基于陶瓷微粒的低附帶毀傷戰(zhàn)斗部作用方式研究

黃德雨，王堅茹，劉國棟，梁東晨，王明琨，許 栩

(1.中國人民解放軍95874部隊，南京 210022;2.中北大學機電工程學院，太原 030051)

低附帶毀傷彈藥(low collateral damage，LCD)是在城區(qū)作戰(zhàn)模式不斷增加的情況下，為了減少對平民的傷害和對資源的破壞而發(fā)展起來的一種新型彈藥。傳統(tǒng)彈丸由于爆炸后產(chǎn)生大量的金屬破片，常常對目標周圍造成較大的附帶毀傷。隨著現(xiàn)代彈藥的精確制導化和命中精度的大幅提高，使得精確打擊成為未來戰(zhàn)爭的普遍攻擊方式，從而使低附帶毀傷彈藥的發(fā)展具有實際意義。

目前，國內外正在研制的低附帶毀傷效能彈主要為聚焦殺傷彈藥(FLM)或高密度惰性金屬彈藥［1］(dense inert metal explosive，DIME)，雖然它們都有很好的低附帶毀傷效果，但是由于采用了大量昂貴金屬，且爆轟產(chǎn)物對環(huán)境有嚴重污染。因此，其使用前景并不理想。經(jīng)過增韌的Al2O3陶瓷具有高硬度、高韌性、適脆性及低比重等特性。其化學穩(wěn)定性及硬度極高(洛氏硬度HRC90，僅次于金剛石)，抗壓強度值可達約13～27 GP。前期已經(jīng)對其強度能否經(jīng)受爆炸加載做了試驗研究，結果表明強度完好。本文在強度試驗的基礎上，對基于陶瓷微粒的低附帶毀傷戰(zhàn)斗部裝藥結構及其作用模式進行了分析研究。

1 相關理論分析

1.1 低附帶毀傷彈藥殺傷機理

低附帶毀傷彈藥與裝填普通高能炸藥的彈藥的殺傷機理不同，同普通的炸彈相比，它的殺傷面積很小，如圖1所示。普通炸彈在爆炸后破片飛散的方向和距離無法控制，且其作用力大，因此附帶殺傷效果強。而低附帶毀傷彈藥要求要打擊目標的同時又對周邊其他物體的傷害降到最低。

圖1 低附帶毀傷彈殺傷區(qū)域示意圖

如果將陶瓷微粒作為破片，高強度復合纖維材料作為殼體，這種彈藥在爆炸時殼體將會燃燒而不產(chǎn)生殺傷破片，陶瓷顆粒則會在爆轟作用下高速運動，這些高速運動的顆粒相當于微型榴散彈片，隨著爆炸波產(chǎn)生一個相對小但卻有效的毀傷半徑［5］，而在毀傷半徑外其殺傷能力迅速降低接近于零附帶殺傷。這就涉及2種裝藥結構，一種為將陶瓷微粒作為預制破片，放在炸藥外層。這類似于傳統(tǒng)的預制破片裝藥結構。另一種就是將炸藥和陶瓷微?；旌?，這是一種新的裝藥結構，其殺傷模式，能量輸出都將發(fā)生變化。在此利用LSDYNA軟件2種裝藥結構做了對比分析，得出了一些有參考價值的結論。

由于該彈藥的外殼為復合纖維材料，爆炸后完全燃燒不產(chǎn)生破片，因此其殺傷威力主要取決于爆炸后殺傷元(即陶瓷顆粒)的飛行速度。

1.2 破片速度衰減及比動能殺傷

陶瓷微粒的殺傷威力是用比動能來考察的，其實也反映了對速度的要求;而要達到“一個相對小但卻有效的毀傷半徑”，這又涉及破片在空氣中飛行的速度衰減理論。破片在空氣中的運動方程:

根據(jù)彈藥破片殺傷標準，在破片直徑小于10 mm的情況下，用破片的比動能作為殺傷標準更為合理。聯(lián)立式(1)、式(2)，球型破片的瞬時比動能Eb表示為

式(3)中:m為破片質量;v為破片速度;t為時間;CD為空氣阻力系數(shù);ρ0為當?shù)乜諝饷芏?ρ為破片密度為破片迎風面積;R為破片飛行距離;r為球形破片半徑;vR為破片在R處的飛行速度;α為破片衰減系數(shù);Eb為破片比動能。

由式(3)可看出，球形破片在空氣中的速度衰減規(guī)律跟破片密度ρ、半徑r有關。具體來說就是:破片密度越大，衰減越慢;破片直徑越大，衰減越慢。

2 兩種裝藥結構的數(shù)值計算分析

建模過程中彈體取為理想的圓柱。整個模型分為3個部分:外殼、炸藥和Al2O3陶瓷微粒。為了保證2種結構的數(shù)值計算結果具有可比性，在模擬中將盡量使2種裝藥結構中的炸藥與陶瓷配比度相同，具體見表1。

表1 Al2O3陶瓷材料參數(shù)

2.1 有限元模型

2.1.1 預制破片裝藥結構

炸藥與小陶瓷顆粒混合，每層含有陶瓷微粒56個，共10層。陶瓷與炸藥共節(jié)點，采用中心起爆方式，利用LS-DYNA后處理器進行計算分析，在建模時，TNT與陶瓷破片按一定比例混合，藥柱高度34 mm，直徑28 mm，陶瓷微粒直徑為2 mm，外殼為均勻塑性材料，厚度2 mm。裝藥具體結構如圖2所示。

