0 引言
硬目标侵彻武器利用引信部位感知到的过载加速度信号来实时识别弹丸的穿靶特征,从而实现对多层目标的精准打击,然而在实际侵彻过程中,由于弹身的结构响应产生大量高频振荡信号会与引信部位的过载加速度信号迭加导致穿层特征信号的淹没,难以识别目标,难以进行精确打击[1]。随着弹速的增加与防护能力的提升,信号振荡问题也越严重[2],众多学者针对这一问题进行研究,但仍难以从根本上解决这一问题[3-6]。磁探测因其识别能力强、定位精度高、反应迅速隐蔽好而开始应用于侵彻领域。
目前为止,磁探测应用于侵彻领域还处于初级阶段[7-9],赵恒首先提出利用通电线圈在靶板上建立调制磁场,通过磁场的变化规律来表征弹丸的侵彻深度[10],而用于侵彻过程识别主要研究方向分为主动磁探测与被动磁探测两种:张雄星提出在引信内安装磁钢的磁敏感计层方法[11],利用磁传感器感知侵彻过程中钢筋等铁磁性物质因其引信内磁场变化以此实现计层,属于主动磁探测。王益利等提出基于地磁场的磁异探测计层方法[12],通过在引信内部放置磁传感器探测侵彻过程引信内磁场变化,属无源被动探测。
被动磁探测因其受不同地理位置磁场、弹体着角、穿靶姿态等影响,信号的后期处理较为麻烦;而在引信内携带磁钢的主动磁探测方法因磁块和传感器放置的相对位置和方向可以人工设定,受穿靶工况影响较小,便于后期信号处理[13],本文中在其提出的方法基础上进行了深一步的研究,分析了复杂工况下的引信内磁异信号响应特征。
1 主动磁探测方法原理
硬目标侵彻武器打击目标一般为钢筋混凝土结构,其中的钢筋属于铁磁性材料。侵彻武器的弹体外壳一般为高强度钢材料,在引信内放置磁块产生磁场,引信会在铁磁性外壳的屏蔽作用下在弹体尾部产生较强的漏磁,当弹体侵彻钢筋混凝土靶板时,导磁性的钢筋会对引信内磁场产生影响,在引信内敏感位置放置传感器可检测弹体穿靶过程中引信内磁信号的变化进而对侵彻过程进行识别。
1.1 战斗部和钢筋混凝土靶板建模
建立钢筋混凝土靶板模型如图1所示,靶板长度宽度为3 m×3 m,厚度为300 mm。配筋方式如图2所示,内部在两个垂直方向上都有配筋形成钢筋网,钢筋直径12 mm,间距为200 mm,距离靶板边界两侧距离为50 mm处开始配有钢筋,组成15×15的钢筋网。混凝土由水泥、沙、石组成,不具有磁性,其相对磁导率设为1。钢筋的相对磁导率设为700。
图1 钢筋混凝土靶板模型
Fig.1 Reinforced concrete target plate model
图2 钢筋网配筋分布
Fig.2 Distribution of steel mesh reinforcement
建立侵彻战斗部模型如图3所示,战斗部主要有外部壳体、炸药、引信几部分构成,引信安装在战斗部尾部,磁块与磁传感器放置于引信内部,弹体长度为1 500 mm,直径220 mm,弹体外壳厚度为10 mm,外壳材料为高强度合金钢,相对磁导率为200。引信管壳近似为空心圆柱,长度150 mm,直径为190 mm,壳体厚度为5 mm,引信壳体为硬质铝,不具有磁性,相对磁导率设置为1。
图3 侵彻战斗部模型
Fig.3 Penetration warhead model
1.2 主动磁探测侵彻钢筋混凝土靶板过程磁场分布变化
利用COMSOL有限元分析软件的“磁场,无电流”模块对战斗部侵彻单层钢筋土靶板过程中的磁场分布情况进行仿真。采用直径为15 mm,厚度为4 mm的双圆柱体磁钢安装于引信尾部位置,磁钢材料选用N35钕铁硼磁铁,剩余磁通密度Br=1.21 T。靶板位置距离弹体头部1 m,弹体周围半径为7 m的球形空气分析域,并设置其为无限元域模拟实际弹体侵彻环境。为了更准确地模拟实际作战条件下的侵彻过程,设定侵彻速度为1 000 m/s,仿真步长为0.1 ms。磁场仿真中运动轨迹的预设性质限制了其模拟实际弹体侵彻过程中可能产生的倾斜效应的能力。由于整个弹体模型关于弹轴为轴对称模型,而磁块产生的磁场也是关于弹轴呈轴对称分布,故以弹轴为对称轴利用xz平面分割侵彻模型如图4所示。根据以上仿真参数,仿真得到y平面内侵彻过程不同阶段模型磁场分布图见图5。
图4 仿真模型剖面图
