基于前級爆轟過載的串聯攻堅彈后級計時起點

徐蓬朝，黃惠東，聶 崢

（西安機電信息技術研究所，陜西西安710065）

基于前級爆轟過載的串聯攻堅彈后級計時起點

徐蓬朝，黃惠東，聶 崢

（西安機電信息技術研究所，陜西西安710065）

針對串聯攻堅彈前級戰斗部對目標開孔，后級戰斗部沿孔洞繼續侵徹時受到的沖擊過載較小，不利于引信實時識別碰靶信息的問題，提出了基于前級爆轟過載信息的串聯攻堅彈后級引信計時起爆起點。該方法利用前級聚能裝藥戰斗部起爆產生的爆轟場環境，后級引信以爆轟過載信息作為計時起爆的計時起點，在識別此過載信息時可設置較高的閾值，當后級引信識別到過載信息大于設置的閾值后啟動計時起爆，并按照預定時間延時，延時時間結束發出起爆信號。仿真計算表明，前級爆轟過載脈寬142μs，峰值4.0×104g，遠大于后級戰斗部侵徹過載，前級爆轟過載信息可作為后級引信計時起爆的起點，后級引信識別過載信息可以設定較高的閾值，提高彈道安全性；外場試驗結果表明前級爆轟過載信息作為后級計時起爆的計時起點設計合理。

攻堅彈；串聯戰斗部；爆轟；引信；計時起爆

0 引言

串聯攻堅彈前級戰斗部起爆形成高速射流對目標進行有效的侵徹，后級動能戰斗部依靠前級開出的孔洞繼續侵徹，并適時引爆后級裝藥［1］。前級戰斗部的射流必須穿透目標，且開孔的孔徑應盡可能大，后級戰斗部直徑應略小于前級戰斗部，以順利鉆入目標內部［2］。因此，后級戰斗部侵徹目標過程中的沖擊過載較小。

前級戰斗部產生的爆轟場會對后級戰斗部帶來較大的沖擊過載，一般設計后級引信時作為負面因素考慮。文獻［3］研究了利用前級爆轟場環境對后級戰斗部產生的減加速度剪斷后級保險機構銅絲從而解除后級引信保險，但未涉及后級起爆控制。引信在計時起爆控制時，一般把侵入目標的時刻作為計時起點［4］。對于串聯彈而言，前級戰斗部爆炸形成射流對目標進行開孔，后級戰斗部沿開孔隨進侵入目標時的過載值較小，不利于后級引信識別過載信息。外場試驗結果表明當后級引信識別到過載信息時，后級戰斗部卵形部已經侵入目標內部，且侵徹深度具有一定的散布性，計時起爆的起點難以確定，不易控制炸點。本文針對此問題，提出了基于前級爆轟過載信息的串聯攻堅彈引信后級計時起爆起點。

