結構參數對爆炸成型彈丸性能影響的研究＊

段 建，周 剛，王可慧，初 哲，王金海，李 明

（西北核技術研究所，西安 710024）

0 引言

利用爆炸成型彈丸（expl osively f or med pr ojectile，EFP）原理設計的聚能裝藥戰斗部爆炸形成的“彈丸”具有穿孔直徑大、飛行距離長、抗旋轉及侵徹后效大等特點而在軍事上得到廣泛應用，用來貫穿和破壞諸如車輛、裝甲、指揮所、控制和通訊掩體、橋墩、潛艇修藏塢、飛機庫及機場跑道等目標。尤其隨著一些重要的地下防護工程增設遮彈層來提高抗沖擊侵徹能力，使彈體侵徹過程面臨跳彈、偏轉和破壞效應，利用前級聚能裝藥對目標進行預先破壞和穿孔的串聯型鉆地彈受到各國的重視和青睞，成為對付帶有遮彈層目標的有效武器。

隨著聚能裝藥的軍事應用領域越來越廣泛，對聚能裝藥爆炸形成的EFP研究顯得尤為必要。EFP的成型受多種因素的影響，如炸藥性能、裝藥結構、外殼材料和結構以及藥型罩材料和結構等。文中采用三維非線性動力有限元程序對聚能裝藥的EFP成型過程進行了數值模擬，研究了裝藥長徑比、裝藥密度、藥型罩材料、起爆方式以及殼體性質及厚度對EFP性能的影響規律。并根據研究結果，設計了一種較優化的EFP聚能裝藥，開展了EFP侵徹混凝土靶板實驗。

1 計算模型

計算模型如圖1所示，藥型罩為變壁厚的錐形罩，底部直徑90 mm，罩錐角150°，頂部采用半徑為50 mm的圓弧過渡，頂端厚度5 mm；裝藥采用聚黑-15高能炸藥。藥型罩采用Steinber g材料模型和Gr uneisen狀態方程，材料為紫銅；高能炸藥采用High－Explosive－Bur n模型和J WL狀態方程；殼體采用Johnson－Cook材料模型和Gr uneisen狀態方程，材料選用A3鋼。

圖1 爆炸成型彈丸計算模型

由于結構的對稱性，文中采用四分之一模型進行計算，炸藥、藥型罩和殼體均采用拉格朗日六面實體單元。炸藥和藥型罩之間采用＊CONTACT＿SLIDING＿ONLY＿PENALTY滑移接觸算法，炸藥和殼體采用＊CONTACT＿AUTOMATIC＿SURFACE＿TO＿SURFACE接觸算法。在對稱邊界面上施加對稱約束，采用c m-g μs建模。由于30μs后炸藥基本爆轟結束，其后對EFP的成型影響很小，所以在30μs時刻暫停計算，刪除炸藥部件以及炸藥和藥型罩的接觸，并使用小型重啟動功能對其后時間的EFP成型過程進行計算。

2 數值模擬結果與分析

2.1 裝藥長徑比對EFP性能的影響

分別對長徑比 為0.60、0.80、1.00、1.25、1.50和2.00情況下的聚能裝藥爆炸形成EFP的過程進行了數值模擬，對比最終形成EFP的速度、動能和形狀，分析了裝藥長徑比對其速度、動能和形狀的影響，以及EFP速度、動能和形狀隨裝藥長徑比增加的變化規律。表1給出了不同長徑比下EFP速度和動能的計算結果，圖2和圖3分別給出了EFP速度和動能隨裝藥長徑比的變化關系曲線。

表1 不同裝藥長徑比下的EFP速度與動能計算結果

圖2 EFP速度隨裝藥長徑比變化的關系曲線

圖3 EFP動能隨裝藥長徑比變化的關系曲線

由計算結果可以看出，隨著裝藥長徑比的增加，EFP的速度和動能也相應增加，但其增加幅度隨著裝藥長徑比的變大而逐漸變小。當長徑比達到1.50時，如果再繼續增加裝藥長徑比，EFP的速度和動能增加并不明顯。考慮到實際情況中，有時降低一點裝藥高度可以帶來裝藥量的大量減少，而且不會給EFP速度和動能帶來較大變化，同時裝藥高度小，對減小整個裝藥結構的質量均有著明顯的好處。因此，炸藥裝藥的長徑比設計成1.50時較為合適。如果戰斗部沒有足夠的空間，根據研究經驗［1］，長徑比設計成0.75亦已夠用。