Fig.4 Simulation model profile
图5 侵彻过程不同阶段弹轴剖面磁场分布云图
Fig.5 The cloud map of magnetic field distribution in the bomb axial profile at different stages of penetration process
当T0=0.8 ms时,此时弹头还未碰靶,如图5(a)所示的放置于引信内的磁块产生的磁场主要集中于引信内部,弹体外壳为铁磁性材料,对磁通具有吸引作用导致部分磁通流经铁磁性的外壳形成回路,对外壳内部的磁场产生屏蔽作用,而在尾部处有较强的漏磁;当弹体继续前进至T0=2.4 ms时,此时弹体尾部侵入靶板,因为钢筋的相对磁导率远大于弹体外壳及空气,大部分磁通由尾部流入钢筋,使得引信内部磁场发生了较大变化,当T0=2.5 ms时,此时磁钢与钢筋处于同一平面内,如图5(c)可见得引信内磁场变化达到了最大,当在T0=3.2 ms时,弹体完全穿出靶板,此时引信内部磁场已基本恢复至初始状态,钢筋内还残留少部分磁通,但影响极其微弱可忽略不计。统观图5(a)—5(d),弹体整个侵彻过程中,钢筋对引信内部磁场有较大影响,可通过探测引信内部磁场变化来对侵彻过程进行识别。
2 不同工况下弹体侵彻钢筋混凝土靶板磁响应信号分析
由于在现实作战环境中,侵彻弹打击目标结构复杂,所以需要对复杂工况下侵彻过程磁信号响应特征进行仿真分析。
2.1 弹体正侵6层钢筋混凝土靶板磁响应信号特征
建立了弹体侵彻6层钢筋混凝土靶板模型如图6所示,每层靶板配筋方式同图2所示相同,首层靶板厚度为300 mm,后续每层靶板厚度为180 mm,靶板层间距为3 m。其他仿真参数不变。得到弹体正侵6层钢筋混凝土靶板的磁信号曲线特征如图7所示。
图6 弹体正侵6层钢筋混凝土靶板模型
Fig.6 Model of 6-story reinforced concrete target plate being invaded by projectile body
图7 弹体正侵6层钢筋混凝土靶板三轴磁信号曲线
Fig.7 The triaxial magnetic signal curve of the 6-story reinforced concrete target plate is invaded by the projectile body
在图7(a)、图7(b)、图7(c)中各轴方向上每穿过一层靶板各轴传感器都会探测到一次侵彻单层靶板的磁信号,弹体穿出靶板后恢复至初始状态,在侵彻下一层靶板时继续重复产生相同的磁信号。弹体侵彻过程中磁信号特征与靶板钢筋位置、层数具有明显的对应关系,因此可利用磁信号作为弹体侵彻过程识别依据。
2.2 弹体侵彻含层间干扰物靶板磁响应信号
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质,放置于侵彻路径周围的铁磁性物质会对磁传感器探测的磁信号产生影响,而对侵彻过程错误识别,导致计层误判,所以需要对铁磁干扰下磁响应信号进行仿真分析。
2.2.1 铁磁干扰物放置于X轴方向
沿X方向在第三层靶板和第四层靶板间放置长宽高为0.5 m×0.5 m×2 m的铁磁性干扰介质用于模拟铁柜放置于侵彻路径周围对引信内磁异响应信号影响,建立仿真模型如图8所示,仿真结果如图9所示。
图8 铁磁干扰物放置于X方向弹体侵彻模型
Fig.8 The ferromagnetic disturbance is placed in the missile body penetration model in the X direction
图9 铁磁干扰物放置于X方向弹体侵彻过程磁响应信号曲线
Fig.9 Comparison diagram of the magnetic response signal curve during the penetration process of the projectile body when the ferromagnetic disruptor is placed in the X direction
