0 引言
硬目标侵彻引信作为整个侵彻武器的“大脑”[1],利用预先设定的起爆方式、起爆时机与起爆位置控制战斗部的起爆。针对不同的作战环境与侵彻目标,分为计时、计行程、计层/计空穴等起爆控制策略[2],其中计层起爆作为硬目标侵彻引信的主要起爆方式,主要依靠弹体侵彻过程中的过载信号进行识别,但在战斗部高速侵彻多层目标时,由于弹体自身结构响应会产生高频振荡信号,与引信过载信号相叠加使过载信号被淹没[3]。并且由于侵彻环境的复杂多变,侵彻弹在侵彻过程中难以避免打击到墙、梁等结构,使侵彻弹受力更加复杂,侵彻过程中引信部位加速度传感器感知的过载信号振荡更加剧烈,难以识别穿层特征精确控制起爆[4]。
针对传统加速度过载信号计层方法难以精确控制起爆的问题,国内许多学者对侵彻多层目标时过载信号的分离提取进行了许多研究[5-8],但都难以从源头上解决过载信号振荡的问题,所以需要寻求可以用于探测的其他物理量。地磁探测因其识别能力强,反应迅速被应用于反潜、反坦克、弹道修正等领域[9-11],近年来有学者开始将地磁探测应用于侵彻过程识别,提出了基于地磁场磁异信号的侵彻引信计层方法,在地磁场环境下,含有钢筋等铁磁性物质的靶板会被磁化而使其附近的磁场发生变化,而安装于引信内部的磁传感器可以探测引信在战斗部侵彻钢筋混凝土靶板的过程中内部磁场的变化,进而对侵彻状态进行识别,用以计层控制战斗部的起爆[12-13]。基于地磁场的磁异探测方法是一种无源且被动的探测方法,具有良好的隐蔽性和抗干扰能力[14-15]。
侵彻武器在打击如军事堡垒等建筑物时一般采用平射,而在打击如地库、地下军事指挥中心、楼房等建筑物时采用垂直侵彻的方式,不论是军事建筑还是民用建筑内都存在墙、梁或者其他含有铁磁性物质的结构,在诸如此类不同的侵彻场景与打击方式下,引信内磁传感器探测的磁异响应信号特征需要进一步研究。建立了复杂侵彻工况下的仿真模型,并对不同工况下的侵彻过程引信磁异响应信号特征进行了分析。
1 磁异探测原理
侵彻武器打击的军事堡垒、机房、地库等大多为钢筋混凝土结构,钢筋为铁磁性物质,在地磁场环境下会被磁化而产生感应磁场,使周围的地磁场产生畸变,而产生磁异信号,如图1所示。当弹体侵彻钢筋混凝土靶板时,在穿过钢筋时,钢筋会对引信内部磁场产生扰动导致引信内部磁场发生变化,将磁传感器安置在引信内部探测侵彻过程中引信内部磁场变化,对弹体侵彻过程中碰靶、穿靶、出靶状态进行识别,实现计层的目的。
图1 钢筋磁化示意图
Fig.1 Steel bar magnetization diagram
2 复杂侵彻工况引信磁异响应仿真模型及结果分析
侵彻弹由侵彻弹头、引信和炸药组成,引信安装在战斗部尾部,弹体剖面如图2所示。弹体总长为1 500 mm,弹体直径240 mm,弹体厚度22 mm;引信直径196 mm,长度120 mm,厚度15 mm;磁传感器安装于引信内部。侵彻战斗部采用高强度合金钢,相对磁导率设为200;引信材料采用钛合金或硬质铝,高爆炸药和空气相对磁导率为1,不具有磁性。
图2 弹体剖面示意图
Fig.2 The sketch map of projectile body section
2.1 弹体不同工况下正侵6层钢筋混凝土靶板仿真分析
远程制导弹一般采用攻顶贯穿的打击方式,而炮射攻坚弹采用平射或曲射的方式,采用不同的打击方式,弹体侵彻引信探测的地磁信号变化也会不同,需要对不同打击方式下的磁响应信号进行仿真分析。
2.1.1 弹体垂直正侵6层钢筋混凝土靶仿真分析
利用COMSOL有限元分析软件建立弹体垂直正侵彻6层钢筋混凝土靶联合仿真模型如图3所示。
图3 弹体正侵彻6层钢筋混凝土靶模型
Fig.3 Model of projectile penetrating 6-layer reinforced concrete target
