1 引言
捕捉网又叫抓捕网，是以撒网方式捉拿目标的非致命武器，在国内外遂行各项使命任务中能够发挥奇效[1-3]。传统捕捉网原理简单、安全可靠，对目标无伤害，但运用捕捉网遂行任务时，由于在发射后捕捉网随即张开，使得速度衰减极快，其有效作用距离短，容易造成目标逃脱，不能够实现远距离精准抓捕，国内外捕捉网有效作用距离通常为10～30 m[4]。
本研究中基于激光近感探测的远距离捕捉网弹是使用38 mm防暴枪进行射击，利用激光近感探测引信实现弹体在距离目标固定距离上爆炸，使用二次爆炸后张开的捕捉网对目标实施较低程度的打击(抓捕和控制)的一种造价较低但实用性更高的弹药，有效作用距离可达70 m。
2 捕捉网弹总体设计
结合捕捉网弹的任务需要，分析各部分的结构组成以及工作原理、性能特点等，研究远距离捕捉网弹各部件之间的关系，在参考当前38 mm枪发式防暴弹药的基础上，对远距离捕捉网弹进行总体设计[5-6]，如图1所示。
图1 弹体外观效果图
Fig.1 Exterior rendering of the projectile body
工作原理：捕捉网弹在发射火药点燃后产生的高温气体的推力的作用下飞向目标，同时探测器开关启动，激光探测器开始供电；防暴弹弹体在飞行的途中，处于弹体前端的探测器利用不断发射的高频激光来探测飞行中的网弹与目标之间的距离，当网弹弹体飞行到距离目标固定距离时(考虑到捕捉网完全张开的时间以及张开的速度，距离设定为4～5 m)，激光探测器接收到返回波后，瞬间向电点火头发出点火信号，接着点火头点燃弹体火药，弹体爆炸进而将捕捉网发射，捕捉网会在瞬间张开从而捕获或限制目标。
3 捕捉网弹关键部件设计
3.1 激光近感探测引信设计
根据远距离捕捉网弹对测距准确度、质量、体积和成本的要求，合理地设计激光近感探测引信的结构尺寸，确定合适的激光近感探测引信的定距距离和反应灵敏度，合理确定起爆时机[7-8]。研究激光近感探测引信的信号处理电路，使处理后的目标信号能够准确形成防暴弹的起爆信号。激光近感探测引信可采取几何截断定距探测式激光探测器，具有结构简单、精确度较高以及售价便宜的特点，其探测原理如图2所示。
由图2中右图看出，从T1位置光束反射回来形成的光斑T1′处于探测器的处理范围之外，而当弹体与目标的之间的距离为T2时，反射的激光束光斑T2′进入探测器的处理范围，此时光电探测器就能将接收到信号进行光—电的转化，而后电信号经过处理后便可形成启动信号。T2处与激光探测器的距离即为激光探测器的定距距离L，其计算公式为
图2 激光几何截断定距探测原理图
Fig.2 Schematic diagram of laser geometric truncation distance detection
(1)
式中：d为两准直透镜轴线的距离；α为激光发射器射出光束同目标、探测器连线之间所形成的夹角。调节激光发射器和光电探测器的相对位置就可以改变激光探测器的定距距离L[9]。信号处理电路是激光近感探测引信发挥作用的关键部分，主要由微处理器和比较器组成[10-12]。激光近感探测引信的微处理器使用8051单片机，比较器使用PC2530比较器，都拥有较好的可靠性[13-15]，信号处理电路示意图，如图3所示。
图3 激光近感探测引信中的信号处理电路
Fig.3 Signal processing circuit in laser proximity detection fuze
3.2 电源、弹筒、底火、发射装药设计
远距离捕捉网弹的电源选择蓄电时间长、储能密度高、体积小、质量轻、自放电小的锂电池；弹筒、底火和发射装药部分可参考防暴枪和发射器发射防暴弹药的结构和设计方法来进行设计。
3.3 安全与解除保险装置设计
安全与解除保险机构安装于弹体系统中，用于保证捕捉网弹平时的安全性和作用过程的可靠性。在平时状态下，弹丸处于保险状态，电源处于未激活状态；当发射后，安全与解除保险机构在后坐力和离心力作用下解除保险，电源激活并在解除保险后向激光探测器供电。
3.4 捕捉网设计
捕捉网从飞行中的战斗主体弹体中抛出，在空中瞬间张开至足以罩住目标的大小，借助惯性向前继续运动直到将目标缠绕并牢牢束缚住，使之行动受限或失去行动能力。
3.4.1 捕捉网材料
