水下聚能爆破技術(shù)研究

周迪鋒，唐 娟，賴建云

(中船重工第七一○研究所，湖北 宜昌 443000)

現(xiàn)代水下兵器為了增強(qiáng)自身生命力，加強(qiáng)了自身防護(hù)性能。有的采取了減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如采用雙殼體設(shè)計(jì)，以提高抗沖擊性能;同時(shí)不敏感主裝藥使目標(biāo)更難被摧毀。采用爆破型戰(zhàn)斗部，靠裝藥爆轟波形成水中沖擊波能和氣泡能毀傷目標(biāo)，其能量利用率較低，毀傷效能隨彈/目距離增加而顯著下降［1］。

為快速可靠地處理作戰(zhàn)目標(biāo)，可使用小型的水下聚能爆破裝置，將其固定在目標(biāo)殼體，通過(guò)聚能戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的高速射流來(lái)處理水下目標(biāo)。

1 水下聚能爆破技術(shù)原理

水下聚能爆破技術(shù)是指將爆炸所產(chǎn)生的能量定向攻擊目標(biāo)的技術(shù)。在該方向的射彈能量比常規(guī)爆炸裝藥提高許多，可擊穿單層厚殼和帶夾水層的殼體目標(biāo)。

聚能裝藥的主要作用機(jī)理是通過(guò)炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物迅速壓垮藥型罩，使得金屬罩向中心軸方向運(yùn)動(dòng)會(huì)聚，最后碰撞產(chǎn)生高速射流［2-3］。金屬射流的高速度和大密度使得其具有很強(qiáng)的侵徹能力。

聚能裝藥攻擊水中目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)周圍環(huán)繞有一定厚度的水(這一厚度取決于目標(biāo)及目標(biāo)離爆炸中心的距離)，形成聚能流的動(dòng)能在水介質(zhì)中形成空腔時(shí)被消耗了，這樣減弱了對(duì)目標(biāo)的毀傷效果。本文采用數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)的方法來(lái)研究聚能裝藥形成和在水介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，以及不同炸高下聚能裝藥破壞水下目標(biāo)的情況。聚能裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 聚能裝置結(jié)構(gòu)

2 水下聚能爆破的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法

聚能裝藥在水中爆炸形成和金屬射流侵徹靶板是流體一固體耦合問(wèn)題。利用非線性動(dòng)力有限元軟件LS-DYNA，使用歐拉-拉格朗日耦合算法，對(duì)聚能裝藥水下作用行為進(jìn)行數(shù)值模擬［4］。為提高計(jì)算效率，當(dāng)聚能射流形成以后刪除殼體材料，裝藥為B炸藥，口徑為100 mm，鋼質(zhì)殼體為3 mm，藥型罩為紫銅，采用圓錐罩，水層為200 mm。殼體和靶板采用拉格朗日方法，二者通過(guò)流固耦合算法作用。爆炸作用系統(tǒng)關(guān)于xyz軸對(duì)稱，為提高計(jì)算效率，建1/4模型。在模型外表面采用壓力透射邊界，使能量在模型外表面?zhèn)鬟f出去。在對(duì)稱邊界上施加對(duì)稱約束［5］，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置及模擬目標(biāo)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 射流成形過(guò)程數(shù)值模擬

如圖3所示，炸藥爆轟波驅(qū)動(dòng)圓頂錐形罩微元向軸線壓垮運(yùn)動(dòng)形成射流，在軸線處碰撞時(shí)，罩壁內(nèi)速度極高形成射流，而外壁部分速度較低，形成杵體。在25 μm，罩錐頂開(kāi)始閉合出現(xiàn)射流;到40 μm形成完整的射流，頭部速度6934.81 m/s，杵體的最低速度為951.73 m/s。射流的直徑隨其延伸而減小，形成的射流又細(xì)又長(zhǎng)。

射流從第70 μm開(kāi)始進(jìn)入水介質(zhì)中，射流在向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成空腔，細(xì)長(zhǎng)的射流形成的空腔直徑遠(yuǎn)小于杵體直徑，致使杵體對(duì)水介質(zhì)進(jìn)行侵徹，使水介質(zhì)第2次形成空腔，這樣射流能量在水介質(zhì)中消耗過(guò)大，侵徹出水箱后，射流的后效作用變小。

圖3 錐角藥型罩的成形過(guò)程

2.2.2 錐角藥型罩射流在水介質(zhì)中速度變化

在水介質(zhì)中每隔10 mm處取1點(diǎn)，記錄射流經(jīng)過(guò)每點(diǎn)時(shí)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4中可以看出，由眾多的速度曲線組成了5條明顯線跡。