1 串聯攻堅彈及LS-DYNA有限元軟件

1.1 串聯攻堅彈簡介

串聯攻堅彈的戰斗部主要由前級戰斗部、前級引信、后級戰斗部、后級引信等組成，結構圖如圖1所示。

圖1 串聯攻堅彈戰斗部結構圖Fig.1 The model of structure of tanderm warhead

1.2 前級爆轟應力計算方法

前級裝藥爆轟后產生的爆轟波作用于隔層，通過隔層材料向后級戰斗部透射沖擊波。隔層入射波的動力學參量可由下式進行計算［5］：

式中，P1為隔層入射波壓力，PH為炸藥爆壓，ρ01為隔層初始密度，γ為多方指數，u1為隔層質點速度，a1、b1為常數。

沖擊波在隔層材料中的衰減規律都比較復雜，一般采用經驗關系式，即沖擊波在隔層中的衰減規律近似符合指數衰減規律如下：

式中，Px為隔層中x處的壓力，α為隔層衰減系數。

在隔板（Ⅰ）與后級殼體（Ⅱ）界面相互作用中，界面處的動力學參量可根據阻抗匹配原理，結合界面連續條件，在“u-p平面內作圖求解［6］。后級殼體的u-p曲線方程為：

由式（1）和式（3）做出隔層和后級戰斗部殼體的沖擊Hugoniot曲線［7］，求得殼體的初始入射波動力學參量。

1.3 LS-DYNA有限元軟件

LS-DYNA仿真軟件是世界上著名的通用顯式動力學分析程序，它能夠較好地模擬真實世界的各種復雜性問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸以及金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時它還可以求解傳熱、流體及流固耦合問題。在工程應用領域中，它被廣泛認可為最佳的分析軟件之一，與試驗結果的無數次對比證實了其計算分析的可靠性［8］。

2 基于前級爆轟過載的串聯攻堅彈后級計時起點

2.1 前級爆轟沖擊過載

串聯攻堅彈按照圖1所示結構1∶1條件下進行試驗，前級聚能裝藥為聚奧炸藥，其爆速為8 878 m/s，爆壓為32.2 GPa，代入式（1）可以算出隔層初始入射波動力學參量，p1=36.6 GPa，u1=1 722.0 m/s。

隔層選用LY12鋁，根據式（2）可以算得pN= 36.6exp（—0.019×60）=0.3 GPa，代入式（3）可以算得隔層輸出粒子速度uN=20 m/s。作出隔層的Hugoniot曲線Ⅰ，曲線Ⅰ′是曲線Ⅰ關于點N（pN，uN）的鏡像對稱線，如圖2所示。

圖2 隔板、后級殼體的u- p曲線Fig.2 Theu- p curves of separator&following proiectile

后級戰斗部材料為鎢合金，作出戰斗部的Hugoniot曲線Ⅱ，曲線Ⅱ與曲線Ⅰ′相交于點M，M點即為后級戰斗部初始入射波動力學參量，由圖2可以得出入射壓力pM為510 MPa。

2.2 計時起點

前級戰斗部開孔后，后級戰斗部隨進沿孔洞侵徹殺傷，此時后級戰斗部受到的侵徹過載值較小，不利于引信識別。

由上文計算可知，前級爆轟場對后級彈沖擊過載峰值較高，超過1.5×104g，遠大于后級戰斗部沿開孔侵徹過載。因此，后級引信起爆控制部件可以充分利用前級聚能裝藥爆轟過載沖擊信息作為計時起爆的起點，后級引信識別爆轟過載可以設置較高的閾值，可控制在1.0×104～1.5×104g之間。后級引信加速度傳感器剛性貼在引信殼體上，當傳感器實時識別到過載信號大于此值后開始計時，并按照預定時間延時，延時時間結束發出起爆信號。

3 仿真及試驗驗證

3.1 仿真計算

仿真計算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，數值模型由前級聚能裝藥、藥型罩、空氣、混凝土、隔層、后級戰斗部、引信等部分組成，由于模型結構、沖擊載荷具有對稱性，為節減計算時間，彈體和靶板均采取1/4模型建模。模型的建立和簡化基于以下原則：對前級聚能裝藥、藥型罩、后級戰斗部等進行詳細建模，保持力學特征的真實性，其他部分簡化、配重處理。后級引信殼體和彈體采用通螺紋連接，仿真計算時近似認為剛性連接。

仿真計算采用流固耦合方法，前級聚能裝藥、藥型罩、空氣采用ALE算法，炸藥和藥型罩用空氣層包裹起來，并建立了射流的空氣通道，其余材料均采用Largrange算法。網格單元是六面體SOLID 164單元，靶板中心區域進行加密劃分網格，有限元模型如圖3所示。

