周向MEFP式戰斗部結構設計與仿真

吳峰，孔毓琦，柳科學，李曉峰

（73011部隊裝備部軍械裝甲處浙江湖州 313006）

0 引言

現代高技術情況下戰爭，空中作戰已成為主要模式，空中打擊也成為運用最廣泛的軍事手段，為了應對空中帶來的日益嚴峻的威脅，世界各國正在積極研究對策，并發展各式防空武器作為應對策略。

目前在防空反導彈藥上廣泛應用的的戰斗部形式有預制破片、連續桿式戰斗部等類型，這類戰斗部具有破片數量多，破片場分布理想、命中率高的優點。但對于直徑一般較小的近程防空反導彈藥來說，使用上述類型戰斗部達成有效毀傷來襲導彈戰斗部的任務，則存在明顯的困難。小直徑防空彈藥受總重和內部空間限制，配用的戰斗部尺寸小且裝藥少，這就導致預制破片式戰斗部和連續桿式戰斗部的單個破片的動能較小，不足以穿透來襲戰斗部的厚殼體，產生雖然命中卻不能使之徹底失效的問題，所以必須采用新的方法來解決。

針對這個問題，一種解決思路就是采用新型周向布置MEFP戰斗部。MEFP又稱多彈頭爆炸成型彈丸，是Multiple Explosively Formed Projectile的簡稱，與一般的預制破片戰斗部技術相比，它具有對目標打擊毀傷率高、遠距離打擊能力強等特點。其藥形罩通常都被設計成能形成多個帶凹槽的裝藥結構，在炸藥爆轟時聚能效應的作用下，可以形成多個質量較大并且速度較高的EFP彈丸，從而對目標實施有效的攻擊。某種MEFP戰斗部的組成如圖1所示。

圖1 某型MEFP戰斗部的組成實物圖

這類的MEFP戰斗部起爆后，內部布置的多列藥形罩在炸藥作用下翻轉成型，得到的成型彈丸的動能明顯高于預制破片戰斗部，足以穿透來襲戰斗部的厚殼體使之徹底失效，故可以適用于小直徑的防空彈藥。

1 MEFP戰斗部結構方案

對于MEFP戰斗部，一般都采用軸向布置的形式，其優點是主要方向破片的質量速度都比較好，不足是破片數量較少，對導引精度的要求較高，適用于較精確的制導武器。而對于低成本的防空反導火箭武器而言，需要戰斗部形成的破片要具有相當的數目，同時速度和質量等指標也要滿足毀傷要求。

顯然，采用軸向布置的MEFP戰斗部是不能滿足要求的。因此決定采用徑向布置的方式來設計MEFP戰斗部，并初步設計出如下兩個方案:方案一為多球缺罩式戰斗部（圖2）和方案二為多棱柱式戰斗部（圖3）。

兩方案的彈藥口徑都為70 cm，方案一的單個藥形罩為變球缺形，其主視圖為橢圓形，圖2（a）長軸為30 mm，短軸為20 mm;其俯視圖為一碗狀結構，其深度為6 mm，距離中心的半徑為33.5 mm，戰斗部總長為200 mm。方案二的單個藥形罩為瓦片狀，圖3（a）其尺寸為:高為32 mm，寬為25 mm;其俯視圖為一瓦狀結構，其深度為6 mm，距離中心的半徑為33.5 mm，戰斗部總長為200 mm。

圖3 多棱柱式戰斗部

2 MEFP爆炸成型過程仿真

為了在兩種方案中選出一種較優的方案，先對兩種方案進行仿真模擬:如圖4所示，兩方案沿軸向都有6列藥形罩，每列6個，藥形罩截面為變壁厚球缺形式。使用顯式動力學分析軟件AUTODYN－3D建立的模型，其中內部裝藥，端蓋和藥形罩均采用流固耦合的算法，以此來滿足爆炸成型過程中大變形的要求。同時炸藥的起爆方式為沿軸向中心線起爆，這是為了避免EFP飛散時軸向速度差過大，從而造成分布場難以控制的問題。

在仿真時間為10 μs時可以刪除炸藥單元，因為這時炸藥對藥形罩的作用已經很小了，可以忽略不計［4］。同時，在仿真過程達到100 μs時，EFP已基本成型，速度也不會有太大變化，所以可以認為全部成型過程在100 μs內結束。為簡化建模過程，對列與列之間的EFP連接進行了斷開處理，兩方案的成型過程對比如圖5圖7所示。

