串聯戰斗部最佳隔爆參數研究

陳 闖,王曉鳴,沈曉軍,2,李文彬,李偉兵

(1.南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室,南京 210094;2.63961部隊,北京 100012)

近年來,隨著先進裝甲技術的發展,串聯戰斗部成為成型裝藥技術領域研究的熱點問題。文獻[1]利用X光試驗研究了一種逆序起爆式串聯聚能裝藥結構的毀傷元形成及對目標的毀傷過程,實現了對裝甲目標的同軸接力侵徹。文獻[2]設計了一種高速桿流與低速桿流相結合的串聯聚能裝藥結構用于反鋼筋混凝土目標,實現了對鋼筋混凝土的擴孔作用。文獻[3]提出了一種串聯EFP裝藥結構,用于毀傷硬目標,該結構充分發揮了前后級的侵徹能力。但是,關于串聯戰斗部最佳隔爆參數的研究還比較少。

本文針對順序起爆式串聯戰斗部,設計了研究前后級影響的串聯裝藥試驗裝置,利用沖擊波Hugoniot關系計算前、后級安全隔爆距離,建立延遲起爆時間計算模型,研究前級裝藥爆轟對后級射流成型及侵徹的影響,并分析了隔爆裝置對后級射流速度和侵徹能力的消耗。

1 試驗設計

1.1 試驗布置

本文設計的串聯戰斗部試驗裝置如圖1(a)所示,該裝置包括了前級裝藥、后級裝藥、前級殼體、后級殼體、隔爆裝置與起爆裝置。對串聯戰斗部進行裝配,先將前、后級裝藥分別裝于前、后級殼體內,利用端蓋進行定位,并將導爆索連接到前、后級裝藥的頂部;然后將隔爆裝置放入前級殼體內,用螺釘將殼體與隔爆件聯接保證隔爆裝置的位置;前、后級殼體通過螺紋聯接;前、后級裝藥的導爆索利用膠布進行粘結固定,前級導爆索通過前級殼體的開孔導出,開孔還起到泄爆的作用。利用導爆索的長度控制延遲時間。利用X光拍攝前級爆轟對后級射流成型的影響,并同時驗證后級射流的侵徹能力,X光試驗靶場布置如圖1(b)所示。

圖1 試驗布置圖

為了研究前級裝藥爆轟對后級射流成型及侵徹的影響,前級裝藥只需采用一定裝藥量的裸藥柱,后級選擇基準彈(60°錐角單錐罩裝藥)形成頭部速度較高的射流,前、后級裝藥直徑Dk=56 mm。首先對單錐罩形成射流的過程進行仿真計算與X光攝像試驗,獲得了射流的成型形態與頭部速度vj,見表1。

表1 仿真與試驗結果的對比(40 μs)

隔爆裝置采用金屬與非金屬組成的復合結構[4],一方面可以降低戰斗部的質量,另一方面可以大幅度地衰減爆炸沖擊波。

隔爆裝置選擇45#鋼和聚氨酯2種材料,結構如圖2所示。與前級裝藥相鄰的為聚氨酯,用于吸收前級裝藥爆炸產生的能量[5]。45#鋼的厚度較薄,這是為了降低隔爆裝置對后級射流的消耗;隔爆裝置設計成內凹形,是為了給后級射流留出成型空間。

圖2 隔爆裝置結構

1.2 前、后級裝藥間距的確定

2級裝藥的間距是判定后級裝藥能否殉爆的重要條件。通過計算前級裝藥爆炸沖擊波在隔爆裝置中的衰減過程,可以得出由聚氨酯、45#鋼、空氣共同作用下2級裝藥的間距。為了給前級起爆裝置留出一定空間,前級裝藥應與隔爆件有一定距離,同時后級射流需要一定的成型空間,所以初定2級間距為2倍裝藥口徑。下面利用不同界面處反射波與透射波Hugoniot關系曲線計算到達后級裝藥的沖擊波壓力[6],見圖3。

