發(fā)布時(shí)間：2021-08-11所屬分類(lèi)：免費(fèi)文獻(xiàn)瀏覽：1次
摘 要： 防護(hù)工程
《沖擊波和破片對(duì)相控陣天線(xiàn)的聯(lián)合毀傷評(píng)估》論文發(fā)表期刊：《防護(hù)工程》；發(fā)表周期：2021年01期
《沖擊波和破片對(duì)相控陣天線(xiàn)的聯(lián)合毀傷評(píng)估》論文作者信息：劉一諾( 1993—) ，男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)槲淦鳉茉u(píng)估。
摘要為評(píng)估反輻射導(dǎo)彈(ARM)對(duì)相控陣天線(xiàn)(PAA)的毀傷效果，建立了反輻射導(dǎo)彈和相控陣天線(xiàn)的彈目交會(huì)模型，計(jì)算了當(dāng)戰(zhàn)斗部在天線(xiàn)正上方爆炸時(shí)，命中目標(biāo)的破片數(shù)量及天線(xiàn)受沖擊波毀傷后的變形曲面。通過(guò)電磁仿真軟件建立相控陣天線(xiàn)模型，得到增益和副瓣電平，計(jì)算了破片、沖擊波和聯(lián)合毀傷對(duì)相控陣天線(xiàn)的毀傷效果。結(jié)果表明，沖擊波相較于破片毀傷程度更明顯。從彈目交會(huì)條件開(kāi)始，研究物理毀傷導(dǎo)致的陣元失效和位置變化，以及最終導(dǎo)致的電性能影響，為相控陣天線(xiàn)毀傷效能評(píng)估提供新的方法。
關(guān)鍵詞 雷達(dá)毀傷效應(yīng);天線(xiàn)方向圖;相控陣;數(shù)值仿真
Abstract In order to evaluate the damage effect of anti-radiation missile (ARM) on phased array antenna (PAA), a missile-target rendezvous model was set up, and the number of fragments hitting the target as well as the deformed surface of the antenna after damaged by the shock wave were calculated when the warhead explodes directly abovethe antenna. Then, a PAA model was established using electromagnetic simulation software to obtain the gain and the level of the side lobe, and the damage effects by the fragments, shock wave and their combined damage to the PAA were calculated. The results showed that the damage effect of the shock wave was more significant than that oi the fragments. Starting from the missile-target rendezvous conditions, this paper also investigated the array element failure and position changes caused by physical damage, and the ultimate resuling electrical performance impact, and provided a new approach to evaluate the damage effect of ARM on the PAA.
Keywords radar damage effect; antenna pattern; phased array; numerical simulation
隨著未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，奪取電磁優(yōu)勢(shì)成為戰(zhàn)爭(zhēng)決勝的關(guān)鍵因素。相控陣?yán)走_(dá)作為一種重要的信息獲取裝備，與機(jī)械雷達(dá)相比，在監(jiān)測(cè)快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、多目標(biāo)跟蹤及雷達(dá)探測(cè)距離等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，盡快確定相控陣?yán)走_(dá)毀傷效能對(duì)奪取電磁優(yōu)勢(shì)具有重要意義。