圖4 兩方案未起爆前破片布置方式

圖4兩方案都使用顯式動力學分析軟件AUTODYN－3D建立的模型，其中內部裝藥，端蓋和藥形罩均采用流固耦合的算法，同時炸藥的起爆方式為沿軸向中心線起爆。

圖5 兩方案起爆后10 μs時成型狀況

圖5在模擬仿真進行到大約10 μs時，在爆轟產物和爆轟壓力的作用下，罩頂微元開始被壓垮變形并流向藥形罩的對稱中心，這個時候藥形罩也同時被壓垮和變形，于是整個藥形罩就開始向前運動。

圖6 兩方案起爆后20 μs時成型狀況

圖6在模擬仿真進行到大約20 μs時，藥形罩的內表面速度不斷增大，外表面速度不斷減小。同時藥形罩微元在對稱中心發生堆積現象，各微元之間相互碰撞、擠壓，由于這種情況，就使得罩壁厚不斷增加。這就會導致壓合現象在藥形罩軸線區域處產生，于是藥形罩微元中速度高的部分就會產生“射流”，而速度低的部分就會產生“杵體”［6］。

圖7 兩方案起爆后35μs時成型狀況

圖7在模擬仿真進行到大約35 μs時，藥形罩在爆轟產物和爆轟壓力的作用下繼續向前高速運動，在藥形罩微元的相互之間作用下，藥形罩繼續發生變形并向軸線收攏，同時逐漸向后翻轉變形。

3 仿真結果分析

由圖8的EFP的最終成型圖，可以看出兩個方案形成的EFP在形狀尺寸上相差很大，方案一近似于橢圓球，而方案二則是飛片狀的。兩者之間的質量和速度的差別在圖9和圖10中得到體現。

圖9 兩方案成型后的破片質量

由圖9可得:兩方案的破片質量分別為7.761 8 g和1.3967 g，目前破片的質量m仍然是各國衡量其是否具有殺傷力的重要標準。例如:殺傷人員，要求破片m≥1 g;破壞汽車，m≥4 g;破壞飛機部件，m為1－8 g;毀傷火炮、裝甲輸送車，m≥10 g;破壞飛機油箱，m≥10 g。由此可知兩方案形成的破片在質量上符合對空中目標的殺傷力標準。

根據圖9和圖10，將兩方案最終成型的EFP各指標進行對比如表1所示。由此可以看出方案二的各項指標都要優于方案一（方案一中:藥形罩材料利用率低導致破片質量小，且受到炸藥爆炸作用的受力面積也小導致破片速度低），因此可以在方案二的基礎上開展后續的研究。

表1 兩方案EFP指標比較

圖10 兩方案成型后的破片軸向速度

4 小結

戰斗部是彈藥毀傷目標或完成既定戰斗任務的核心部分，因此選擇合適的戰斗部關系到整個武器系統的作戰效能。經過比較決定采用新型的MEFP戰斗部應用于防空反導戰斗部，在仿真之前首先列舉了幾種常見的軸向布置MEFP戰斗部并分析了其存在的不足，同時決定采用周向布置的方式來設計MEFP戰斗部，并初步設計出如下多球缺罩式MEFP戰斗部和多棱柱式MEFP戰斗部兩個方案，通過對兩種MEFP戰斗部方案進行了仿真比較，得出方案二（即多棱柱式戰斗部）形成的EFP參數指標較優。

［1］李裕春，程克明.多爆炸成型彈丸技術研究［J］.兵工材料科學與工程，2008，31（3）:74-76.

［2］周翔，龍源.多彈頭爆炸成型彈丸數值仿真及發散角影響因素［J］.兵工學報，2006，27（1）:23-26.

［3］范斌，王志軍，王輝.多爆炸成型彈丸成型過程的數值模擬［J］.彈箭與制導學報，2010，30（1）:124-126.

［4］王曉鳴，李文彬.智能雷多自鍛破片戰斗部試驗研究［J］.彈道學報，2002，14（3）:81-84.

［5］尹建平，王志軍.智能雷爆炸成型彈丸戰斗部研究［J］.彈道與制導學報，2005，25（3）:49-50.

［6］周棟.爆炸載荷下多破片形成技術研究［D］.北京:中北大學碩士論文，2004.

［7］王猛，黃德武，羅榮.整體多枚爆炸成型彈丸戰斗部試驗研究及數值模擬［J］.兵工學報，2010，31（4）:453-457.