此外，計算結果表明，裝藥長徑比對EFP形狀也有重要影響。隨著裝藥長徑比的增加，EFP的長度增加，直徑減小，圖4給出了200μs時刻最終形成的EFP形狀。長徑比為0.60的聚能裝藥爆炸形成的EFP短粗，其最大直徑約8.0c m，最小直徑約4.5c m，長度約9.0c m；長徑比為1.00的聚能裝藥爆炸形成的EFP最大直徑約9.4c m，最小直徑約3.0c m，長度約13.5c m；而長徑比2.00的聚能裝藥形成的EFP細長，其最大直徑約9.6c m，最小直徑1.5c m，長度約19.5c m。

圖4 不同裝藥長徑比的聚能裝藥在200μs時刻的EFP形狀

2.2 炸藥密度對EFP性能的影響

炸藥是形成爆炸成型彈丸的能源，炸藥爆轟后將能量傳遞給藥型罩，藥型罩在爆炸載荷驅動下閉合，被擠壓而形成EFP。從炸藥性能方面，炸藥的爆轟壓力是影響EFP性能的主要因素。由爆轟理論［2］可知，炸藥爆壓是炸藥爆速和裝填密度的函數，即pCJ＝／4。所以為提高侵徹威力，應盡量選取高爆速炸藥，而當炸藥選定后，盡可能提高裝填密度。

對于同一聚能裝藥，采用不同的裝藥方式會帶來裝藥密度的不同，進一步導致裝藥量的不同，最終會對EFP的性能造成一定的影響。文中研究了長徑比為1、不同裝藥密度的聚能裝藥爆炸對EFP性能的影響，炸藥密度分別取值為1.60g／c m3、1.78 g／c m3和1.90 g／c m3。計算結果如表2所示。

計算結果表明，提高裝藥密度，可提高 EFP的速度和動能，但由于裝藥密度的提高有限，一般不會很大，因此，裝藥密度對EFP的速度和動能的影響并不十分明顯。

表2 不同裝藥密度下的EFP速度和動能計算結果

2.3 藥型罩材料對EFP性能的影響

紫銅是聚能裝藥戰斗部常用的藥型罩材料，這是因為紫銅具備優良的綜合性能，即塑性好，密度（8.9g／c m3）和聲速（4.7k m／s）較高，最終獲得理想的EFP。隨著材料技術的發展以及人們對聚能裝藥技術的研究，一些高性能的藥型罩材料被運用，這些材料包括鎢、鎳、貧鈾等合金材料。尤其是鎢合金、貧鈾合金作為藥型罩材料，使得聚能裝藥有了更廣的發展空間和應用前景。鎢合金、貧鈾合金材料的密度高達18.0～19.0g／c m3，采用該材料的聚能裝藥對裝甲和硬介質目標有極強的破甲和侵徹毀傷效果。

針對藥型罩材料對EFP性能的影響，文中研究了藥型罩材料分別為鋁合金、紫銅和鎢合金的EFP成型性能。三種材料的主要差別在于密度（鋁合金2.7g／c m3、紫銅8.9g／c m3、鎢合金17.6g／c m3），其次表現為聲速及其它力學性能。圖5給出了鋁合金、紫銅和鎢合金藥型罩形成的EFP速度隨時間的變化關系曲線。計算結果表明，同一種結構的聚能裝藥，密度小的鋁合金罩形成的EFP速度最高，密度大的鎢合金罩形成的EFP速度最低。分析認為：對于同一種裝藥結構，炸藥爆炸作用于藥型罩上的能量基本相同，對于鋁合金藥型罩，由于其密度低，導致罩的質量小，而鎢合金藥型罩密度高，罩的質量相應也大。因此，在同一能量的驅動作用下，必將導致密度小的鋁合金藥型罩形成的EFP速度高，密度大的鎢合金藥型罩產生的EFP速度低。但三者形成EFP的動能接近。此外，模擬結果顯示，鋁合金罩形成的EFP速度梯度大，不能形成連續的EFP，這將大大降低EFP的侵徹效果，因此，一般不選擇鋁作為藥型罩材料。

