離散桿戰(zhàn)斗部現(xiàn)狀與發(fā)展

龐 軍，袁寶慧

(1.海軍駐西安導(dǎo)彈設(shè)備軍事代表室，西安 710065;2.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

可控離散桿戰(zhàn)斗部是導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究的重要方向之一，它用獨(dú)立的大長(zhǎng)徑比的預(yù)制桿條作為主要?dú)兀瑮U條緊密排列在炸藥裝藥的周?chē)?dāng)戰(zhàn)斗部裝藥爆炸后，桿條按預(yù)控姿態(tài)向外飛行，即桿條的長(zhǎng)軸始終垂直于其飛行方向，同時(shí)繞長(zhǎng)軸的中心旋轉(zhuǎn)，最終在某一半徑處首尾相連，靠形成連續(xù)的切口來(lái)提高對(duì)目標(biāo)的殺傷能力［1］。可控離散桿戰(zhàn)斗部繼承了連續(xù)桿戰(zhàn)斗部桿條質(zhì)量大、對(duì)目標(biāo)切割能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)又兼顧了破片戰(zhàn)斗部速度高、威力半徑大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)目標(biāo)具有較強(qiáng)的毀傷能力。

1 桿式戰(zhàn)斗部的發(fā)展歷史

桿式戰(zhàn)斗部的研究由美國(guó)海軍機(jī)械局提出，主要在新墨西哥礦業(yè)技術(shù)學(xué)院(NMIMT)進(jìn)行。用桿條對(duì)飛機(jī)實(shí)施結(jié)構(gòu)毀傷的概念由實(shí)驗(yàn)室主任Jhon Workman首次提出，其思想可能源于二戰(zhàn)中保護(hù)倫敦的氣球吊籃繩索，這些繩索想用來(lái)摧毀飛越這個(gè)保護(hù)網(wǎng)的飛機(jī)。新墨西哥礦業(yè)技術(shù)學(xué)院的M.L.Kempton在20世紀(jì)40年代后期完成了這個(gè)研究的初步工作［2］。

桿式戰(zhàn)斗部早期使用的是非可控離散桿戰(zhàn)斗部［2，3］，戰(zhàn)斗部爆炸后離散桿向外翻滾飛行。M.L.Kempton等的研究發(fā)現(xiàn)，使空中目標(biāo)遭受臨界損傷所要求的桿體必定相當(dāng)長(zhǎng)，但一般認(rèn)為，當(dāng)桿體長(zhǎng)徑比超過(guò)30時(shí)，桿條的斷裂是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題［4］，這就為桿長(zhǎng)設(shè)置了非常嚴(yán)格的限制。正是由于離散桿長(zhǎng)度的限制，導(dǎo)致了連續(xù)桿戰(zhàn)斗部的發(fā)展。

連續(xù)桿戰(zhàn)斗部的特征是由兩層方鋼桿均勻環(huán)置于裝藥周?chē)瑑啥私诲e(cuò)焊接，戰(zhàn)斗部起爆后桿條形成一個(gè)展開(kāi)的大環(huán)，此環(huán)到達(dá)其最大理論周長(zhǎng)的80%時(shí)仍不斷裂。為了使作用在整個(gè)桿條上的沖量均勻，桿條展開(kāi)時(shí)不撕裂焊點(diǎn)，波形控制器或裝藥空腔的使用降低了爆炸沖量，因此，桿條的初速約為破片型戰(zhàn)斗部破片初速的一半;同時(shí)隨著半徑的增加桿條環(huán)會(huì)自然斷裂，桿條運(yùn)動(dòng)方向改變，一般認(rèn)為連續(xù)桿環(huán)斷裂后的功效很小，甚至可以忽略不計(jì)［2］。因此，國(guó)際上重新開(kāi)始研究離散桿戰(zhàn)斗部。

新的設(shè)計(jì)思想［5］是將離散桿以一定角度斜置于以戰(zhàn)斗部軸線為中心的圓周上，戰(zhàn)斗部爆炸賦于桿條上各點(diǎn)初速矢量不同，使桿向外擴(kuò)張的同時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)桿條擴(kuò)張到一定直徑時(shí)，形成連續(xù)的圓環(huán)。可控離散桿戰(zhàn)斗部克服了普通離散桿戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的離散切割，也等效于連續(xù)桿戰(zhàn)斗部的連續(xù)切割，避免了擴(kuò)張中的連續(xù)桿環(huán)斷裂的缺點(diǎn)，而且初速相對(duì)較高，對(duì)目標(biāo)具有較大的毀傷能力。