圖3 反射波與透射波Hugoniot關系計算曲線

圖3中曲線1、曲線2、曲線3分別為不同介質的雨果尼奧關系曲線(曲線1、曲線2和曲線3分別代表聚氨酯、45#鋼和空氣),曲線橫坐標為質點速度v,縱坐標為介質中沖擊波壓力p,3種介質的阻抗從高到低分別為介質2、介質1、介質3。介質1中的沖擊波傳播到介質1、介質2分界面處的壓力為pb,入射沖擊波在分界面處發生反射。由于分界面處兩側的壓力和質點速度是連續的,因此分界面處的狀態既在反射波雨果尼奧曲線1′上,又在介質2的右傳透射波雨果尼奧曲線2上,即a點的狀態,其中曲線1和曲線1′呈鏡像對稱關系。同理,當沖擊波傳播至介質1、介質3分界面處,介質狀態由b點變化到c點。沖擊波在固體介質中呈指數衰減,計算式為[7]

px=pie-αx

(1)

式中:px為沖擊波傳播到距離x處的介質壓力,pi為沖擊波在介質中的初始壓力,x為沖擊波傳播的距離,α為衰減系數。

空氣中沖擊波的衰減按照如下方法計算[8]:

Δp=Δpk(1-t/t+)n

(2)

式中:Δp為空氣中沖擊波傳播到時間t時的超壓;Δpk為沖擊波進入空氣中的超壓;t為沖擊波傳播所用的時間;t+為爆炸沖擊波正壓區作用時間。

通過選定的2級間距,利用不同界面處反射波與透射波Hugoniot關系曲線以及不同介質沖擊波衰減規律計算出到達后級裝藥的沖擊波壓力為1.67 GPa,小于8701炸藥的起爆閾值壓力。因此,前、后級間距為2倍裝藥口徑時,采用的隔爆裝置能夠有效隔爆。

1.3 延遲時間的計算

延遲起爆時間與前、后級裝藥的設計密切相關,延遲時間選擇不當將直接導致前后級射流發生相互干擾,反而會降低破甲威力[9]。合理的延遲時間必須保證前級射流侵徹完靶板前,后級射流的頭部不能趕上前級射流的尾部。所以只需要研究前級射流尾部與后級射流頭部的位置關系。

串聯戰斗部結構示意圖如圖4所示,由時間原點起,經過時間t1爆轟波傳到前級藥型罩最后一個微元;又經過t2,最后一個微元閉合;經過延遲時間t3,后級裝藥起爆;再經過t4,爆轟波傳至后級藥型罩第一個微元;后級射流頭部形成到穿過隔板經歷了時間t5。其中,H1為前級裝藥的高度;h1為前級藥型罩的高度;s為前級炸高;P為前級的侵徹深度。延遲時間計算模型中的前級裝藥采用能完成大開孔并兼顧穿深的K裝藥。基于前期K裝藥成型及侵徹研究,下面給出計算模型中需要的各參數值。

圖4 串聯戰斗部結構示意圖

按照合理延遲時間數學模型的計算方法,并且考慮后級射流速度的損失,延遲時間計算模型為

式中:X1=h1+h1tan2α1,v1為后級射流頭部速度,v2為前級射流尾部速度,α1為前級裝藥藥型罩的半錐角。

將H1=60 mm,s=112 mm,P=186 mm,v1=4 760 m/s,t4=5 μs,t5=35 μs,h1=30 mm,v2=1 520 m/s,α1=36°,t1=10 μs,t2=6 μs代入式(4),計算得t3=85 μs。

