107之间,对应的弹靶相对速度在3 000～12 000 m/s之间。因此超高速动能对地武器毁伤效果研究代表了一个很重要的发展方向,也为将来天基武器发展做相应技术储备。

目前由于超高速动能对地武器研究仍处于探索阶段,对其毁伤模式和毁伤能力及其毁伤评估仍没有合适手段,为此文中根据一定质量动能棒超高速对地撞击毁伤效果及其等效当量试验,探索超高速动能对地武器的毁伤模式和毁伤能力,为超高速动能对地武器后续研究提供重要参考。

1 超高速动能对地武器主要毁伤形式及其成因分析

超高速动能对地武器,是一种将若干大质量高密度实心金属棒,搭载地地导弹或安装在运行于地球轨道的卫星上[7](如图1所示),通过地地导弹上的制导装置或其它卫星实现对目标定位,并控制这些金属棒以高速和超高速撞击目标,利用撞击侵彻过程形成的高强度冲击波及层裂效应等,对深层坚固目标进行毁伤的新型钻地武器。因此超高速动能对地武器对目标的毁伤效果,主要包括撞击成坑、地冲击、地震动等,当目标介质中出现自由边界时,还伴随层裂现象。

图1 “上帝之杖”系统和毁伤模拟

超高速撞击地面后,主要产生撞击成坑以及三种波[9],即沿地层深度传入的纵波(也就是P波)、垂直纵波波阵面的剪切波(也就是S波),以及沿地表传播的横波(也就是R波),因此超高速对地撞击形成的毁伤形式主要由这三种波共同作用而造成,如图2所示。

图2 超高速撞击后形成的不同区域示意图

其中地冲击主要沿地层深度方向传播,是对深层地下工事的主要毁伤形式,由P波与S波的垂直分量共同叠加形成,对于有限厚介质,当入射压缩波到达混凝土结构内表面时,将产生一个反射拉伸波向混凝土内传播。在混凝土结构内表面附近,反射拉伸波与入射压缩波相互叠加,叠加后生成的拉应力脉冲超过混凝土的动态抗拉强度时,混凝土结构内表面产生层裂,最多可生成2次。对于石灰岩类介质,已有资料显示[10],其完全摧毁的压力为100 MPa,严重受损的压力为50 MPa。

地震动主要沿目标表面传播,由R波和S波水平分量叠加而成,该种毁伤形式是超高速动能对地武器毁伤地面目标的主要毁伤形式,主要表现为强度低、传播速度慢、衰减慢、频率低、传播距离远等特点。通过地表横波可引起建筑物震动,一旦震动过载超过建筑物设计的承受值,将使得建筑物墙体开裂、坍塌形成破坏。

2 超高速动能武器对地撞击及其等效当量

超高速对地撞击的特点与化学能类似,为直观了解超高速动能武器对地毁伤能力,文中用化学能对其进行毁伤能力评估。超高速动能武器打击的目标是深层地下工事,而造成地下工事破坏的主要是地冲击效应。因此把超高速撞击等效当量定义为：能与超高速动能对地武器造成相同埋深地下目标严重毁伤的装药量。

根据上述地震动和地冲击分析,可以看出,地冲击的表征值主要表现为形成的压实区深度,最直接反映在所形成的压实区密度相对于原状土密度的增益,为此可通过测试地震动过载以及压实区土层密度的变化,来评估超高速动能对地武器的毁伤效果。

2.1 超高速动能棒对地撞击结果及其分析

搭载同一平台进行了两种质量相同材料不同百千克级的动能棒超高速对地撞击试验,分别表示为试验件一和试验件二,其中试验件一密度约是试验件二密度的2.3倍,二者延伸率相当,σb相当,采用成熟的标准灌砂法获得了两种情况超高速对地撞击压实区深度,利用不同方向、不同量程过载传感器获得了两种情况超高速对地撞击地震动数据。根据试验可以看出：

1)超高速情况下,试验件一对地造成的毁伤深度和压实区厚度,均优于试验件二相应数值,其中试验件一形成的毁伤深度比试验件二形成的毁伤深度增大约72%,压实区厚度增大约80%；

2)超高速情况下,试验件一对地造成的可见坑尺寸,比试验件二对地造成的可见坑尺寸小约50%；

3)对比前两条内容,可以看出试验件一能量释放主要沿地层深度方向,方向性更强；

4)从试验件一和试验件二超高速对地撞击后回收物来看,试验件一携带能量的转化率,明显高于试验件二携带能量的转化率,其中试验件一回收最大残片仅为百克量级,其余大都转化为多孔状烧结物,而回收试验件二残片的有几十千克,多为磨蚀和墩粗破坏,未见转化为其他物质,基本保持了产品的初始性态；

