前向戰斗部破片散布均勻性研究*

石志彬，高 敏，米雙山，李 兵

（解放軍軍械工程學院，石家莊 050003）

0 引言

前向戰斗部的破片位于圓柱形裝藥前端，起爆后形成沿軸向飛散的破片束，在目標前方形成一個破片幕，依靠高相對速度將目標毀傷，該戰斗部殺傷元素相對集中，可應用于防空導彈攔截各種空中目標［1］。由于前向戰斗部破片數量相對有限，為獲得盡量大的破片幕面積同時保證目標不會在破片之間的縫隙中“溜走”，需要破片分布盡量均勻。破片散布均勻性是指破片在分布區內散落的均勻程度，具體包括周向均勻性和徑向均勻性［2］，它是評價前向戰斗部性能的重要參數。

文中通過靜爆試驗得出小長徑比前向戰斗部的破片著靶數據，然后根據破片分布特點提出與之適應的散布均勻性評價方法，定量評估前向戰斗部破片散布均勻性并提出有針對性的改進措施。

1 前向戰斗部靜爆試驗

靜爆試驗目的是得到前向戰斗部爆炸后的破片分布數據，作為分析破片散布均勻性的基礎。

試驗所用的前向戰斗部如圖1所示。戰斗部為圓柱形，整體尺寸為Φ240 mm×180 mm。采用立方體預制破片，破片材料為高密度鎢合金，單枚破片質量25 g，破片數量N=261枚，均勻緊密排列在戰斗部的前端。破片之間的縫隙由橡膠填充，橡膠同時起到粘接作用。起爆點位于戰斗部底端中心位置。

圖1 試驗用前向戰斗部

試驗場地的布置如圖2所示。用兩塊尺寸為1.5 m×1.5 m鋼質靶板攔截破片，鋼靶板與地面垂直，且每塊靶板與戰斗部爆心的距離為5m。前向戰斗部水平臥放于托彈架上，與鋼靶板中心同高，且戰斗部軸線延長線經過兩靶板接縫的中點。

圖2 戰斗部與靶板的位置關系

試驗后通過研究靶板上的穿孔情況來分析破片散布均勻性。靶板上的穿孔如圖3所示，攔截破片數總計196枚，破片場中間密度大，外圍密度小，破片散布中心位于兩靶板接縫中點附近。

圖3 鋼靶板的穿孔情況

2 破片分布特性總體分析

由于靶板高度限制，在其上下側逸出了較多破片，因此需要合理估計對應區域逸出的破片數。文獻［3］在處理小口徑榴彈破片場分布數據時，根據對稱性對落在靶板外的破片數據進行了填補，文中填補靶板上下側逸出破片數時可參考其方法。

圖4是穿孔數據的坐標化顯示，其中陰影部分表示試驗用鋼靶板的面積，坐標原點附近星號位置是破片散布幾何中心。由于戰斗部結構的軸對稱性，可認為破片場分布是近似軸對稱的。圖4中矩形區域A和B內的破片數分別為7枚和8枚，故可估計區域C和D內的破片數之和為15枚。E1、E2、E3、E4區域內破片非常稀疏，可參考A、B區域破片的分布，認為其內部各有1枚破片。綜上，在圖4所示3 m×3 m正方形區域內，攔截破片總數為Nl=196+15+4=215枚，占破片總數的82.4%。

靶上破片的分布是非常不均勻的，靠近散布中心的區域破片密度高，在超出一定半徑處，破片密度迅速下降。除此之外仍有17.6% 的破片散布在3 m×3 m正方形區域之外，其破片分布密度比靶上稀疏區破片密度還要低很多，由于過于分散，這部分破片對攔截目標的作用更是微乎其微的。

上文所得破片分布總體特性與戰斗部作用原理是一致的。戰斗部起爆后，爆轟波在裝藥內近似以球面形狀傳播，邊緣破片受力偏離軸線，且越靠邊緣偏離越厲害，再加上裝藥側向稀疏波的影響，外圍破片分布更加分散。

圖4 破片的分布

3 破片徑向散布均勻性分析

定量評價破片散布均勻性，首先要建立與其分布特點相適應的評價方法。前向戰斗部破片在散布范圍成軸對稱分布，因此分析其破片散布均勻性時，可參考導彈子彈散布均勻性的一些評價方法［4－6］。在評價方法建立過程中，需著重考慮前向戰斗部的破片分布特點和作戰需求，確定合理的均勻性標準值。

3.1 徑向均勻性評價方法及其定量分析

考慮到數據的有效性，以破片散布中心為圓心，作半徑R=700mm的圓如圖4虛線所示，以此圓內破片為研究對象分析破片徑向散布的均勻性。該圓內包含破片數為170枚，占破片總數的65.1%。將此半徑為R的圓分成面積相等的若干同心圓環，若破片分布絕對均勻，則各圓環內所包含的破片數量應該相等，因此可通過落入各圓環內破片的數量分析徑向散布均勻性。