如图9所示,当干扰放置位置与侵彻路径距离为1 m时,对侵彻过程中三轴方向的磁异信号均有影响,但仅限于对第四层靶板穿靶信号有影响,弹体侵彻其他层靶板时磁信号均不受影响。其中,以X轴传感器的磁信号变化影响最为明显,在X轴方向上当弹体穿出第三层靶板后受到铁磁干扰影响传感器探测的磁场强度开始减小,当传感器与钢筋处于同一平面时反向增大至最大而后穿出第四层靶板后恢复,第四层靶板穿靶脉冲信号的幅值较其他层大幅增加;在Y轴方向上,传感器接近及远离第四层靶板钢筋所在平面过程中的磁场皆有小幅的减小,但脉冲幅值基本不变;在Z轴方向上,弹体侵彻第四层靶板的入靶量有略微减小,出靶量略微增大,脉冲信号幅值也有略微增大。
2.2.2 铁磁干扰物放置于Y轴方向
将铁磁干扰模型水平放置于Y方向如图10时,其他仿真条件不变,得到三轴方向磁场强度变化曲线如图11所示。
图10 铁磁干扰物放置于Y方向弹体侵彻模型
Fig.10 The ferromagnetic disturbance is placed in theY-direction projectile penetration model
图11 铁磁干扰物放置于Y方向弹体侵彻过程磁响应信号曲线
Fig.11 Comparison of the signal curve of magnetic response when the ferromagnetic interferors are placed in Y direction
如图11所示,水平放置于Y方向的铁磁干扰也同样对三轴方向的磁场强度变化都有影响,当铁磁干扰放置距离为1 m时,如图11(a)、(b)所示,在X、Y方向上,弹体侵彻第四层靶板时,传感器位置靠近和远离钢筋所在平面过程中磁场变化略有波动,在Z轴方向上,弹体侵彻第四层靶板的入靶量有减小,脉冲信号的幅值也有较大增加。
不同方向、不同距离的铁磁干扰对三轴传感器探测的信号产生影响,虽然放置于1 m的铁磁干扰会对侵彻过程的磁信号变化有肉眼可见的影响,在某些轴方向的磁信号曲线甚至失去穿层特征难以识别,但不论铁磁干扰如何放置至少有一个方向的传感器探测的磁信号可以保持穿层特征,后续可通过如三轴信号融合等处理方法消除影响,不论放置于何方向,当铁磁干扰放置距离在2 m及以上时,三轴方向的影响已极其微弱,可忽略不计。
2.3 弹体侵彻带梁结构靶板磁信号响应特征
带梁结构为建筑物的一种常用结构形式,不同建筑结构中的梁结构也不尽相同,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,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[14],本文中选取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,在第四层靶板后设置不同方向的梁结构,如图12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。
图12 弹体侵彻不同方向横梁结构靶板模型
Fig.12 Projectile body penetrates the target plate model of beam structure in different directions
分别对沿X方向横梁、Y方向横梁对侵彻过程引信磁异响应信号的影响进行仿真,结果如图13所示。
图13 弹体侵彻不同方向横梁结构靶板磁响应信号曲线
Fig.13 Comparison of magnetic response signal curves of the target plate of the beam structure in different directions penetrated by the projectile body
对比图13中的三轴磁场强度变化可以看出,当在第四层靶板后增加沿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,弹体侵彻靶板的时间增加,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。