在讨论弹体不同打击方式下侵彻钢筋混凝土靶板时,弹体坐标系与地磁坐标系会有所不同,为了后续方便讨论与分析,将地球坐标系(COMSOL软件内坐标系)三轴方向命名为X0、Y0、Z0,其中X0轴正方向指向地理东方向,Y0轴正方向指向地理北方向,Z0轴正方向为垂直于地表指向天空;弹体坐标系的三轴方向命名为X、Y、Z,其中沿弹体轴向为Z轴,垂直于Z轴平面的其他两轴为X轴和Y轴,如图4所示。按照某地实测地磁场数据在三轴分别施加地磁场,X0方向地磁场为-0.034 5 Gs,Y0方向地磁场为0.327 8 Gs,Z0方向地磁场为-0.377 1 Gs;第1层靶板尺寸为3 m×3 m×0.3 m,后续靶板尺寸为3 m×3 m×0.18 m,靶板间距为3 m,弹头距离第1层靶板1 m;钢筋直径12 mm,钢筋网网孔尺寸为20 cm×20 cm,钢筋相对磁导率设为700,混凝土相对磁导率为1,不具有磁性。求解域为半径15 m的球形空气域,用于模拟侵彻过程靶板周围环境,并进行无限远处理,弹体侵彻速度设置为1 000 m/s。
图4 弹体坐标系
Fig.4 The projectile coordinate system
传感器安装在引信不同位置,探测到的引信内磁异响应信号也不同,经过仿真发现传感器安装位置距离弹尾越远,探测到的磁场信号变化幅值越小,但靶间信号稳定性也越好。故选取引信轴线上距离弹尾100 mm处位置放置磁传感器,得到侵彻过程中X、Y、Z三轴方向磁场强度变化如图5所示。
图5 弹体垂直正侵侵彻过程磁异响应曲线
Fig.5 Magnetic anomaly response curve of projectile vertical penetration process
对比图5(a)、图5(b)可以看出,在X和Y方向,传感器感知的磁场信号为经过弹体完全屏蔽后的信号,弹丸碰靶前,磁场处于较为稳定的状态,在侵彻第1层靶板时,由于钢筋的相对磁导率较大,磁通都流向钢筋网表面,所以传感器感知的磁场信号略微减小,当传感器的位置到达钢筋网附近时,传感器探测到的磁场强度逐渐增大,当传感器与钢筋网处于同一平面时,传感器探测到的磁场强度达到最大,弹体继续前进,传感器远离钢筋网,其探测到的磁场强度迅速减弱直至恢复到初始状态,在侵彻后续靶板时磁响应信号变化规律与侵彻第1层时相同。如图5(c)所示,由于Z轴沿着弹体轴向,其探测到的磁信号不是完全屏蔽状态,所以有着与X、Y轴完全不同的响应信号。在弹体未碰靶之前,引信内磁场保持较为稳定的状态,当弹头碰靶时,传感器感知的磁信号开始迅速上升,当弹头完全入靶时,磁信号达到最大,然后迅速下降,当传感器与钢筋网处于同一平面时,磁响应信号达到最小,然后迅速上升又迅速下降,随着弹尾远离第1层靶板,传感器探测到的磁响应信号恢复至初始状态,在侵彻后续靶板过程中重复侵彻第1层靶板的磁信号特征。
2.1.2 弹体相对地磁方向偏转不同角度水平正侵6层钢筋混凝土靶仿真分析
在实战应用中,弹体在平射时不会固定沿着地理坐标系某个方向打击目标,除了弹体坐标系的Y轴在平射时探测的磁信号变化始终为地磁场的Z轴分量,传感器的X轴和Z轴无法控制与地磁的Y0与X0方向一致,如图6所示,二者之间存在一定的旋转角度,而这个角度是任意的,使得传感器探测到的磁场信号变为地磁场X0、Y0方向磁场的分量,所以需要对与地磁方向偏转不同角度的弹体平射侵彻靶板的磁响应信号进行仿真分析。弹体水平侵彻模型如图7所示,由于相对垂直正侵时,弹体坐标系与地磁坐标系不再统一,水平正侵时弹体坐标系如图8所示。
图6 弹体平射旋转示意图
Fig.6 Flat-fire rotation diagram of projectile
图7 弹体水平正侵6层钢筋混凝土靶板
Fig.7 The projectile horizontally invades the 6-layer reinforced concrete target plate
图8 弹体水平侵彻三轴坐标系示意图
Fig.8 The schematic diagram of the horizontal penetration of the projectile into the triaxial coordinate system
设置弹体坐标系与地磁方向夹角分别为30°、60°、90°、120°、150°,其他参数保持不变。去除掉常态磁场强度大小,只保留弹体穿靶过程中传感器探测的磁场强度的变化量,弹体相对地磁方向偏转不同角度时,X、Y、Z轴磁场强度变化如图9所示。
图9 不同角度水平正侵侵彻过程磁异响应曲线