2.1.2 混合裝藥結構

炸藥與小陶瓷顆粒混合，每層含有陶瓷微粒56個，共10層。陶瓷與炸藥共節(jié)點，采用中心起爆方式。在建模時，TNT與陶瓷破片按一定比例混合，藥柱高度為34 mm，直徑為28 mm，陶瓷微粒直徑為2 mm，外殼為均勻塑性材料，厚度2 mm。圖3為藥柱剖視圖，可以直觀看出陶瓷破片的排列方式。

圖2 預制破片裝藥結構

2.2 材料模型與接觸算法

本戰(zhàn)斗部中采用的主裝藥為 B炸藥，密度為1.78 g/cm3，爆速8390 m/s，CJ壓力為 29 GPa。采用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和EOS_JWL模型。陶瓷材料模型采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS材料模型，陶瓷材料參數(shù)如表1。

圖3 模型混合藥柱截面

由于陶瓷顆粒比較小，模型中的網(wǎng)格數(shù)量相當多，計算量很大，因此計算時采用Lagrange算法，拉格朗日網(wǎng)格固定在材料上，能自然地描述材料的應力歷程及顯示材料的界面，并且其計算量相對較?。?］。當破片數(shù)量較多時，破片之間的相互碰撞會產(chǎn)生接觸搜索困難，使程序難以計算，估計應為接觸設置不當所致。爆炸過程中破片之間的接觸如何定義一直是一個棘手的問題，本文數(shù)值模型中采用基于pinball搜索方式的侵蝕自動單面接觸算法CONTACT_ERODING-SINGLE-SURFACE同時對3個部分之間的相互擠壓碰撞作用進行控制。侵蝕單面自動接觸算法能夠自動追蹤各構件可能發(fā)生碰撞的區(qū)域。該算法對于多構件的復雜體的碰撞追蹤非常有效，程序自動搜尋探測可能的接觸區(qū)域，適用于構件較多時自動識別相互之間的接觸和碰撞作用。采用該算法，可以有效模擬預制破片之間的相互摩擦、碰撞與翻滾效應。

2.3 陶瓷破片在2種裝藥結構下的初速度

通過對計算結果進行分析發(fā)現(xiàn)，2種裝藥結構在起爆后能量輸出方式完全不同。2種裝藥方案中，均選取順著母線方向最外側8個破片，分別得到2種裝藥結構的破片的速度曲線如圖4、圖5所示(單位制為cm-g-μs)。

可以看出:混合裝藥結構的破片伴隨著爆轟波傳播過程加速，其加速過程非常短暫，基本上在5 μs左右就已達到初速度。而預制破片裝藥結構的破片加速過程與爆轟波的短暫傳播時間不同，裝藥完全起爆后，爆轟產(chǎn)物對破片的驅動作用會持續(xù)較長時間(80 μs左右)。在該過程中，戰(zhàn)斗部內襯和破片一直受到爆轟產(chǎn)物的推動作用，破片速度呈逐漸增加狀態(tài)。

通過比較2種裝藥結構的破片速度曲線可知，混合裝藥結構的破片加速過程比預制破片裝藥結構快得多，因此在距爆心近距離處殺傷威力更大，更適合用于低附帶毀傷戰(zhàn)斗部的設計方案。

圖4 方案1破片速度曲線

圖5 方案2破片速度曲線

2.4 選用陶瓷的依據(jù)

由于陶瓷和鋼密度相差很大，在炸藥裝藥量相同的情況下，若將混合裝藥結構中的陶瓷微粒替換為同直徑的小鋼珠，則兩者初速會有很大差異。在本文的數(shù)值模擬中，對基于混合裝藥的鋼和陶瓷2種破片進行了計算。取中間最外側位置的破片作為研究對象，A為陶瓷，B為鋼，2種破片的速度、比動能曲線分別如圖6、圖7所示。

圖6 陶瓷和鋼破片的速度-時間曲線

圖7 陶瓷和鋼破片的比動能-距離曲線

由圖6、圖7可看出，陶瓷微粒的初速明顯大于鋼珠。陶瓷微粒的初速為2820 m/s，而同直徑鋼珠的初速僅為1800 m/s。根據(jù)式(4)可求得2種材料的破片在不同距離下的比動能。2種破片初始比動能均為2000 J·cm2左右，但是在5 m處陶瓷破片的比動能為540 J·cm2，而鋼破片的比動能仍可達950 J·cm2，幾乎為陶瓷的2倍，見圖7。這是由于陶瓷的密度較鋼低得多，因此陶瓷破片比動能的衰減要快得多。表2是對2種裝藥結構和2種破片進行數(shù)值分析后的結果。

表2 數(shù)值計算結果分析

3 結論

1)首先在前期進行過強度實驗的基礎上，設想將陶瓷微粒作為低附帶毀傷彈藥殺傷元，并對2種裝藥結構進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)混合裝藥結構的破片達到初速僅需5 μs左右，而同配比度條件下放在炸藥外層的破片達到初速需80 μs。說明混合裝藥結構可以使破片在更短的時間和距離內發(fā)揮強大威力，符合低附帶毀傷彈藥第一要素:在近距離處毀傷威力優(yōu)于傳統(tǒng)彈藥。

2)通過對基于混合裝藥結構的破片初速進行分析，發(fā)現(xiàn)在破片材料分別為陶瓷和鋼時，前者的初速遠遠超過后者，速度衰減也比后者劇烈得多，在5 m處比動能僅為后者二分之一。說明基于陶瓷微粒的混合裝藥結構符合低附帶毀傷彈藥第二要素:作用距離嚴格限定在一定范圍內。

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