目前比较合适的高强度纤维材料有2种，一种是凯夫拉，另一种是迪尼玛，如表1所示。
表1 几种高强度纤维的性能比较
Table 1 Comparison of properties of several high strength fibers
种类相对密度抗拉强度/GPa抗拉模量/GPa断裂伸长/%熔点/℃凯夫拉291.442.76059.04.0426凯夫拉491.442.744124.002.75426迪尼玛0.973.762112.00150
通过对比2种材料的优缺点对于捕捉网的实际影响，决定选择凯夫拉材料制作捕捉网。
3.4.2 捕捉网面积
根据设计要求和设计原则，结合实战需要充分发挥性能，经过查阅相关资料以及在前人研究的基础上，最终决定选用10 m2左右的捕捉网[16]。
3.4.3 捕捉网形状
现有的捕捉网主要有四边形、圆形、六边形和八边形[17]。四边形网在捕网发射出来后如果有1～2个牵引头出现初速慢或方向偏移的情况，极有可能会对捕捉网的张开、方向造成较大影响；八边形由于牵引头数量较多，在出网的瞬间可能因为发射者跑动或其他原因造成牵引头缠绕导致发射失败。对比圆形和六边形捕捉网，因为六边形网可由三角形组成，有更加稳定的结构，捕捉效果更出色。综合以上分析，更为合适的选择为六边形捕捉网。
3.4.4 网孔大小
参考《中国成年人人体尺寸(GB10000—88)》，普通成年人头部周长平均为56～58 cm，16～60周岁的男性的肩宽平均为37.5 cm，18～55周岁的女性的肩宽平均为35.1 cm。选取网体中间段长度为35 cm，最外侧边长为2 m，通过计算得出网体面积为10.38 m2，如图4所示。之所以选择网体中间段长度为35 cm，考虑到即使外侧网孔大于人体平均肩宽，捕捉网的有效作用面在网体中心附近位置，仍然能够将目标完全罩住；同时，要兼顾网孔大小，如果网孔设计过密，将会增加网体质量，影响飞行速度。因此，捕捉网的疏密程度以35 cm为参考标准进行设计，能够最大限度满足要求。
图4 捕捉网展开示意图
Fig.4 Diagram of capture net expansion
3.5 牵引块设计
为了使牵引块更容易将弹筒击碎，而又不至于对目标造成伤害，牵引块靠近弹筒一端采取圆锥体设计，牵引块前端直径初步设计为5 mm，如图5所示。
图5 牵引块结构示意图
Fig.5 Diagram of traction block structure
牵引块系于六边形捕捉网的各顶点，置于抛撒装置前端的凹槽内，如图6所示。
图6 抛撒装置结构示意图
Fig.6 Diagram of spreader structure
4 效能分析与仿真
分析捕捉网在空中飞行时的受力情况，对捕捉网作用效能进行仿真[18-19]。
4.1 捕捉网弹的应力分析
4.1.1 牵引块的受力分析
牵引块在飞行过程中主要受3个力的作用，即空气阻力F，牵引绳拉力R，重力G。牵引块受空气阻力F方向与飞行方向相反，空气阻力F大小可表示为：
(2)
牵引块迎风面积S大小可表示为：
(3)
式中：ρ为空气密度；v为飞行速度；S为迎风面积；Cx为空气阻力系数；d为牵引块前端直径。
牵引绳拉力R大小可表示为：
(4)
式中：zmax为张力极限；L为拉伸线性比；ε为应变；W为单位长度抗拉能。
4.1.2 捕捉网受力分析
捕捉网在牵引块拉力带动下飞行过程中，共受到4个力作用，即牵引块拉力Rf；放线阻力 f；空气阻力FZ；捕捉网的重力mg。牵引块拉力Rf的方向与牵引头飞行方向相同；放线阻力与放线方式有关，在计算中忽略不计；空气阻力FZ大小可表示为：
(5)
式中：S为捕捉网网体面积；Cxf为捕捉网与空气间的摩擦阻力系数。
4.2 捕捉网张开的模拟仿真
根据已有的网绳材料非线性数据，设置建模仿真基本参数[20-21]，如表2所示。
表2 网体建模仿真基本参数
Table 2 Basic parameters of mash modeling and simulation
参数类型参数设置参数类型参数设置杆单元Link167质量块质量0.05kg质量单元Mass166网体面积10m2接触类型节点-表面网体材料横截面积10-6m2网体及质量块材料泊松比0.3网体材料密度1000kg/m3单根网线分段数40网体材料弹性模量10MPa质量块数量6质量块初始速度25m/s网绳直径0.001m网绳材料凯夫拉49节点重1.5×10-5kg杆单元重3×10-5kg