3 实验室原理验证实验
为验证主动磁探测侵彻过程识别方法的可行性,设计并制作了弹体样机,搭建了实验室磁探测实验平台,获取主动磁探测方法的磁异响应信号。
如图14所示磁探测电路共分为4个模块:传感器模块、隔直电路模块、放大电路模块及滤波电路模块。传感器模块采用3个单轴传感器探测引信内三轴方向的磁信号并将其转化为电压信号输入至隔离电路中,由于弹体不同入靶角度、弹体材料、实验所处地理位置等不同因素均会影响传感器感知到的常态下磁场强度,隔直电路可去除常态磁场强度大小影响,在弹体碰靶前保持零电压输出,有效输出侵彻过程中传感器探测到场强畸变而引起的电压变化值,更利于侵彻过程的识别。
图14 磁探测电路原理
Fig.14 Principle of magnetic detection circuit
磁异探测实验所采用的实验电路如图15所示,磁传感器摆放于电路板中心用于探测侵彻过程中三轴方向的磁异信号。引信样机如图16所示,引信壳体采用硬质铝,弹体外壳采用铁合金,引信外壳与弹体外壳内侧面都有螺纹,将引信壳体采用螺纹连接安装于模拟弹体内,电路板利用无磁性的尼龙螺柱固定安装于引信内适当位置,构成模拟弹丸,并在底螺面标注三轴传感器方向方便进行后续实验。
图15 磁探测实验电路板
Fig.15 Magnetic probe test circuit board
图16 引信样机
Fig.16 Fuze prototype
实验采用2个半径5 mm,厚度2 mm的薄圆柱体磁钢,同向充磁安装于引信内X轴方向,搭建如图17所示的侵彻三层钢筋网实验平台,钢筋混凝土靶板中混凝土相对磁导率为1,相当于空气,利用钢筋网来替代。利用白色PVC管模拟侵彻过程中弹体的侵彻轨迹,使三轴传感器的敏感方向对齐地磁的3个方向,将三轴传感器的信号输出线用示波器的不同信号通道输出,调整示波器信号显示至适当参数,设置为单次触发模式,使弹体从三层钢筋网上方自由落体,抓取主动磁探测方法下弹体侵彻三层钢筋网的磁信号波形如图18所示。
图17 实验布局
Fig.17 Experimental layout
图18 弹体侵彻三层钢筋网三轴实测信号
Fig.18 Measured signal of projectile body penetrating three axes of three layers of steel mesh
从图18可以看出,弹体侵彻三层钢筋网过程中,三轴磁信号都抓取到了明显的穿层特征,具体而言,每当弹体穿透一层靶板,各轴方向的传感器均能探测到一次与穿透单层靶板相对应的磁信号。这些磁信号的特征与靶板的钢筋布局、层数之间存在明显的对应关系。Z轴方向传感器安装位置相对于X、Y轴传感器有所偏移,不在同一平面,安装于引信内使得Z轴传感器位置相对于X、Y轴传感器距离弹尾部更远,使得Z轴传感器输出信号幅值并不是如图7所示与Y轴信号幅值相当,而是小于Y轴穿层信号变化量,与仿真结果基本一致,验证了主动磁探测方法应用于侵彻识别的可行性。
4 结论
1) 放置于2 m以外的铁磁干扰物对磁信号影响已较微弱,不同方向梁结构会对梁设置方向及Z轴方向磁信号产生影响,但仍能保持穿层特征。
2) 建立弹体正侵钢筋混凝土多层靶模型,获取弹体正侵多层靶的磁异响应信号曲线,弹体的侵彻过程与磁异信号具有明显对应关系,并搭建磁探测实验室实验平台,获取了弹体正侵三层钢筋网的实测信号,证明了主动磁探测方法的可行性。
[1] 刘伟钊,李蓉,牛兰杰,等.硬目标侵彻起爆控制技术研究现状及展望[J].兵工学报,2023,44(6):1602-1619. LIU Weizhao,LI Rong,NIU Lanjie,et al.Research status and prospect of hard target penetration initiation control technology[J].Acta Ordnance Engineering,2023,44(6):1602-1619.
