破/穿爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李維

(海軍駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 400042)

隨著軍事科技的發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)高價(jià)值軍事目標(biāo)的防護(hù)越來越重視。雖然先進(jìn)的鉆地彈依靠高質(zhì)量和高動(dòng)能能夠有效打擊深入地下的目標(biāo)，先進(jìn)的半穿甲彈也能夠輕易穿透30 ～40 mm 的船用鋼板進(jìn)入艦船內(nèi)部爆炸，但由于破/穿爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部(MWS)具有較低著速和較大著角，能適應(yīng)多種發(fā)射平臺(tái)，近年來正受到越來越多的關(guān)注。

破/穿爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)特點(diǎn)要求它具有較大藥量的前級(jí)戰(zhàn)斗部，以便對(duì)目標(biāo)實(shí)施開孔/坑，便于后級(jí)戰(zhàn)斗部的隨進(jìn)侵徹。隨著前級(jí)裝藥量的增加，前級(jí)爆炸對(duì)后級(jí)戰(zhàn)斗部裝藥的影響也更加凸現(xiàn)出來，對(duì)兩級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部的隔爆能力提出了更高的要求。

本文通過理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)兩級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆原理進(jìn)行了驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了一種適用于大藥量前級(jí)的串聯(lián)戰(zhàn)斗部的隔爆裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明該隔爆設(shè)計(jì)在前級(jí)裝藥量較大的條件下能夠?yàn)楹蠹?jí)裝藥結(jié)構(gòu)提供更好的保護(hù)。

1 隔爆裝置設(shè)計(jì)原理

為減小前級(jí)起爆對(duì)后級(jí)裝藥的影響，首先要對(duì)前級(jí)裝藥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，期望以最少的前級(jí)藥量達(dá)到較為理想作戰(zhàn)效果。通常，前級(jí)后端須采用船式收斂型裝藥結(jié)構(gòu)，使得前級(jí)爆炸的爆轟產(chǎn)物沿殼體法線方向往外飛散，盡量減小對(duì)后級(jí)裝藥造成破壞。前、后級(jí)裝藥之間需有一定的空間距離，該距離的大小以前級(jí)裝藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波壓力不會(huì)破壞主裝藥結(jié)構(gòu)、爆轟波到達(dá)后級(jí)裝藥殼體時(shí)其壓力不會(huì)引爆后級(jí)裝藥、前級(jí)裝藥爆炸產(chǎn)生的破片/碎片不損壞后級(jí)殼體和裝藥結(jié)構(gòu)為宜。在連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)采用開放式連接結(jié)構(gòu)，便于爆轟產(chǎn)物的飛散和泄壓，起到對(duì)后級(jí)戰(zhàn)斗部的保護(hù)作用。

1.1 隔爆距離估算

采用爆轟波傳播時(shí)采用瞬時(shí)壓力的計(jì)算法可估算主裝藥殼體頭部受壓情況。若前級(jí)采用TNT 炸藥，裝藥量為7 kg，假定后級(jí)裝藥殼體入射壓力在2.0 GPa 以下時(shí)裝藥無反應(yīng)，計(jì)算過程為:

在爆轟近場(chǎng)，壓力和爆轟產(chǎn)物的體積有關(guān)，即有［1］:

但考慮到前后級(jí)之間由剛性套筒連接，爆轟波衰減速度大大降低，可將爆轟近場(chǎng)的壓力-體積關(guān)系簡(jiǎn)化為絕熱膨脹，即

設(shè)裝藥為球形，則V∝R3。

式中:PM、V0、R0為瞬時(shí)爆轟壓力(裝藥爆壓)、裝藥體積、等效球形裝藥半徑;Pk、Vk、Rk為k 時(shí)刻爆轟波陣前沿的爆轟波壓力、爆轟產(chǎn)物體積、爆轟產(chǎn)物半徑。

等效球形裝藥的半徑R0約為101.5 mm，在估算中取后級(jí)主裝藥的入射壓力小于等于2.0 GPa 進(jìn)行計(jì)算，可求解得:Rk=215.3 mm。

隔爆距離即為這2 個(gè)半徑的差值:

即當(dāng)前、后級(jí)裝藥距離大于或等于113.8 mm 時(shí)，前級(jí)裝藥爆炸形成的爆轟波到達(dá)后級(jí)裝藥殼體時(shí)，其超壓已衰減至2.0 GPa以下，可以保證主裝藥安定。考慮到前級(jí)爆炸產(chǎn)生破片可能會(huì)對(duì)后級(jí)裝藥造成傷害，這個(gè)距離還應(yīng)加長(zhǎng)，而且也應(yīng)隨著前級(jí)裝藥的增加而進(jìn)一步加長(zhǎng)(如當(dāng)前級(jí)裝藥量為20 kg 時(shí)此距離為161.3 mm)，但是在總體設(shè)計(jì)上總是希望盡量減小兩級(jí)裝藥之間的距離，因此需要加隔板防護(hù)或?qū)⒈Z波向其他方向引導(dǎo)以減小主裝藥受到的壓力。

1.2 隔爆裝置原理設(shè)計(jì)

在隔爆裝置設(shè)計(jì)上，國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用比較成熟的是串聯(lián)反坦克彈上的隔爆設(shè)計(jì)，其基本原理是在兩個(gè)裝藥之間裝上一個(gè)連接套筒，套筒中部設(shè)置防護(hù)錐，其作用是在前級(jí)裝藥爆炸時(shí)為后級(jí)戰(zhàn)斗部保留足夠的炸高和聚能射流的飛行通道。套筒和防護(hù)錐的材料多采用硬質(zhì)塑料或低密度低強(qiáng)度的易碎金屬，國(guó)外公開的專利中也有采用高強(qiáng)度的復(fù)合材料作為套筒和防護(hù)錐材料的［3］。

在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的隔爆裝置是在連接套筒側(cè)壁上開了許多孔，使爆轟波向其他方向擴(kuò)散。當(dāng)前級(jí)裝藥起爆時(shí)，一部分高壓氣體從連接套筒上的孔向側(cè)面擴(kuò)散出去，另一部分沿著錐形防護(hù)板表面向外流去，只剩下很小一部分爆轟波向后級(jí)裝藥方向傳播。隔爆裝置原理見圖1。

圖1 隔爆裝置原理示意圖

2 隔爆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)某串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥量較大的情況，分析認(rèn)為對(duì)后級(jí)裝藥安定性產(chǎn)生影響的不僅僅是爆轟波，還包括前級(jí)裝藥爆炸產(chǎn)生的破片。為更好保護(hù)后級(jí)彈體不受影響，所采用的防護(hù)錐材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和良好的延展性，在阻擋前級(jí)爆炸產(chǎn)生破片的同時(shí)利用其被壓垮時(shí)的吸能效應(yīng)消耗爆轟波的能量。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)原理，在外殼上開瀉壓孔可以對(duì)前級(jí)爆轟波進(jìn)行卸載，減小后級(jí)裝藥受到的爆轟波沖擊。考慮到防護(hù)錐本身在前級(jí)裝藥爆炸作用下也會(huì)產(chǎn)生破片，設(shè)計(jì)中在防護(hù)錐與后級(jí)裝藥之間填充了緩沖材料，降低防護(hù)錐本身形成的二次破片的速度，加強(qiáng)對(duì)后級(jí)裝藥的保護(hù)。根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)了隔爆裝置，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 隔爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)圖1 所示的隔爆裝置原理設(shè)計(jì)了隔爆裝置試驗(yàn)件。為對(duì)比防護(hù)錐、泄壓孔和填充材料對(duì)隔爆的貢獻(xiàn)，分別設(shè)計(jì)了如圖3 所示的4 種試驗(yàn)件，其狀態(tài)分別是空氣隔爆、防護(hù)錐隔爆、防護(hù)錐加泄壓孔隔爆、防護(hù)錐加泄壓孔加緩沖材料隔爆。其中:4 種試驗(yàn)件的前級(jí)裝藥量相同(裝藥量為2.0 kg，裝藥爆壓28.6 GPa)，前后級(jí)距離均相同;試驗(yàn)件2 ～4 中，防護(hù)錐采用一定厚度的低碳鋼;試驗(yàn)件4 中的緩沖材料為海綿橡膠板。