在確定圓環數時，要既能體現出破片數量的變化規律，又不能劃分太細以防隨機因素引起的破片位置變化影響分析結果。經多次試分，令圓環數n=12，由內向外各圓環（圓）的半徑依次為R1，R2，…，R12，如圖5所示，為便于觀察，第3、6、9、12個圓環用粗虛線表示。

圖5 面積相等的同心圓環

統計各圓環內破片數量，作柱狀圖如圖6所示?？梢钥闯鲋虚g區域破片密度大，邊緣部分密度小，從內向外整體呈下降趨勢，分布不均勻性明顯。

圖6 各圓環內的破片數量

定量分析徑向散布均勻性首先應確定落入各圓環內破片數量的標準值。如果以n個圓環內破片數量平均值作為標準值，則存在一定的不合理性，這是因為最靠外的圓環包含破片數量很少，相當于無效破片區，而把這部分區域納入徑向散布均勻性的計算中顯然是不合理的。從圖6中還可發現，各圓環內破片數量分布有明顯的階梯性，靠近中心的前5個圓環內破片數量較多且相互間差別不是很大，從第6個圓環開始，破片數量明顯減少。中間破片對攔截目標起主要作用，因此可將靠近中心的前5個圓環內破片平均數作為各圓環內破片數的標準值。前5個圓環內破片數的平均值為:

在各個圓環內，定義破片數量偏離標準值的程度作為評價均勻性的參數，即均勻性指數:

顯然一般情況下有0≤ui≤1，且ui值越接近1，表示對應圓環內破片數越接近標準值，整體分布也就越均勻。

依據此定義，求出各圓環內破片分布的均勻性指數如圖7所示。可以看出，靠近破片幾何中心的前5個圓環的均勻性較好，均勻性指數在0.73以上，平均值為0.84，此區域圓半徑R5=451.8mm。從第6到第12個圓環，均勻性急劇下降。

圖7 各圓環內破片分布均勻性參數的變化

半徑R=700 mm的圓內所有破片徑向散布均勻性的總體指標可以下式計算:

可見對于靠近散布中心占總數65%的破片而言，其總體均勻性仍不是十分理想，如果考慮更外圍的破片，其徑向散布均勻性更差。

3.2 徑向均勻性特點及戰斗部改進措施

在評價戰斗部威力時，一般以90%破片散布區域為破片威力場。考慮數據的有效性，文中以靠近散布中心的65.1% 破片為對象研究了其分布的均勻性，在這部分破片之外的區域，破片分布非常稀疏。

因此根據密度變化，大致可將戰斗部破片在徑向分為4個區域，即中心均勻破片區、過渡區、稀疏區和外緣無效破片區，其各自的均勻性指數、面積范圍和破片分布特點如表1所示。

表1 不同區域內破片分布的特點

從表1中各區域內的破片數量來看，中心均勻區包含的破片不到總數的50%，而約一半的破片分布在過渡區和之外的稀疏區，沒有得到有效利用，這對于提高毀傷效能是極為不利的。因此需要從戰斗部結構上改進，使邊緣破片向內收斂。具體改進措施可從以下兩方面考慮:

1）通過波形控制器或起爆點設置，調整爆轟波形，使戰斗部外圍破片的受力方向向內收斂;

2）改進破片層形狀，適當調整外圍破片逐漸向前凸出，形成內凹式的破片層。

4 破片周向散布均勻性分析

分析周向均勻性時，將半徑為R的破片散布圓沿周向分為6個部分，考查各區域內破片數與平均值的偏離程度。

以x軸正向為起點，逆時針方向每間隔60°劃分一個扇形區域，編號依次為1～6，各區域內的破片數如圖8中所示。每個扇形區內的破片數平均值為÷6=32.7枚。圖8中顯示了依據第3節方法求出的各扇形區內均勻性指數，可見破片周向散布均勻性指數最差為0.83，平均為0.92。因此可認為破片周向散布均勻性良好，這一結論與戰斗部軸對稱結構相一致。

圖8 破片區的周向劃分及其均勻性參數

5 結論

文中在前向戰斗部靜爆試驗數據的基礎上，以靠近散布中心65.1% 破片為研究對象，針對中間破片密度高且比較均勻的特點，提出了確定破片散布均勻性標準值和分區分析的方法，并利用此方法定量分析了不同區域的破片散布特點。主要的研究結論如下:

1）破片散布從內向外可分為中心均勻破片區、過渡區、稀疏破片區和邊緣無效破片區等4個部分。

2）中心均勻破片區內破片占破片總數的45%，破片場密度高，均勻性指數為0.84，是戰斗部殺傷元素的核心組成部分;過渡區和稀疏破片區內破片約占破片總數的45%，破片分布密度隨半徑下降很快，作戰時利用效率很低，應采取措施使這部分破片向中間收斂，以提高戰斗部毀傷效能。

3）破片周向分布均勻性良好，均勻性指數平均為 0.92。

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