2 離散桿初始姿態(tài)控制研究

和破片戰(zhàn)斗部相比，離散桿戰(zhàn)斗部裝填的桿條較少，為實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)毀傷，需能在目標(biāo)上形成連續(xù)的切口，因此，離散桿戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵在于桿條初始姿態(tài)的控制。離散桿姿態(tài)的控制主要是通過(guò)以下2個(gè)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一是使桿條在整個(gè)長(zhǎng)度上獲得相同的拋射速度;二是將離散桿以一定的角度斜置于裝藥周?chē)Ｓ捎谄鸨绞健⒍嗣嫦∈璨氨Z產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)方向的影響，作用在桿條各微元的沖量并不相同。為了解決這些間題，通常使用特定形狀的裝藥空腔或波形控制器［6］。目前對(duì)裝藥空腔定量設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較少;現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)波形控制器進(jìn)行定量設(shè)計(jì)時(shí)，主要有2種方法，一種是采用幾何光學(xué)原理，另外一種是用爆轟波與惰性介質(zhì)的相互作用原理。

在離散桿戰(zhàn)斗部中，要將從點(diǎn)起爆得到的球形爆轟波變成筒形波，需要類似于幾何光學(xué)中的透鏡，即波形控制器。爆轟波在炸藥和波形控制器的界面上將發(fā)生折射，使其傳出介質(zhì)面時(shí)變?yōu)槠叫胁ǎ腋鼽c(diǎn)到達(dá)桿條的時(shí)間為一常數(shù)［7，8］，根據(jù)這一原則，劉志建在文獻(xiàn)［8］給出了裝藥曲線方程，但由此得到的裝藥曲線，僅考慮了爆轟波到達(dá)的同時(shí)性，并沒(méi)有討論由此而造成的爆轟波到達(dá)桿條時(shí)的壓力分布，以及其對(duì)桿條各微元初速的影響。

采用爆轟波與惰性介質(zhì)相互作用原理研究波形控制器曲線的文獻(xiàn)［6，9，10］大都采用如下設(shè)計(jì)原則，確定最小裝藥量以保證桿條的最小初速;沖擊波經(jīng)波形控制器衰減后到達(dá)殼體內(nèi)壁各點(diǎn)的時(shí)間差最小，壓力差也最小。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)［6］，加上波形控制器后能夠明顯減小爆轟波到達(dá)殼體內(nèi)壁各點(diǎn)的時(shí)間差，但還不能使該時(shí)間差縮小為零，即爆轟波同時(shí)到達(dá)各點(diǎn)。因?yàn)楸仨毧紤]桿條的初速要求，不能無(wú)限制地加厚波形控制器。姚翠友［9］用類似方法對(duì)直線型、折線型以及拋物線型波形控制器曲線分別進(jìn)行了計(jì)算，并作了比較分析，王少龍［10］對(duì)波形控制器內(nèi)形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。發(fā)現(xiàn)隔板形狀不同，沖擊波到達(dá)殼體內(nèi)壁各點(diǎn)的時(shí)間差也不同，但并不顯著;而到達(dá)內(nèi)壁各點(diǎn)的壓力差卻明顯不同。并且從所收集到的桿條來(lái)看，折線形波形控制器優(yōu)于拋物線型和直線型波形控制器。

3 離散桿飛散姿態(tài)研究

對(duì)離散桿空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究，一方面可作為斜置角設(shè)計(jì)的基礎(chǔ);另一方面可進(jìn)一步對(duì)桿條在空間不同距離上的殺傷性能進(jìn)行分析，為優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)提供參考。

孫傳杰等［11］通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，離散桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成其平動(dòng)衰減加劇，因此可控離散桿飛散速度的衰減要比非可控離散桿飛散速度的衰減快;桿條尺寸對(duì)桿條的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)影響不大，斜置角是影響桿條旋轉(zhuǎn)變化規(guī)律的主導(dǎo)因素，并且桿條旋轉(zhuǎn)的角速度隨斜置角的增大而增大。

余春華等［12］從空氣動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)離散桿的各個(gè)摩阻系數(shù)進(jìn)行了研究，得到了各摩阻系數(shù)的理論表達(dá)式，以及飛行時(shí)的阻力和阻力矩，為離散桿的著靶姿態(tài)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)狀態(tài)分析提供了理論依據(jù)。

桂毓林等［13］分別用多重紙靶和“直靶法”對(duì)離散桿的旋轉(zhuǎn)規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明桿條在空中旋轉(zhuǎn)角度與運(yùn)動(dòng)距離呈線性關(guān)系。在不借助光學(xué)測(cè)試儀器時(shí)，“直靶法”簡(jiǎn)單可行。但用“直靶法”對(duì)離散桿旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)試時(shí)，并非所有桿條長(zhǎng)軸都與靶板并行，使得桿條各微元到達(dá)靶板的時(shí)間并不相同，對(duì)桿條在靶板上的穿孔有一定影響。