Fig.9 Comparison of magnetic anomaly response curves in horizontal penetration process at different angles
由图9(a)可知,只要弹体相对地磁方向有了偏转,传感器X轴方向的的磁场强度就会减小,相对地磁X0方向偏转90°时达到最小值,此时传感器探测的地磁场分量从开始的Y0方向变为X0方向,然后继续偏转,传感器探测的磁场强度开始逐渐增大直至恢复到初始状态;在Y轴方向上,由于弹体偏转设定为绕Y0轴发生偏转,故在Y轴上传感器测量的磁场强度始终为同一地磁分量,始终未发生变化。而在传感器Z轴方向上,如图9(c)所示,弹体发射方向发生偏转时,传感器探测的Z轴方向磁场强度就会增大,相对地磁X0方向偏转90°时达到最大值,此时传感器探测的地磁场分量从开始的X0方向变为Y0方向,然后继续偏转时,传感器探测的磁场强度开始逐渐减小直至恢复到初始状态。在弹体相对地磁方向偏转过程中,不同角度的偏转只会影响穿靶时磁异响应特征的变化量,并不会影响穿靶特征的识别。
2.2 铁磁干扰下的侵彻过程仿真分析
侵彻弹在打击多层目标的过程中,楼层间会存在如铁柜、铁架等铁磁性干扰物体,可能会对侵彻过程中磁传感器探测的磁信号产生影响,导致计层误判,所以需要对不同条件的铁磁干扰下磁响应信号进行仿真分析。
本文中模型弹体坐标系及地球坐标系均为COMSOL软件内标准坐标系。分别沿X方向和Y方向在第3层靶板和第4层靶板间放置长宽高为0.5 m×0.5 m×2 m的铁磁性干扰介质,建立仿真模型如图10所示,相对磁导率设置为200。分别将铁磁干扰介质放置在距离侵彻路径1、2、3 m的位置。
图10 沿不同方向布置铁磁干扰仿真模型
Fig.10 The simulation model of ferromagnetic interference is arranged along the X direction
2.2.1 X方向上不同距离的铁磁干扰磁响应信号仿真分析
对比图11(a)、图11(b)、图11(c)的X、Y、Z三轴方向的磁响应变化信号可知,当铁磁性干扰介质沿X轴放置时,对X轴和Z轴影响较大;Y轴方向磁场几乎不受影响。在X轴方向上,当铁磁性介质放置在距弹体穿靶路径1 m处时,弹体穿过第1、2、5、6层的磁响应信号几乎不受影响,穿层特征清晰可辨,但第3、4层靶板的穿层信号畸变十分明显,第3层穿靶特征已不可见,第4层穿靶信号变化量陡增,随着铁磁干扰介质放置距离的增加,第3层靶板穿靶信号变化量逐渐增大,穿第4层靶的变化量逐渐减小,铁磁性干扰对弹体穿靶过程的磁信号影响越小,磁信号接近正常变化趋势。在Z轴方向上,当干扰介质放置在距离弹体穿靶路径1 m处时,弹体穿过第4层靶的入靶特征已不可见,其他靶的穿层特征几乎不受影响。在三轴方向上,随着铁磁干扰放置距离增加,磁信号畸变减弱,当干扰放置位置与弹体穿行路径距离在3 m以上时,对引信内磁信号影响已较微弱,可识别弹体侵彻穿靶特征。
图11 X方向不同距离铁磁干扰作用下侵彻过程磁异响应曲线
Fig.11 Comparison of magnetic response curves of penetration process under different distances of ferromagnetic interference in X direction
2.2.2 Y方向上不同距离的铁磁干扰磁响应信号仿真分析
对比图12(a)、图12(b)、图12(c)的X、Y、Z三轴方向上的磁响应变化信号可知,当铁磁干扰介质沿Y轴布置时,对Y轴和Z轴影响较大,对X轴的穿靶磁响应信号几乎不产生影响。当铁磁干扰介质放置距离为1 m时,在Y轴方向上,第3、4层间磁信号受到铁磁干扰的影响而产生波动,穿过第4层靶时入靶和出靶变化量增加,穿靶脉冲信号幅值也略有减小;随着放置距离的增加,铁磁干扰影响逐渐减弱。在Z轴方向上,磁响应信号变化情况同沿X轴布置干扰时相同。
图12 Y方向不同距离铁磁干扰作用下侵彻过程磁异响应曲线
Fig.12 Comparison of magnetic response curves of penetration process under different distances of ferromagnetic interference in Y direction