反輻射導(dǎo)彈在雷達(dá)對(duì)抗中有著廣泛的應(yīng)用。它是雷達(dá)對(duì)抗中的一種硬殺傷武器，利用被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭接收輻射源的電磁波，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行尋跡、跟蹤和摧毀。目前，已有大量文獻(xiàn)研究反輻射導(dǎo)彈對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷效應(yīng)，研究?jī)?nèi)容包括破片、沖擊波和聯(lián)合毀傷對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷效應(yīng)，以及機(jī)械雷達(dá)天線(xiàn)在沖擊波作用下的變形情況。
針對(duì)沖擊波對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷效應(yīng)，吳俊全[1]使用蒙特卡羅方法進(jìn)行終點(diǎn)彈道采樣，計(jì)算得到了爆破戰(zhàn)斗部對(duì)雷達(dá)的毀傷概率。馬登武等口利用吳俊全的方法計(jì)算了不同天線(xiàn)高度下的最佳起爆高度。周棟等[研究了圓概率誤差(CEP)、落角、制導(dǎo)偏差等因素對(duì)毀傷概率的影響。
針對(duì)破片對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷效果，李衛(wèi)平等[建立了破片戰(zhàn)斗部對(duì)典型陸基相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)的毀傷模型。結(jié)果表明，爆炸高度、傾斜角和CEP是影響反輻射導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部毀傷概率的關(guān)鍵因素。張志鋒等[3對(duì)李衛(wèi)平的模型進(jìn)行了改進(jìn)，考慮破片速度對(duì)毀傷程度的影響，并結(jié)合強(qiáng)度極限和剪切應(yīng)力，建立了較為全面的天線(xiàn)毀傷概率計(jì)算模型。徐文亮等[考慮了侵徹角的影響及跳彈現(xiàn)象，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮各網(wǎng)格單元之間的遮擋關(guān)系，得到了破片毀傷效應(yīng)計(jì)算方法。該方法可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出一定條件下有效破片數(shù)量及目標(biāo)毀傷面積。
對(duì)于破片和沖擊波對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線(xiàn)的聯(lián)合毀傷效應(yīng)，袁俊明等[首先建立了完整的天線(xiàn)模型，之后在模型上打孔模擬破片侵徹效果，再用爆炸載荷模擬破片和沖擊波的聯(lián)合毀傷，這種方法稱(chēng)為預(yù)打孔法。研究結(jié)果表明，破片和沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞效應(yīng)并非簡(jiǎn)單疊加，而是會(huì)產(chǎn)生更為劇烈的聯(lián)合毀傷作用。目前，預(yù)打孔法是建立聯(lián)合毀傷后天線(xiàn)模型的常用方法。
這些研究建立了反輻射導(dǎo)彈對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的毀傷模型，但由于研究?jī)H評(píng)估目標(biāo)的物理毀傷，而沒(méi)有考慮物理毀傷與功能毀傷之間的聯(lián)系，使評(píng)估結(jié)果不夠全面。
對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械天線(xiàn)的電性能毀傷，董濤等研究了變形和穿孔聯(lián)合毀傷對(duì)賦形反射面天線(xiàn)輻射特性的影響。肖疆等回研究了穿孔毀傷時(shí)賦形反射面天線(xiàn)的輻射特性。劉彥等[0研究了反射面天線(xiàn)表面變形穿孔下的結(jié)構(gòu)毀傷對(duì)輻射特性的影響及沖擊波作用下反射面天線(xiàn)的輻射特性。袁俊明等四研究了沖擊波作用下變形毀傷對(duì)圓拋物面天線(xiàn)電性能的影響，破片穿孔毀傷對(duì)圓拋物面天線(xiàn)電性能的影響，以及沖擊波與破片聯(lián)合毀傷對(duì)反射面天線(xiàn)電性能的影響。以上學(xué)者雖然研究了物理毀傷對(duì)天線(xiàn)電性能的影響，但研究的是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械天線(xiàn)的影響。