圖4中:AB是射流頭部在水介質(zhì)中的速度變化曲線。速度降最大，射流頭部在70 μm開(kāi)始侵徹水面，在230 μm侵出水介質(zhì)。CD是射流段在水介質(zhì)中的速度變化曲線。射流段在170 μm進(jìn)入水介質(zhì)，在220 μm有速度降趨勢(shì)，這是因?yàn)?見(jiàn)圖3)小錐角藥型罩形成的射流又細(xì)又長(zhǎng)，這段時(shí)間內(nèi)射流頭部在水介質(zhì)中形成的空腔直徑也很小，其后射流段的直徑就大于空腔直徑，這段射流的側(cè)面也與水介質(zhì)侵徹作用，從而引起速度降低。過(guò)后射流頭部穿出水介質(zhì)，空腔四周的水介質(zhì)在慣性作用下繼續(xù)對(duì)外擴(kuò)展，使得射流段的直徑小于形成空腔的直徑，從而使射流段在水介質(zhì)中保持低阻運(yùn)動(dòng)。EF段顯示了射流段與杵體間在460～660 μm時(shí)間內(nèi)射流在水介質(zhì)的速度變化情況。GH是杵體斷裂出的前段杵體在210～920 μm時(shí)間內(nèi)射流在水介質(zhì)中的速度變化曲線。從圖3可以看出，在射流對(duì)水介質(zhì)侵徹形成的空腔直徑小于前端杵體直徑時(shí)，前段杵體只能再次對(duì)水介質(zhì)侵徹分流和氣化形成更大的空腔，從而在水介質(zhì)中受到水介質(zhì)的阻力，其速度成線性衰減。IJ是杵體斷裂出的后段杵體在240～1050 μm內(nèi)在水介質(zhì)中的速度變化曲線。從圖3可以看到，后段杵體在前段杵體于水介質(zhì)形成的空腔中保持高速低阻運(yùn)動(dòng)。在530 μm前兩杵體距離逐漸拉開(kāi)，在530 μm時(shí)二者的距離最大，在此之后二者的距離又減小。

圖4 射流在水介質(zhì)各點(diǎn)處的速度與時(shí)間關(guān)系

2.2.3 射流侵徹靶板圖

如圖5所示，侵徹出水介質(zhì)的射流，由于直徑較小，對(duì)靶板侵徹穿孔直徑也小。杵體對(duì)靶板的侵徹中，前杵體由于在水介質(zhì)中受阻，速度低于500 m/s，靶板強(qiáng)度的作用愈來(lái)愈明顯，杵體只是對(duì)靶板進(jìn)行擴(kuò)空，雖然后杵體在1000 m/s左右，但所占質(zhì)量比例小，且在前杵體的阻礙下，對(duì)間隔靶板侵徹不明顯，在1500 μm終止侵徹，射流殘?jiān)逊e在孔底之間。

3 水下聚能爆炸試驗(yàn)

根據(jù)模擬數(shù)值的分析結(jié)果，進(jìn)行了聚能爆破裝置的設(shè)計(jì)和加工，并進(jìn)行了水下作用威力驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)要求，加工了3套試驗(yàn)裝置。在3種不同炸高情況下，進(jìn)行了聚能爆破試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)與工程試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果可以看出，二者比較一致，射流在水下侵徹目標(biāo)時(shí)對(duì)炸高比較敏感，炸高過(guò)高或者過(guò)低，破甲威力都會(huì)明顯下降。當(dāng)炸高為裝藥口徑的1.5倍左右時(shí)，金屬射流在水下對(duì)目標(biāo)的毀傷效果最佳。

表1 數(shù)值模擬與工程試驗(yàn)結(jié)果比較

圖5 射流侵徹靶板

4 結(jié)束語(yǔ)

采用有限元軟件LS-DYNA對(duì)單錐罩聚能裝藥的水下作用過(guò)程進(jìn)行了仿真，直觀描述了金屬射流在水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的現(xiàn)象。射流在水介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度下降比較快。同時(shí)利用工程手段進(jìn)行了試驗(yàn)，射流侵徹靶板形成的孔徑和深度滿足工程要求。采用聚爆破技術(shù)能明顯提高處理水中目標(biāo)的能力，有著廣闊的應(yīng)用前景。這一技術(shù)的成功應(yīng)用將提高處理目標(biāo)的效率和可靠性，具有很強(qiáng)的生命力，應(yīng)用前景光明。

［1］凌榮輝.聚能型魚(yú)雷戰(zhàn)斗部對(duì)潛艇目標(biāo)毀傷研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2001(2)：23-27.

［2］何廣沂.聚能爆破的研究與實(shí)踐［C］//第七屆工程爆破學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.成都：中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)，2001.

［3］齊子風(fēng).提高深水炸彈戰(zhàn)斗部威力的途徑探討［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2002(2)：35-3.

［4］ANSYS/LS-DYNA中國(guó)技術(shù)支持中心.ANSYS/LS-DYNA算法基礎(chǔ)和使用方法［M］.北京：北京理工大學(xué)，1999.

［5］孫業(yè)斌.爆炸作用與裝藥設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987.