对比2种放置方案可以看出,放置于不同方向的铁磁干扰介质会对同方向的磁场及Z轴磁场产生影响,并且在相同条件的干扰下,X轴方向由于磁场强度较弱,会产生更为强烈的信号波动,位于不同方向相同距离的铁磁干扰在Z轴方向引起的磁信号变化相同。当铁磁干扰放置距离超过3 m时,铁磁性物质对弹体侵彻过程磁响应信号干扰已较小。仍可看到清晰穿靶特征。
2.3 侵彻带梁结构靶板磁响应信号仿真分析
带梁结构为建筑物的一种常用结构形式,梁结构承托着建筑物中绝大部分质量,不同建筑结构中的梁结构也不不尽相同,梁的方向也不同,弹体侵彻过程中难以避免对带梁结构的打击,而梁结构中的钢筋同楼板结构的钢筋一样会对弹体引信内的磁响应信号产生影响,所以对弹体侵彻带梁结构靶板的磁响应信号的研究十分必要。楼板横梁尺寸普遍为300 mm×(750～850)mm,选取300 mm×800 mm。为了对比弹体侵彻带梁结构与无梁结构靶板的磁响应信号特征的不同及不同方向的梁结构对磁信号的不同影响,在第4层靶板后设置不同方向的梁结构,如图13所示,横梁钢筋采用单层钢筋网,钢筋直径16 mm,钢筋网孔尺寸20 mm×20 mm,相对磁导率设置为700,建立侵彻模型如图14所示。
图13 不同方向横梁建模示意图
Fig.13 Modeling diagram of beams in different directions
图14 弹体侵彻带梁结构靶板仿真模型
Fig.14 Simulation model of projectile penetrating target plate with beam structure
分别对沿X方向横梁、Y方向横梁、XY方向交叉横梁侵彻过程引信磁异响应信号的影响进行仿真,结果如图15所示。
图15 不同方向横梁作用下侵彻过程磁异响应曲线
Fig.15 Comparison of magnetic response curves of penetration process under the action of beams in different directions
对比图15(a)、图15(b)、图15(c)中的三轴磁场强度变化可以看出,当在第4层靶板后增加沿X方向或Y方向的横梁时,由于铁磁性物质的增加,在设置横梁的方向及Z轴方向的磁场变化量会有增加,并且由于横梁的作用,弹体侵彻靶板时间的增加,穿靶脉冲信号的脉宽也有增加,未设置横梁的方向上磁场变化则不受影响。当在第4层靶板后增加XY方向交叉横梁时,在X轴或Y轴上引起的磁响应信号变化与设置单方向横梁时相同,Z轴上弹体穿靶过程中入靶和出靶时,磁场强度变化量较设置单方向横梁时有明显增加。
2.4 弹体不同角度斜侵含竖墙靶板磁响应信号仿真分析
在理想状态下,弹体垂直侵入靶板,但是在实际作战环境中,在各种因素的影响下,弹体会带有一定的攻角斜侵入多层钢筋混凝土靶,并有一定概率会打击到层间竖直墙,对传感器探测到的磁异响应信号产生一定影响,故需对此类情况进行建模仿真。因弹丸的偏转斜侵入多层钢筋混凝土靶板时攻角大小与方向是任意的,恶劣条件下弹体偏转可达到40°,偏转方向可能是绕X0轴发生偏转如图16(a)所示,也可能是绕Y0轴发生偏转如图16(b)所示。
图16 弹体偏转示意图
Fig.16 Deflection diagram of projectile
在第3、4层靶板间设置竖直靶板模拟实际侵彻环境下的竖直墙体。由于弹体的偏转,弹体传感器三轴坐标系与地磁坐标系不再相同,需要经过重新推导修正,设置弹体偏转角度为10°、20°、40°。分析弹体不同方向偏转不同角度时对磁响应信号的影响。
2.4.1 弹体绕X0轴偏转磁响应信号仿真分析
由于弹体发生偏转后,传感器探测的常态下的磁场强度数值发生变化,无法直接对比不同偏转角度下的变化量,所以需要去除常态下传感器探测的磁场强度大小,只保留侵彻过程中磁异响应信号的变化量,处理后的各轴磁场强度变化曲线如图17所示。
图17 弹体绕X0轴偏转不同角度斜侵带竖墙靶板侵彻过程磁异响应曲线