5)从对回收残片位置看,如果要获得较大毁伤深度,韧性材料不宜作为动能棒的候选材料,其中回收试验件二的残片位置多集中在可见坑底表面,而试验件一的残片回收位置多在侵彻隧道内。

2.2 等效当量评估结果

用TNT炸药来进行超高速动能对地撞击毁伤效果等效当量评估。在每个撞击成坑附近各选定3块一定直径的平整未经扰动的场地,炸药质心距地表垂直向下一定距离,并保持该距离不变,分别埋设400 kg、800 kg和1 200 kg TNT炸药,进行化爆试验,用2.1节方法同样对此进行测试,并与试验件一所获结果进行比对,根据试验结果可以看出:

1)超高速情况下,百公斤级试验件一对地撞击后形成的压实区厚度,与炸药质心距地表一定深度处1 200 kg TNT爆炸形成的压实区厚度相当；

2)超高速情况下,百公斤级试验件二对地撞击形成的压实区厚度,与炸药质心距地表一定深度处400 kg TNT爆炸形成的压实区厚度相当；

3)超高速情况下,百公斤级试验件一地震动参数测试结果,与800 kg TNT炸药爆炸产生地震动相当,与第一条对比进一步表明,试验件一能量释放主要沿深度方向。

3 超高速动能对地毁伤深度及其等效当量估算

动能棒超高速撞击靶板同炸药爆炸作用靶板类似,只是产生源不同,在靶板中都产生了冲击波,而冲击波在介质中的传播规律是相似的,因此可以参考炸药在介质中爆炸的研究方法,通过相似理论研究超高速撞击在介质中产生的冲击波传播规律。

(1)

式中：Pm为冲击波峰值压力,单位为MPa,ω、r的单位分别为J和m。考虑到炸药在介质中不同的位置爆炸,以及爆炸后形成的冲击波在介质中的衰减情况,将式(1)修订为：

Pm=A((ηtω)/r)β

(2)

式中：ηt为地表爆炸相对于不同深度爆炸的等效当量埋深系数,A和β为与介质相关的衰减系数,根据已有地面试验,典型介质系数如表1所示。

表1 几种典型介质的应力波传播规律试验值

为确定埋深系数ηt,引入封闭度的概念,即爆炸深度对爆炸地冲击强度及坑道破坏特征影响程度的指标,用B来表示,可由下式计算：

(3)

式中：hq为装药中心至地面投影点的深度(m),hk为临界无影响深度(m)。hk可用下式计算：

(4)

埋深系数ηt由下式获得：

综合上述各式的意义就在于,当量为ω的炸药在地下爆炸产生的地冲击及坑道破坏效应,与当量为ηtω的炸药在地表爆炸产生地冲击及坑道破坏效应相当,这样就能切实描述：触地起爆的传统弹药与超高速动能对地武器之间的等效关系。

根据上述计算公式,首先来计算此次试验动能棒与TNT触地爆情况下等效当量。动能棒与试验动能棒质量、外形完全一致,落速也用实测落速。从计算结果可以看出,以第3部分试验为比较对象,也就是说,能完全摧毁地下10 m左右地下工事严重破坏,若要达到相同的毁伤效果,试验动能棒对地造成的毁伤深度与37 t TNT装药在地表爆炸的毁伤能力相当。

据此增大动能棒质量,动能棒长径比保持不变,计算了长径比为10的吨级动能棒,以速度4 500 m/s撞击岩石介质,可得该种工况能完成摧毁地下15.58 m处的工事,能造成地下20 m处的地下工事严重破坏,与180 t TNT炸药在地表爆炸的毁伤能力相当。

4 结论及建议

通过上述试验和初步分析,超高速动能棒对地撞击具有能量释放方向性强、地冲击有效作用距离大等特点,能对深层地下工事构成威胁,代表了未来有效打击深层地下工事武器的一个发展方向。但国内在超高速动能对地毁伤及其等效评估研究方面,尚处于探索阶段,文中所获结果有限,还有很多物理和化学现象没有发现,为此提出如下建议：

1)进行超高速动能对混凝土靶板二级轻气炮试验,获得沿深度方向强冲击压力传播规律,找出超高速情况下动能棒和目标介质的本构方程；

2)由于动能棒和目标介质的本构方程还不确定,SPH方法的适用性和超高速情况下的相关材料参数还需要进一步试验来验证,故无法实现超高速动能棒对地撞击在数值仿真和理论方面的突破；

3)进一步扩展超高速动能武器的打击目标,比如航母等对战争胜负影响较大的目标,并在此进行相关机理研究。