[2] 张美云,石庚辰,刘强,等.侵彻硬目标引信侵彻信号获取与处理技术[J].制导与引信,2020,41(3):1-10,24. ZHANG Meiyun,SHIGengchen,LIU Qiang,et al.Acquisition and processing technology of penetration signal for penetrating hard target fuze[J].Guidance and Fuze,2020,41(3):1-10,24.
[3] 王杰,李蓉,黄惠东.基于小波系数的粘连信号穿层特征提取方法[J].探测与控制学报,2016,38(1):13-17,23. WANG Jie,LI Rong,HUANG Huidong.Cross-layer feature extraction method of adhesion signal based on wavelet coefficient[J].Journal of Detection and Control,2016,38(1):13-17,23.
[4] 焦聪.多层侵彻引信过载信号获取及层数识别技术研究[D].太原:中北大学,2018. JIAO Cong.Research on overload signal acquisition and layer identification technology of multi-layer penetration fuze[D].Taiyuan:North University of China,2018.
[5] 张锦明,张合,蔚达,等.不同固连结构弹引系统侵彻多层硬目标动态特性研究[J].兵器装备工程学报,2022,43(9):186-192. ZHANG Jinming,ZHANG He,YU Da,et al.Research on dynamic characteristics of missilefuze system with different connection structures during penetrating multilayer hard target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2022,43(9):186-192.
[6] 孙倩华,孙凯,张韩宇.基于盒差分滤波的侵彻引信计层信号预处理方法[J].探测与控制学报,2020,42(5):27-30. SUN Qianhua,SUN Kai,ZHANG Hanyu.Signal preprocessing method of penetration fuze based on box differential filtering[J].Journal of Detection and Control,2020,42(5):27-30.
[7] 孙磊.火箭弹引信二维弹道修正原理与关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2005. SUN Lei.Research on principle and key technology of 2D trajectory correction of rocket fuze[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2005.
[8] 高峰,张合.基于基准角和补偿角的常规弹药滚转角磁探测算法研究[J].探测与控制学报,2008(5):11-15. GAO Feng,ZHANG He.Research on magnetic detection algorithm of conventional ammunition roll angle based on reference angle and compensation angle[J].Journal of Detection and Control,2008(5):11-15.
[9] 高峰.弹道修正弹飞行姿态角磁探测技术及其弹道修正方法研究[D].南京:南京理工大学,2008. GAO Feng.Study on magnetic detection technology of flight attitude Angle of ballistic correction projectile and its trajectory correction method[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2008.
[10] 王伟,赵恒,郭颖.硬目标侵彻引信炸点深度测量方法研究[J].西安工业大学学报,2013,33(6):453-457. WANG Wei,ZHAO Heng,GUO Ying.Research on measuring method of burst point depth of penetration fuze with hard target[J].Journal of Xi 'an Technological University,2013,33(6):453-457.
[11] 张雄星,邹金龙,王伟,等.新型磁敏感侵彻计层方法研究[J].兵工学报,2019,40(11):2204-2211. ZHANG Xiongxing,ZOU Jinlong,WANG Wei,et al.Research on a novel method of magnetic penetration measurement[J].Acta Ordnance Engineering,2019,40 (11):2204-2211.
[12] 王益利,李长生,王鑫,等.基于磁异探测的侵彻引信计层方法[J].兵工学报,2024,45(3):695-704. WANG Yili,LI Changsheng,WANG Xin,et al.A Layer Counting Method for Penetration Fuze Based on Magnetic Anomaly Detection[J].Acta Armamentarii,2024,45(3):695-704.
[13] 赵静,李长生.弹体侵彻过程主动磁探测识别方法[J].探测与控制学报,2024,46(1):40-46. ZHAO Jing,LI Changsheng.Active magnetic detection and identification method for projectile body penetration process[J].Journal of Detection and Control,2024,46(1):40-46.
[14] 花俊琦,李蓉,郜王鑫,等.带有横梁结构的多层目标侵彻过载特征[J].探测与控制学报,2023,45(1):61-66. HUA Junqi,LI Rong,GAO Wangxin,et al.Characteristics of multi-layer target penetration overload with beam structure[J].Journal of Detection and Control,2023,45(1):61-66.