圖3 試驗(yàn)件隔爆裝置示意圖

試驗(yàn)中采用PVDF 壓力傳感器對(duì)試驗(yàn)件后級(jí)裝藥頭部在前級(jí)爆炸過程所受的壓力進(jìn)行了測(cè)量(壓力傳感器布置位置見圖4)。表1 列出了試驗(yàn)測(cè)試獲得的沖擊波壓力的時(shí)間歷程，后級(jí)裝藥頭部所受壓力與時(shí)間曲線如圖5 所示。

圖4 PVDF 計(jì)安裝位置示意圖

根據(jù)式(5)計(jì)算，在試驗(yàn)件前后級(jí)的隔爆距離條件和空氣隔爆條件下，后級(jí)裝藥殼體頭部的爆轟波壓力為8.87 GPa，而試驗(yàn)中由于測(cè)量裝置的實(shí)測(cè)上限值為4.17 GPa，根據(jù)簡(jiǎn)單差值估算，實(shí)際爆轟波壓力超過8 GPa，可見對(duì)文獻(xiàn)［1］中公式的修正是符合實(shí)際情況的。由表1 的測(cè)量結(jié)果可知，設(shè)計(jì)中采用的泄壓孔和防護(hù)錐的使用都達(dá)到了預(yù)期的目的。試驗(yàn)件2 ～3 相比試驗(yàn)件1，隔爆設(shè)計(jì)較好地降低了后級(jí)裝藥殼體頭部的爆轟波超壓值。

表1 后級(jí)彈體頭部壓力測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來看，大藥量的前級(jí)裝藥爆炸產(chǎn)生了大質(zhì)量的破片，具有較大的動(dòng)能，能對(duì)后級(jí)裝藥殼體頭部造成破壞。但在試驗(yàn)件的防護(hù)錐與后級(jí)裝藥殼體之間增加填充材料阻擋后，可以看到后級(jí)裝藥殼體表面被破片打擊的情況得到明顯改善(見圖6)。

圖6 試驗(yàn)后的頭部對(duì)比

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)防護(hù)錐和泄壓孔同時(shí)采用可明顯降低后級(jí)裝藥頭部的爆轟波壓力。

2)在防護(hù)錐不能完全阻隔前級(jí)破片的情況下，在防護(hù)錐和后級(jí)裝藥之間填充緩沖材料可顯著降低前級(jí)破片的打擊強(qiáng)度。

3)通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使泄壓孔、防護(hù)錐和填充材料的組合能確保后級(jí)裝藥在大藥量前級(jí)聚能裝藥爆炸條件下的安定性，同時(shí)保證殼體安全。

4 結(jié)束語

通過對(duì)大藥量前級(jí)條件下兩級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部隔爆裝置開展理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該隔爆結(jié)構(gòu)可適用于前級(jí)裝藥量較大的兩級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部，較好地降低前級(jí)爆炸對(duì)后級(jí)戰(zhàn)斗部彈體結(jié)構(gòu)和裝藥安定性的影響。該研究可為破/穿爆型串聯(lián)戰(zhàn)斗部研制提供參考。

［1］北京工業(yè)學(xué)院八系.爆炸及其作用:下冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

［2］廉振江，孟宛楓. 破甲- 爆破兩級(jí)串聯(lián)戰(zhàn)斗部原理設(shè)想［C］//第三屆航空彈藥學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.寧波:［出版者不詳］，1993.

［3］唐慶. 串聯(lián)戰(zhàn)斗部輕型爆炸防護(hù)板［J］. 彈箭技術(shù)，1996(1):44 -45.

［4］湯榮芳，劉志學(xué). 兩級(jí)串聯(lián)彈頭極其技術(shù)要點(diǎn)［M］. 北京:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司信息研究所，1999.

［5］于世英.串聯(lián)裝藥戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)理論的探討［J］. 彈箭技術(shù)，1993(4):10 -17.

［6］胡波，劉榮忠.某型破片式戰(zhàn)斗部仿真數(shù)據(jù)分析［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011(5):28 -29.