目前，對(duì)于相控陣天線(xiàn)的電性能毀傷研究，主要從失效陣元的數(shù)量、位置對(duì)電性能的影響著手12-1，鮮見(jiàn)研究建立物理毀傷與陣元失效數(shù)和位置變化的聯(lián)系。
筆者擬從彈目交會(huì)條件開(kāi)始，研究物理毀傷導(dǎo)致的陣元失效和位置變化，以及最終導(dǎo)致的電性能影響，研究分為以下5個(gè)步驟：(1)設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)的天線(xiàn)，導(dǎo)入電磁仿真軟件仿真，得到完整的天線(xiàn)方向圖;(2)確定破片數(shù)量、炸藥當(dāng)量、炸高、飛行速度、攻角和飛行方向，計(jì)算破片穿孔數(shù)量，得到穿孔后陣元數(shù)量及坐標(biāo)，建立預(yù)穿孔天線(xiàn)模型：(3)通過(guò)理論計(jì)算，求解沖擊波作用后的天線(xiàn)變形曲面，得到變形后陣元坐標(biāo)，建立穿孔變形天線(xiàn)模型;(4)將穿孔變形天線(xiàn)模型上的陣元坐標(biāo)輸入FEKO，通過(guò)仿真計(jì)算得到破片與沖擊波聯(lián)合毀傷后的天線(xiàn)方向圖;
(5)對(duì)比破片、沖擊波及聯(lián)合毀傷后的方向圖，分析反輻射導(dǎo)彈對(duì)相控陣天線(xiàn)的毀傷規(guī)律，為反輻射導(dǎo)彈設(shè)計(jì)提供參考。
1 設(shè)計(jì)
由于單個(gè)陣元類(lèi)型對(duì)相控陣天線(xiàn)陣方向圖影響不大，可以把陣元看作是各向同性的。若使用微帶陣元構(gòu)建相控陣，且計(jì)算各陣元之間的耦合效應(yīng)，需要仿真時(shí)間較長(zhǎng)，但如果選擇偶極子天線(xiàn)作為陣元，耦合效應(yīng)的強(qiáng)度則會(huì)降低。因此，為了提高仿真計(jì)算效率，筆者選擇偶極子陣元代替微帶陣元，不過(guò)在計(jì)算破片是否擊中目標(biāo)陣元時(shí)，仍視它們?yōu)槲ш囋?/p>
通過(guò)電磁學(xué)仿真軟件軟件建立偶極子陣元模型，并通過(guò)編程生成由 30 × 30 的偶極子陣元組成的，兩兩中心相距 10 cm 的陣列，偶極子陣元長(zhǎng)度為9. 99 cm。
方向圖綜合是相控陣天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)波束賦型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也是天線(xiàn)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題，其研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。對(duì)于均勻線(xiàn)陣天線(xiàn)，研究重點(diǎn)在于，當(dāng)確定陣元的數(shù)量和間距后，通過(guò)計(jì)算幅相權(quán)重實(shí)現(xiàn)方向圖綜合。大部分線(xiàn)陣天線(xiàn)的方向圖綜合方法只需做小改動(dòng)，便可應(yīng)用于平面陣列天線(xiàn)，其中常用到的是切比雪夫綜合和泰勒綜合方法。
筆者選取泰勒綜合法進(jìn)行綜合。加權(quán)元素幅值和相位后，天線(xiàn)增益為 30. 071 dbi，旁瓣電平為 - 30. 513 dbi。天線(xiàn)方向圖見(jiàn)圖 2。
2 穿孔天線(xiàn)模型
假設(shè)導(dǎo)彈飛行速度為 v = 800 m /s，戰(zhàn)斗部形狀呈腰鼓狀，炸藥當(dāng)量為 30 kg，起爆位置位于目標(biāo)中心，半徑為 4 mm 的球形鎢破片數(shù)量為 N = 10 000，散射角 θ = 120°，導(dǎo)彈飛行方向和天線(xiàn)表面的夾角為 φ = 20°，攻角為 ω = 10°，即導(dǎo)彈與天線(xiàn)表面的軸線(xiàn)角為 φ + ω = 30°，將相控陣天線(xiàn)面看作邊長(zhǎng)3. 1 m 的正方形平面，忽略沖擊波使陣元失效的情況，假設(shè)只有破片使陣元失效。基于此假定，計(jì)算被破片命中并失效的陣元數(shù)量。
由格尼方程[1 4]得到的最大初速度為:
圖4 顯示天線(xiàn)增益為 29. 830 dBi，降低5. 4% ;旁瓣電平為 - 27. 372 dBi，增長(zhǎng) 06% 。這表明，該工況下破片對(duì)天線(xiàn)電性能的毀傷程度較低。
3 穿孔變形天線(xiàn)建模
筆者采用預(yù)打孔的方式處理沖擊波和破片的聯(lián)合毀傷問(wèn)題，不考慮 2 種毀傷元的耦合問(wèn)題，只將兩者簡(jiǎn)單疊加，即先將天線(xiàn)板打孔，之后在計(jì)算天線(xiàn)變形程度時(shí)，不考慮孔洞對(duì)天線(xiàn)變形程度的影響。假設(shè)天線(xiàn)四周固支，對(duì)于四周固支的矩形板，計(jì)算其在沖擊波作用下的變形情況，已有學(xué)者[17]給出公式:
通過(guò)式( 7) -( 10) 可求出靶板的中心撓度，代入式( 6) 得到變形后的天線(xiàn)形狀，依此可得到天線(xiàn)變形后未被破片毀傷的每個(gè)陣元的坐標(biāo)。將該數(shù)據(jù)輸入電磁學(xué)仿真軟件，得到被破片和沖擊波聯(lián)合毀傷的天線(xiàn)陣列模型，如圖 5 所示。將模型導(dǎo)入電磁學(xué)仿真軟件，得到由破片和沖擊波聯(lián)合毀傷后的天線(xiàn)方向圖，如圖 6 所示。
圖6顯示，破片和沖擊波聯(lián)合毀傷后增益變?yōu)?8.571 dBi，降低92.9%;副瓣電平為-19.595 dBi，增長(zhǎng)1140%。結(jié)果表明，破片和沖擊波的聯(lián)合毀傷對(duì)天線(xiàn)電性能的毀傷程度較高。
4破片與沖擊波毀傷效果對(duì)比
如果僅考慮沖擊波影響，不考慮破片穿孔，可以得到僅受沖擊波毀傷的天線(xiàn)模型，如圖7所示。將模型導(dǎo)入電磁學(xué)仿真軟件，得到被沖擊波毀傷的天線(xiàn)方向圖，如圖8所示。
如 圖 8 所 示，沖擊波毀傷后天線(xiàn)增益變 為18. 829 dBi，下 降 了 92. 5% ，副 瓣 電 平 變 為- 24. 350 dBi，增長(zhǎng) 313% 。結(jié)果表明，沖擊波的單一作用下，相控陣天線(xiàn)電性能參數(shù)已發(fā)生巨大變化。
對(duì)比破片、沖擊波和聯(lián)合作用下的毀傷效果，數(shù)據(jù)如表 1 所示。
如表1所示，該工況下，可得到如下結(jié)論：
(1)沖擊波對(duì)天線(xiàn)增益的毀傷作用比破片要大得多;
(2)聯(lián)合毀傷效應(yīng)不能簡(jiǎn)單地視為毀傷元獨(dú)立毀傷效應(yīng)的簡(jiǎn)單疊加;
(3)沖擊波所產(chǎn)生的毀傷效果足以摧毀相控陣天線(xiàn);
(4)一個(gè)包含900個(gè)陣元的相控陣天線(xiàn)，43個(gè)破片最多能破壞其4.8%的陣元，破片毀傷效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。若要提高破片的毀傷效果，可通過(guò)調(diào)整導(dǎo)彈姿態(tài)或降低導(dǎo)彈炸高來(lái)增加破片命中陣元的數(shù)量。
5 增強(qiáng)破片打擊效果的其他情況
若將炸藥當(dāng)量改為 5 kg，炸高改為 5 m，假設(shè)在該條件下，破片命中陣元即可摧毀。較之前相比，命中目標(biāo)天線(xiàn)的破片數(shù)量從 43 個(gè)增加到 84 個(gè)，破片的毀傷效果隨著沖擊波毀傷效果的減弱而增大。按照上述方法，可得到新的作戰(zhàn)條件下，破片、沖擊波及其聯(lián)合作用下的毀傷效果，如表 2 所示。
結(jié)果表明，由于比例距離增加，天線(xiàn)變形后的中心撓度由 23 cm 減小到 8 cm。盡管變形相對(duì)微弱，但變形對(duì)增益的影響仍舊很強(qiáng)。這意味著，天線(xiàn)變形對(duì)于增益影響顯著。因此，在使用反輻射導(dǎo)彈打擊厚度較薄、固支較弱的天線(xiàn)時(shí)，可優(yōu)先考慮沖擊波毀傷; 對(duì)于較厚且固定方式穩(wěn)定的天線(xiàn)，由于沖擊波難以使天線(xiàn)變形，此時(shí)才應(yīng)該考慮選擇破片作為主要?dú)?/p>
6結(jié)論
通過(guò)理論計(jì)算，得到當(dāng)戰(zhàn)斗部于天線(xiàn)正上方起爆時(shí)，被反輻射導(dǎo)彈毀傷后的天線(xiàn)模型。之后利用電磁仿真軟件，結(jié)合天線(xiàn)毀傷模型得到破片、沖擊波和聯(lián)合毀傷后的天線(xiàn)方向圖，最后比較了破片和沖擊波在2種不同條件下的毀傷效果。
從彈目交會(huì)條件開(kāi)始，研究了物理毀傷導(dǎo)致的陣元失效和位置變化，及最終導(dǎo)致的電性能影響，提供了一種定量計(jì)算反輻射導(dǎo)彈對(duì)相控陣天線(xiàn)毀傷程度的方法，可為評(píng)估相控陣天線(xiàn)毀傷效能提供一定參考。另外，該方法在對(duì)增益和副瓣電平變化進(jìn)行定量評(píng)估后，未給出失效判據(jù)，這需要結(jié)合天線(xiàn)的作戰(zhàn)環(huán)境綜合分析。如何解決這一復(fù)雜問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)
[1]吳俊全，劉雨.爆破式戰(zhàn)斗部對(duì)雷達(dá)目標(biāo)的毀傷效率.，2004(52)：96-98.