4 離散桿毀傷試驗(yàn)研究

可控離散桿對(duì)目標(biāo)的毀傷形式有兩種:結(jié)構(gòu)毀傷和功能毀傷。結(jié)構(gòu)毀傷立足于對(duì)目標(biāo)各種構(gòu)成部件的毀傷，主要利用大破片或密集破片群;功能毀傷立足于對(duì)目標(biāo)要害部件功能的破壞，要求戰(zhàn)斗部具有較大的破片殺傷區(qū)域。由于離散桿速度較高且易于控制飛行姿態(tài)，因此多用于對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行有效防御和攻擊。可控離散桿對(duì)空中目標(biāo)的毀傷多為結(jié)構(gòu)毀傷，在速度足夠大時(shí)可進(jìn)行功能性毀傷。

黃靜等［14］針對(duì)離散桿對(duì)目標(biāo)的2種毀傷形式，設(shè)計(jì)了毀傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，利用破片發(fā)生器得到離散桿，發(fā)射初速為1 700 m/s，將模擬目標(biāo)(模擬戰(zhàn)斗部)及10 mm厚鋼靶板放置于距破片發(fā)生器1 m處，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)離散桿可穿透10 mm厚靶板，并且桿條以大致相同的角度平行排布，一致性較好。但靶板背部裝藥沒(méi)有被桿條引燃或引爆，這是由于試驗(yàn)值低于理論計(jì)算得到的引爆速度(2 500 m/s)。

宋浦［15］進(jìn)行了離散桿對(duì)柱殼裝藥的毀傷試驗(yàn)研究，得到的結(jié)果與文獻(xiàn)［14］類似。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)離散桿以1 700 m/s的速度撞擊模擬目標(biāo)，將模擬靶正面切割穿透，露出主裝藥，但并未引爆。運(yùn)用Jacobs判據(jù)求得的射彈撞擊引爆的閾值速度為2 300 m/s，遠(yuǎn)高于試驗(yàn)中所測(cè)得的離散桿速度。

5 數(shù)值仿真研究

李龍俊等［16］利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)離散桿戰(zhàn)斗部以不同起爆方式(中心軸起爆，4點(diǎn)起爆以及中心點(diǎn)起爆)起爆時(shí)的驅(qū)動(dòng)過(guò)程和桿條飛散過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)中心軸起爆時(shí)爆轟波的傳輸比較均勻，桿條受力比較平衡，生成的封閉殺傷圓最穩(wěn)定也最為有效;而且通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，在裝藥形狀不變的條件下，改變起爆方式可提高特定方位的能量輸出。

周平等［17］采用ANSYS/LS-DYNA對(duì)離散桿以不同攻角高速侵徹LY－12加筋板的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析得出了破壞尺寸預(yù)測(cè)公式。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)同樣的加筋板，隨著離散桿對(duì)目標(biāo)侵徹時(shí)角度的增加，桿條的剩余速度減小，破壞尺度增加;剩余質(zhì)量的變化復(fù)雜，在水平侵徹時(shí)較大。同時(shí)文獻(xiàn)對(duì)離散桿侵徹平板和加筋板進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)條件相同時(shí)，加筋板的破壞尺寸較大，但剩余速度和剩余質(zhì)量較小。

6 離散桿戰(zhàn)斗部發(fā)展

1)由于端部效應(yīng)及起爆方式等的影響，桿條在整個(gè)長(zhǎng)度上無(wú)法獲得相同的拋射速度，雖然波形控制器及裝藥空腔的使用，可以使得爆炸沖量到達(dá)桿條時(shí)基本均勻，但也在一定程度上降低了桿條的拋射初速，無(wú)法使桿條對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生功能毀傷。定向戰(zhàn)斗部可在特定方向上提高毀傷元的速度，因此可以將離散桿戰(zhàn)斗部與定向戰(zhàn)斗部結(jié)合，在保證桿條爆轟驅(qū)動(dòng)的平穩(wěn)性和桿條完整性的基礎(chǔ)上，提高桿條的拋射速度。

2)離散桿戰(zhàn)斗部桿條分布帶寬較窄，顯著提高了命中密度，但是較窄的帶寬分布，也對(duì)引戰(zhàn)配合提出了更高的要求。因此可采用雙束離散桿戰(zhàn)斗部，在保證離散桿毀傷效果的基礎(chǔ)上，增加攔截概率，提高引戰(zhàn)配合效率。

3)戰(zhàn)斗部起爆后，離散桿向外飛散，隨著半徑的不斷增大，相鄰桿條間距將大于目標(biāo)尺寸。因此可采用雙層聚焦離散桿戰(zhàn)斗部技術(shù)，以增加桿條密度。

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(責(zé)任編輯楊繼森)