网的各顶点分别配置一个牵引块，通过牵引线与网相连。主要研究网体在发射后，在牵引块作用下飞行的这段过程，网体的选择易采用柔性和非线性因素，材料选用高强度、防灼烧、密度低的凯夫拉纤维丝绳。基于以上要素进行仿真，得出如图7所示结果。
根据仿真要求，捕捉网在空中受到爆炸冲击力后，牵引块带动网体张开飞向目标，如图7(a)所示，张开到最大面积并且不断接近目标，如图7(b)所示，最终捕获目标进行缠绕，如图7(c)所示。通过模拟仿真结果可以看出，网体在空中飞行过程中，能够有效反映出捕捉网的作用效能。
图7 网体仿真运动状态图
Fig.7 Network body simulation motion diagram
5 结论
针对传统捕捉网系统作用距离近、捕捉效果差等问题，提出了一种基于激光近感探测原理的远距离捕捉网弹设计方法，并通过仿真验证该方法的有效性。所设计的远距离捕捉网弹能够最大限度发挥捕捉网效能，实现了对目标远距离实时捕捉功能，为执法部门遂行执勤、处突任务提供装备支撑。
[1] 杨东昌,马永忠.非致命武器发展现状及趋势[J].中国设备工程,2020，442(06)：235-238.
Yang D C,Ma Y Z.Development status and trend of non-lethal weapons[J].China Equipment Engineering,2020，442(06)：235-238.
[2] National Research Council ( U．S．) ．Committee for an Assessment of Non-lethal Weapons Science and Technology[M]．National Academies Press，2003．
[3] 班超.非致命弹药发展综述[J].化学工程与装备,2016(01):185-187.
Ban C.A review of non-lethal munitions development[J].Chemical Equipment and Engineering,2016(01):185-187.
[4] 张骞.警用捕捉网的设计及其技术难点[J].武警工程学院学报,2004(04):50-51.
Zhang Q.Design and difficulty of police capture net[J].Journal of Engineering College of The Chinese People’s Armed Police Force,2004(04):50-51.
[5] 刘加凯,李娜.38 mm空爆式防暴弹设计与分析[J].科学技术创新,2017(31):104-105.
Liu J K,Li N.Design and analysis of 38 mm air explosive anti-riot ammunition[J].Scientific and Technological Innovation,2017(31):104-105.
[6] 刘加凯,李娜,马永忠,等.气囊动能弹致伤效应分析[J].弹箭与制导学报,2016,36(06):71-74,87.
Liu J K,Li N,Ma Y Z,et al.Analysis of kinetic energy projectile injury effect of airbag[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2016,36(06):71-74,87.
[7] 申晨,翟晓军,黄东,等.光纤延时在空炸防暴弹引信中的应用[J].激光杂志,2016,37(05):29-31.
Shen C,Zhai X J,Huang D,et al.Application of optical fiber in fuze of air-burst riot bomb[J].Laser Magazine,2016,37(05):29-31.