Fig.17 Comparison of magnetic anomaly response curves of projectile deflecting different angles around X0 axis during penetration of vertical wall target with oblique invasion zone
如图17所示,在弹体偏转不同角度时,随着偏转角度的增大,弹体侵彻路径会有延长,每一层靶的碰靶时间也会滞后,偏转角度越大滞后越明显。在弹体绕X0轴发生偏转后,对X轴方向信号影响最小。在X轴方向上,弹体侵彻每一层靶板的穿靶信号都清晰可见,弹体侵彻竖直靶板时会产生与弹体侵彻水平靶板相当的脉冲信号,弹体偏转角度越小,侵彻竖直靶板时的攻角越小,侵彻时间越长,产生的穿靶脉冲信号的脉宽越大,由图17(a)可见,当弹体偏转角度达到40°时,弹体侵彻每一层靶板的入靶和出靶变化量都呈肉眼可见的增加;Y轴方向上,在攻角为10°时,弹体侵彻第3、4层靶及竖直靶板时信号变化剧烈,虽可见穿第3、4层靶及竖直靶的穿靶特征却已看不到明显的层间间隔,当攻角增加到20°时,弹体侵彻每一层靶板的出靶变化量有了明显增加,并随着弹体偏转角度越大而增大的越明显;在Z轴方向上,弹体偏转角度越小,穿第3、4层靶板及竖直靶板时的磁信号变化越剧烈,在攻角为10°时,侵彻第3层靶板的出靶信号及第4层靶出靶的磁信号变化量有大幅改变,侵彻竖直靶板的穿靶特征已不可见,弹体穿靶时的变化量随着弹体偏转角度的增大而增大,但弹体出靶时的变化量却与之相反,弹体偏转角度越大,弹体出靶信号越平稳,变化量越小,当弹体偏转角度达到40°时,可以清晰看到弹体穿每一层靶板的响应信号特征。
2.4.2 弹体绕Y0轴偏转磁响应信号仿真分析
可以看出:当弹体绕Y0轴偏转后,对Y轴方向上磁场强度影响最小,变化最为平稳,而X轴方向上最为剧烈,如图18(a)所示,弹体偏转角度越大,弹体出靶时的变化量越大,甚至远大于弹体穿靶时的变化量,弹体偏转角度越小,弹体侵彻第3、4层靶及竖靶板的信号变化越剧烈,当偏转角度为10°时,已不可见第4层靶及竖直靶板的穿靶特征;在Y轴方向上,不同弹体偏转角度下,磁响应信号变化相当,清晰可见弹体侵彻每层靶板包括竖直靶板的穿靶信号,如图18(b)所示,侵彻竖直靶板产生的响应信号要远大于侵彻水平靶板的响应信号,弹体攻角越小,侵彻引信侵彻竖直靶板时间越长,侵彻竖直靶板磁响应信号的脉宽越大;对比图17(c)与图18(c),当弹体绕不同的轴偏转,对Z轴引起的变化大致相同,但弹体绕Y0轴旋转时侵彻每层靶板的磁响应信号变化量要略小于绕X0轴旋转时的变化量。
图18 弹体绕Y0轴偏转不同角度斜侵带竖墙靶板侵彻过程磁异响应曲线
Fig.18 Comparison of magnetic anomaly response curves of projectile deflecting different angles around Y0 axis during penetration of vertical wall target with oblique invasion zone
3 结论
1) 在平射打击方式下,X轴传感器探测的磁场信号随着偏转角度的增大而先减小后增大,再减小恢复至初始状态,在90°时达到最大值;Z轴传感器探测的磁场信号随着偏转角度的增大而增大,在90°时达到最大值,而后减小至初始状态。不同偏转角度只影响侵彻过程中磁异信号的变化量,不影响穿靶特征的识别。
2) 不同方向放置的铁磁性干扰介质只对放置方向与Z轴方向的磁异响应信号产生影响,随着干扰介质放置距离越远,干扰效果越弱。
3) 不同方向放置的横梁结构只对放置方向与Z轴方向的磁异响应信号产生影响,弹体侵彻带横梁靶板所产生的脉冲信号的变化量与脉宽均有所增加。
4) 弹体绕某轴发生偏转后,带有攻角侵彻带竖直墙体钢筋混凝土靶板,偏转不同角度时,在该轴方向上磁异响应信号变化微弱,侵彻每层靶板及竖直墙体的穿靶特征清晰可见;在两外两轴上,弹体攻角越小,侵彻竖直靶板及竖直板上下2层的过程中磁异信号变化越剧烈,攻角为10°时,已失去侵彻竖直靶板的穿靶特征。
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