圖5 不同材料藥型罩的EFP速度隨時間的變化關系曲線

2.4 起爆方式對EFP性能的影響

數值模擬了聚能裝藥中心點起爆、多點起爆和環形起爆對EFP性能的影響。多點起爆采用4點起爆方式，其中的一個起爆點為中心點，另外3個起爆點為距離中心點2.5c m的圓周上的3個等間隔點；環形起爆為以中心點為圓點、半徑1.5c m的圓形環起爆。

表3 不同起爆方式下的EFP速度和EFP動能計算結果

表3給出了中心點起爆、多點起爆和環形起爆下的同一聚能裝藥最終形成的EFP速度和EFP動能計算結果。

結果表明，多點起爆和環形起爆后的EFP速度和動能明顯高于中心點起爆，而多點起爆和環形起爆的EFP速度和動能相差不是很大［3］。這是因為中心點起爆形成球面爆轟波，球面爆轟波具有散心效應；而多點起爆和環形起爆形成喇叭形爆轟波，此類型波具有聚心效果。因此，多點起爆和環形起爆所產生的爆轟波陣面與罩壁的夾角相對于中心點起爆有所減小，增大了炸藥對罩體的作用效果，使得形成的EFP具有更大的速度。

多點起爆和環形起爆產生的EFP彈丸長度比中心點起爆產生的EFP彈丸長度更大。各起爆方式下EFP速度不同，中心起爆的EFP頭尾速度都較小，多點起爆和環形起爆的EFP頭尾速度較大。多點起爆和環形起爆所形成的EFP形狀、長度和速度及速度分布都相差不大，各方面性能都優于中心點起爆。因此，在戰斗部設計中，一般都采用環形起爆方式以提高戰斗部的作戰效能。此外，環形起爆還能降低主裝藥長度，提高炸藥利用率，這對戰斗部設計是極其重要的。

2.5 殼體壁厚對EFP性能的影響

聚能裝藥戰斗部一般都帶有殼體，如何選擇和設計殼體才能使形成的EFP性能最優，是設計者們非常關心和考慮的問題。文中研究了裝藥長徑比為1的聚能裝藥的不同殼體厚度（0 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、10 mm、15 mm）對EFP速度及形狀的影響，得出了殼體厚度對EFP性能的影響規律。

圖6為EFP速度隨殼體厚度變化的關系曲線。由計算結果可以看出，裝藥殼體厚度由0至15mm變化時，EFP速度首先降低，在殼體厚度為3 mm時，EFP速度降到最低，約1547m／s。其后EFP速度隨殼體厚度增加而增大，并且EFP速度與殼體厚度基本呈線性關系。分析認為，殼體厚度在0至3 mm變化時，由于殼體的存在，使得炸藥的能量部分用于殼體膨脹做功而消耗，殼體厚度愈大，消耗的炸藥能量愈高，從而導致驅動藥型罩的炸藥能量降低，使得爆炸形成的EFP速度降低。當繼續增加殼體厚度，由于殼體對炸藥的約束作用，延長了炸藥對藥型罩的作用時間，使得更多的爆轟能量轉化為罩的動能，導致最終形成的EFP速度增加。并且相對于無殼體的聚能裝藥，EFP速度更高。但考慮到戰斗部的經濟性及重量限制，殼體厚度不可能很大，因此，對于EFP聚能裝藥，殼體設計有一個最佳厚度。不同的裝藥結構、不同的炸藥類型將會導致殼體的最佳厚度不同。對于文中設計的聚能裝藥，殼體的最佳厚度約為4 mm。殼體厚度設計為4mm時，聚能戰斗部既能有較高的EFP速度，又能達到降低設計成本和減小戰斗部重量的目的。

圖6 EFP速度隨殼體厚度變化的關系曲線

此外，殼體厚度的變化對EFP的形狀也有一定的影響。圖7給出了聚能裝藥最終形成的EFP長度與殼體厚度的關系。從圖中可以看出，EFP長度隨殼體厚度的變化與EFP速度隨殼體厚度的變化趨勢相反，即EFP長度先隨殼體厚度的增加而增大，當殼體達到某一厚度，EFP長度隨殼體厚度的增加反而減小。