2 前級爆轟對后級射流成型及侵徹的影響

為了驗證所計算的延遲時間的合理性,利用Autodyn軟件對5種延遲時間下射流的形成進行仿真分析,并結合X光試驗進行驗證。仿真模型如圖5所示,仿真中炸藥、藥型罩、空氣采用Euler算法,隔爆裝置與殼體采用Lagrange算法,并采用Euler/Lagrange耦合。各材料模型及參數見文獻[10]。延遲時間分別為45 μs、65 μs、85 μs、105 μs、125 μs。通過改變延遲時間考察后級射流形狀的變化情況。5種延遲時間的仿真與試驗結果對比如圖6所示。

圖5 仿真模型

從圖6中可以看出,按照延遲時間模型計算出的方案的射流成型效果較其余4種延遲時間的好。短延遲時間下射流頭部發生彎曲與斷裂,說明短延遲時間下后級射流頭部受前級爆轟場影響較大。長延遲下射流整體成型效果較差,變形較嚴重,這是由于長延遲時間下后級藥型罩在形成射流前發生了變形,這將對最終的侵徹產生不利的影響,這說明延遲時間對串聯戰斗部后級射流的成型有較大的影響。

5種延遲時間條件下后級射流的形狀有較大的差別,這將直接影響最終的毀傷效果。5種延遲時間方案下的侵徹效果如圖6所示。從圖中可以看出延遲時間85 μs時侵徹孔型很均勻,而其余4種延遲時間的后級射流侵徹的孔形出現異常,其中延遲時間為65 μs和105 μs方案出現2個入孔,延遲時間為45 μs和125 μs方案入孔呈長條形。5種延遲時間條件下后級射流侵徹深度分別為63 mm,94 mm,170 mm,82 mm,55 mm,綜合圖6與侵徹深度試驗結果,延遲時間為85 μs時毀傷效果最佳。

圖6 5種延遲時間條件下后級射流成型及侵徹效果

3 隔爆裝置對后級射流的消耗

3.1 考慮隔爆裝置的后級射流成型性能

隔爆裝置會降低后級裝藥的侵徹作用,盡可能降低隔爆部件對后級射流的消耗和干擾,才能使第2級裝藥作用得到正常發揮。本節利用仿真和試驗研究在不考慮前級裝藥的情況下隔爆裝置對后級聚能射流形成及侵徹的影響。為了給后級射流留出一定的成型空間,選取后級裝藥與隔爆裝置的距離為1.5Dk。

為了得到穿過隔爆件后射流形狀的變化以及頭部速度降低的百分比,利用X光拍攝穿過隔爆件前后后級射流的成型效果圖,仿真與試驗的對比如圖7所示。仿真與試驗得到的后級射流穿過隔爆件的頭部速度分別為4 620 m/s和4 760 m/s,兩者的誤差為3%。與表1中射流的頭部速度相比,在不考慮前級裝藥的條件下,穿過隔爆裝置后射流頭部速度降低了15%,但仍然具有一定的侵徹能力。

圖7 后級射流試驗與仿真的成型效果圖

3.2 考慮隔爆裝置的后級射流侵徹能力

考慮到隔爆裝置的后級射流侵徹能力會有所降低,對比有無隔爆裝置下后級射流的侵徹能力,分析隔爆裝置對后級射流侵徹的影響。圖8給出了2種情況下的侵徹試驗結果照片,2種情況的炸高均取3.6Dk。入口孔形在沒有隔爆裝置的情況下較均勻,這說明隔爆裝置對后級射流造成了一定的影響。2種情況的侵徹深度分別為205 mm和142 mm,侵徹深度降低了30%。圖9給出了試驗后回收的隔爆件45#鋼部分與仿真隔爆件的對比,隔爆件的穿孔孔徑為25 mm。

圖8 侵徹試驗照片

圖9 侵徹后隔爆裝置

4 結論

①設計了一種順序起爆式串聯戰斗部,利用沖擊波Hugoniot關系計算了前級裝藥爆轟產生的沖擊波在隔爆材料中的衰減,結果表明,在2倍裝藥口徑間距下隔爆性能可靠;建立了延遲起爆時間計算模型,計算得到最佳的延遲起爆時間為85 μs。