[2]馬登武，沈靜，張真.爆破式ARM對(duì)典型雷達(dá)目標(biāo)的毀傷效果研究0].兵工自動(dòng)化，2011(11)13-15.
[3]周棟，吳俊斌，李朝君，爆破戰(zhàn)斗部對(duì)典型制導(dǎo)雷達(dá)目標(biāo)毀傷概率研究[0].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2012(6)：28-31.
4]李衛(wèi)平，楊澤，汪德武，反輻射戰(zhàn)斗部對(duì)雷達(dá)毀傷概.與報(bào)，2008，28(4)：
135-438...
[5]張志鋒，陳士濤，劉濤，等.ARM破片式戰(zhàn)斗部對(duì)地空導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)毀傷研究[].電光與控制，2011(7)：4044
[6]徐文亮，吳俊斌，何春，等，破片殺傷型戰(zhàn)斗部對(duì)典型雷達(dá)目標(biāo)的毀傷研究[].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2009(4)：26-30.
[7]袁俊明，張慶明，劉彥.沖擊波與破片聯(lián)合毀傷對(duì)反射面天線(xiàn)電性能影響的仿真計(jì)算0].兵工學(xué)報(bào)，2009(S2)：169-472.
[8]董濤，徐曉文，肖疆，賦形反射面天線(xiàn)毀傷效應(yīng)研究[D].現(xiàn)代雷達(dá)，2003(10)：5456.
[9]肖疆，徐曉文，董濤，單孔毀傷對(duì)賦形反射面天線(xiàn)輻射特性的影響[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003 ( 6) :768-771.
[10]劉彥，袁俊明，張慶明，等.沖擊波作用下反射面天線(xiàn)輻射特性數(shù)值模擬研究].北京理大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(9)：763-766.
[11]袁俊明，張慶明，劉彥，爆炸沖擊波作用下變形毀傷對(duì)圓拋物面天線(xiàn)電性能影響的數(shù)值模擬[C]//第四屆全國(guó)計(jì)算爆炸力學(xué)會(huì)議論文集，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)爆炸力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，合肥，2008.
[12]裴曉羽，劉彥，黃風(fēng)雷，輻射單元失效時(shí)相控陣天線(xiàn)輻射特性數(shù)值模擬研究[C]//第六屆全國(guó)強(qiáng)動(dòng)載效應(yīng)及防護(hù)學(xué)術(shù)會(huì)議暨2014年復(fù)雜介質(zhì)/結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為創(chuàng)新研究群體學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)爆炸力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，北京，2014.
[13]朱賽，蔡金燕，韓春輝，等，失效陣元對(duì)陣列天線(xiàn)性能影析0.電光與控制，2019(8)：54-59.
[14]Huang G Y，Li W，F(xiàn)eng S S.Axial distribution of fragment Velocities from cylindrical casing under explosive loading[.International Journal of Impact Engineering，2015，76：20-27.
[15]曹兵，不同材質(zhì)靶板抗破片侵徹等效關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究.與制導(dǎo)報(bào)，2006，26(4)：113414.
[16]劉一諾，盧芳云，李翔字，鎢球破片侵徹等效雷達(dá)目標(biāo)后的剩余動(dòng)能理論分析[C]/1第十五屆全國(guó)戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)學(xué)術(shù)交流研討會(huì)論文集，中國(guó)宇航學(xué)會(huì)無(wú)人飛行器分會(huì)戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，北京，2018.
[17]Baker W E，Cox P A，Kulesz JJ，et al.Explosion hazards and evaluation[M].Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Co.，1982.
[18]王芳，馮順山，俞為民.爆炸沖擊波作用下靶板的塑性大變形響應(yīng)研究D].中國(guó)安全科學(xué)報(bào)，2003，13(3)：5861.
[19]Driels M R.Weaponeering：conventional weapon system effectiveness[M].Virginia：AIAA，2013.