圖7 EFP長度隨殼體厚度變化的關系曲線

3 EFP侵徹混凝土靶板實驗

3.1 EFP裝藥結構及靶板設計

設計的EFP聚能裝藥如圖8所示。裝藥底部直徑90 mm；藥型罩為變壁厚的錐形罩，罩錐角150°，頂部采用半徑為50 mm的圓弧平滑過渡，頂端厚度5 mm，材料為紫銅；裝藥殼體采用圓柱與截錐形組合式的殼體，材料采用30Cr MnSi A，厚度4 mm；裝藥采用聚黑 15高能炸藥，裝藥長徑比約為1.2。

實驗用混凝土靶板由水泥、水、骨料按《靶板施工設計說明和要求》［4］進行設計、制作，其中骨料最大粒徑不得大于EFP彈丸直徑的1／4。混凝土靶為圓柱形，無配筋，直徑800 mm，長度1000 mm，為減小邊界效應的影響，圓柱靶板周圍固有6 mm厚的鋼圈套緊。加工的混凝土靶養護期為一個月，抗壓強度30 MPa。

3.2 實驗方案及實驗結果

EFP聚能裝藥侵徹混凝土靶實驗布置如圖9所示。它由聚能裝藥、起爆系統、混凝土靶板及支架組成。其中聚能裝藥是由殼體、高能炸藥、大錐角藥型罩構成。聚能裝藥起爆方式采用藥柱后端面中心點起爆。

圖8 設計的EFP聚能裝藥

圖9 EFP聚能裝藥侵徹混凝土靶實驗布置圖

實驗炸高（藥型罩口部端面距離靶板表面的高度）為375 mm，約4.2倍裝藥口徑。EFP侵徹混凝土靶形成類似漏斗形的孔洞：孔洞上部有大體積混凝土破壞，形成一個大彈坑，彈坑最大長度約230 mm，深度約150 mm，彈坑周圍伴有大量的裂紋；彈坑下面形成近似圓柱形的孔洞，孔洞直徑為50 mm，約為0.56倍裝藥口徑，孔洞深575 mm，約為6.4倍裝藥口徑；孔洞長徑比約為11.5。

3.3 結果分析

EFP裝藥在混凝土靶板上的開坑效果理想：開坑孔徑接近裝藥口徑的0.6倍；開坑深度達到6倍以上裝藥口徑。并且由于EFP對目標的沖擊作用，造成目標一定深度的破壞，降低了目標的抗侵徹能力。因此，EFP聚能裝藥可用于串聯鉆地戰斗部的前級裝藥，實現對目標的開孔和預破壞功能，從而降低二級隨進侵徹彈體的跳彈幾率和提高二級隨進彈體的生存能力，達到對帶有遮彈層加固目標的更好打擊效果。

4 結論

1）通過開展結構參數對成型裝藥EFP性能影響的規律研究，結果表明，EFP聚能裝藥的裝藥長徑比、裝藥密度、藥型罩材料、起爆方式以及殼體性質及厚度對EFP的性能都有一定的影響：增加裝藥長徑比和提高裝藥密度可以提高EFP的速度和動能；多點起爆和環形起爆比中心點起爆更有助于提高EFP性能；增加聚能裝藥戰斗部的殼體厚度也能提高EFP性能，考慮到戰斗部的經濟性及重量限制等因素，EFP殼體設計存在一個最佳厚度。

2）EFP聚能裝藥對硬介質目標（混凝土等）有顯著的侵徹開坑效果以及預破壞功能，因此，EFP聚能裝藥用于串聯鉆地戰斗部的前級裝藥，可以實現對帶有遮彈層加固目標的更有效的打擊毀傷效果。

［1］ 蔣建偉，楊軍，門建兵，等.裝藥長徑比對EFP動能影響的數值模擬研究［J］.彈箭與制導學報，2003，23（2）：134－136.

［2］ 張寶平，張慶明，黃風雷.爆轟物理學［M］.北京：兵器工業出版社，2001.

［3］ 李成兵，裴明敬，沈兆武，等.起爆方式對桿式彈丸成型和穿甲的影響［J］.火炸藥學報，2006，29（3）：47－51.

［4］ 李曉軍，張殿臣，等.靶板施工設計說明和要求［Z］.工程兵科研三所，2002.