[8] 陈洪钧,石治国.激光近炸引信发展述评[J].四川兵工学报,2012,33(06):36-38,54.
Chen H J,Shi Z G.Overview of laser proximity fuze development[J].Journal of Sichuan Ordnance Engineering,2012,33(06):36-38,54.
[9] 庄维伟,刘加凯,潘国强,等.防暴弹定高空爆控制系统研究[J].兵器装备工程学报,2020,41(12):104-107.
Zhuang W W,Liu J K,Pan G Q,et al.Study on the control system of fixed high altitude explosion of riot ammunition[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2020,41(12):104-107.
[10] 徐伟,陈钱,顾国华,等.小型化激光近炸引信技术研究[J].兵工学报,2011,32(10):1212-1216.
Xu W,Chen Q,Gu G H,et al.Research on miniaturized laser proximity fuze technology[J].Journal of Ordnance Engineering,2011,32(10):1212-1216.
[11] 史莉娜,赵建军,赵景旭,等.激光制导武器发展与应用研究[J].科技风,2021(21):187-188.
Shi L N,Zhao J J,Zhao J X,et al.Development and application of laser guided weapons[J].The Wind of Science and Technology,2021(21):187-188.
[12] 冉黎林,李全良.一种空空导弹主动激光近炸引信方案探讨[J].航空兵器,2002(01):10-13.
Ran L L,Li Q L.Discussion on an active laser proximity fuze for air-to-air missile[J].Aviation Weapon,2002(01):10-13.
[13] 杨昭.激光近炸引信的目标探测系统研究[D].长春：长春理工大学,2012.
Yang Z.Research on target detection system of laser proximity fuze[D].Changchun ：Changchun University of Science and Technology,2012.
[14] 代少升,吴纪红.环境温度对红外测温精度的影响及补偿方法研究[J].半导体光电,2021,42(04):551-555.
Dai S S,Wu J H.Study on influence of ambient temperature on the accuracy of infrared temperature measurement and compensation methods[J].Semiconductor Optoelectronics,2021,42(04):551-555.
[15] 张波,刘加凯,来斌斌.拒止装备与技术发展探讨[J].科技与创新,2021(12):1-4,6.
Zhang B,Liu J K,Lai B B.Refuse to discuss equipment and technology development[J].Scientific and Technological Innovation,2021(12):1-4,6.
[16] 申晨,黄东.26.5 mm绳网弹设计与研究[J].化学工程与装备,2016(02):149-152.
Shen C,Huang D.Design and research of 26.5mm rope net projectile[J].Chemical Equipment and Engineering,2016(02):149-152.
[17] 胡明,李回滨,梁振刚,等.新型警用网弹动力学研究[J].火力与指挥控制,2018,43(09):99-104.
Hu M,Li H B,Liang Z G,et al.Research on dynamics of new police net projectile[J].Fire Control &Command Control,2018,43(09):99-104.
[18] 伍惊涛,朱磊,许汝耀.新型警用网弹动力学研究[J].指挥控制与仿真,2021,43(05):123-127.
Wu J T,Zhu L,Xu R Y.Research on dynamics of new police net projectile[J].Command Control &Simulation,2021,43(05):123-127.
[19] Riccardo Benvenuto,Miche`le Lavagna,Samuele Salvi．Multibody dynamics driving GNC and system design in tethered nets for active debris removal[J]．Advances in Space Research，2016,58(01):45-63.
[20] 高庆玉,张青斌,唐乾刚,等.空间飞网系统牵拉模式影响研究[J].国防科技大学学报,2017,39(02):42-48.
Gao Q Y,Zhang Q B,Tang Q G,et al.Study on influence of traction mode of space flying net system[J].Journal of National University of Defense Technology,2017,39(02):42-48.
[21] 李京阳,于洋,宝音贺西,等.空间飞网两种动力学模型的比较研究[J].力学学报,2011,43(03):542-550.
Li J Y,Yu Y,Bao Y H X,et al.Comparative study on two dynamic models of space fly net[J].Journal of Mechanics,2011,43(03):542-550.