②試驗研究了串聯戰斗部前級裝藥爆轟對后級射流的影響,對比了5種不同延遲時間條件下后級射流的成型及侵徹效果,最佳延遲時間方案的毀傷效果最佳,結果表明計算的延遲時間是合理的。

③研究了隔爆裝置對后級射流的消耗及最終侵徹結果的影響,發現后級射流頭部速度降低了15%,侵徹深度較無隔爆裝置降低了30%,后級射流的破甲威力滿足串聯戰斗部增大穿深的需求。

[1] MALYGIN A V,PROSKURYAKOV E V,SOROKIN M V.Matching of operation of “base-head” composite shaped-charge stages[J].Journal of Applied Mechanics and Technical Physics,2012,53(1):136-139.

[2] 張先鋒,陳惠武,何勇,等.反鋼筋混凝土串聯聚能裝藥技術研究[J].爆炸與沖擊,2008,28(3):207-212.

ZHANG Xian-feng,CHEN Hui-wu,HE Yong,et al.Study on a tandem shaped charge technique to reinforce concrete[J].Explosion and Shock Waves,2008,28(3):207-212.(in Chinese)

[3] 徐浩銘,顧文彬,劉建青,等.串聯聚能裝藥隔爆結構設計數值模擬和試驗研究[J].兵工學報,2014,35(2):170-175.

XU Hao-ming,GU Wen-bin,LIU Jian-qing,et al.Numerical simulation and experimental study on explosion-proof structure design of tandem shaped charge[J].Acta Armamentarii,2014,35(2):170-175.(in Chinese)

[4] 石少卿,劉仁輝,汪 敏.鋼板-泡沫鋁-鋼板新型復合結構降低爆炸沖擊波性能研究[J].振動與沖擊,2008,27(4):143-146.

SHI Shao-qing,LIU Ren-hui,WANG Min.Shock wave reduction behaviour of a new compound structure composed of a foam aluminum layer between two steel plates[J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(4):143-146.(in Chinese)

[5] 陳網樺,彭金華,葛桂蘭,等.聚氨酯泡沫塑料抗沖擊性能的實驗研究[J].彈道學報,1997,9(4):84-88.

CHEN Wang-hua,PENG Jin-hua,GE Gui-lan,et al.The experimental investigation of the shock-resistant properties of polyurethane foam plastics[J].Journal of Ballistics,1997,9(4):84-88.(in Chinese)

[6] 王海福,馮順山.爆炸載荷下聚氨酯泡沫材料中沖擊波壓力特性[J].爆炸與沖擊,1999,19(1):78-83.

WANG Hai-fu,FENG Shun-shan.Properties of shock pressure caused by explosion loads in polyurethane foam[J].Explosion and Shock Waves,1999,19(1):78-83.(in Chinese)

[7] 徐森,劉大斌,彭金華,等.藥柱沖擊波在有機玻璃中的衰減特性研究[J].高壓物理學報,2010,24(6):431-437.

XU Sen,LIU Da-bin,PENG Jin-hua,et al.Study on the shock wave attenuation of the booster charge in the PMMA gap[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2010,24(6):431-437.(in Chinese)

[8] 孫承緯.爆炸物理學[M].北京:科學出版社,2011.

SUN Cheng-wei.Explosion physics[M].Beijing:Science Press,2011.(in Chinese)

[9] 郎明君,徐學華.多級串聯聚能裝藥隔爆時間的計算與測試[J].南京理工大學學報,2002,26(6):625-627.

LANG Ming-jun,XU Xue-hua.Calculation and test on flame proof time of multistage series shaped charge[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2002,26(6):625-627.(in Chinese)

[10] Century Dynamic Ltd.Interactive non-linear dynamic analysis software theory manual[M].Ramon,USA:Century Dynamics Incorporated,2001.