圖3 串聯彈有限元模型Fig.3 Numerical model of tanderm warhead

其中，前級聚能裝藥采用HIGH-EXPLOSIVE -BURN模型，狀態方程為JWL；藥型罩采用STEINBERG模型，狀態方程為GRUNEISEN；空氣采用NULL模型，狀態方程為GRUNEISEN；隔層、引信采用PLASTIC-KINEMATIC模型；后級戰斗部、引信殼體采用JOHNSON-COOK模型，狀態方程為GRUNEISEN；混凝土尺寸為1 600 mm× 1 600 mm×500 mm，抗壓強度為35 Mpa，采用JHC模型。材料的主要參數如表1所示。

表1 材料的主要參數Tab.1 Material parameters of model

整個建模過程采用cm-g-μs單位制，仿真每2 μs輸出一次計算結果文件。設定前級聚能裝藥起爆時刻為0μs，后級戰斗部初速度為250 m/s。射流開坑情況及開坑后靶板如圖4所示。

圖4 前級射流開坑情況Fig.4 Target-piercing of shaped charge iet

由圖4可以看出混凝土靶在前級聚能射流作用下形成一個兩端漏斗狀的孔洞，最小孔徑為280 mm左右，略小于后級戰斗部口徑。開孔后的靶板會對后級戰斗部沿開孔侵徹造成一定的沖擊過載，但過載值較小，同時由于靶板崩落效應造成的漏斗狀孔洞均不利于后級引信傳感器識別后級戰斗部碰靶信息，不適于作為設置計時起爆起點的環境因素。

前級戰斗部在開坑的同時會對后級戰斗部造成較大的沖擊，一般在引戰系統設計中，前級爆轟場環境作為負面因素考慮，通過機械濾波、灌封等手段對沖擊應力進行衰減。在后級引信識別戰斗部碰靶信息受到限制時，可充分利用前級爆轟場過載信息作為計時起爆的起點，適當延時后起爆。

由于后級引信加速度傳感器剛性貼在引信殼體上，選取模型中引信殼體部分為研究對象，LS-DYNA仿真軟件得到加速度曲線及前級爆轟情況如圖5所示。

圖5 前級爆轟及引信殼體加速度曲線Fig.5 Precursorydetonation&time- history curves of overload of following fuze

由仿真結果得出，在170.0μs時刻隔層在前級爆轟場作用下已經完全破碎，爆轟沖擊完全作用在后級戰斗部。由圖5可以看出引信殼體沖擊時刻為240.0μs，峰值過載4.0×104g，沖擊脈寬142μs。

該過載峰值高，具有較寬的脈寬，適于后級引信識別實時加速度信息。后級引信以此過載信息作為計時起爆的起點，并根據識別到爆轟信息時刻、應力波在后級戰斗部傳播時間推算導彈前艙碰靶時刻，預設延時時間后起爆即可到達毀傷效果。此外，前級爆轟過載峰值較高，后級引信識別爆轟過載可以設置較高的閾值，提高了彈道安全性。

仿真值與理論計算值相差較大主要是由于后級引信位于戰斗部尾部，應力波在此處疊加后造成的。此外，理論計算值是在隔層不失效的理想狀態下計算得出，由圖5可以看出在前級爆轟波作用下，隔層整體結構在170.0μs時刻已經完全失效、破碎，失去了反射、衰減應力波的作用，此后爆轟沖擊直接作用于后級戰斗部，使后級引信受到的沖擊過載變大。

3.2 試驗驗證

外場試驗嚴格按照圖1所示結構設計試驗彈，其中后級引信為測試引信。根據3.1節計算結果，將后級引信識別爆轟過載的閾值設置為1.0×104g。試驗后回收后級引信并成功讀取到測試數據，結果表明后級引信成功識別到爆轟過載信息并開始計時，按照預設時間延時后發出起爆信號。經分析后級戰斗部炸點在靶后約4.5 m處，滿足技術設計要求（炸點2～5 m）。

外場試驗結果表明前級爆轟過載信息作為后級計時起爆的計時起點設計合理。

4 結論

本文提出了基于前級爆轟過載信息的串聯攻堅彈后級引信計時起爆起點。該方法利用前級聚能裝藥戰斗部起爆產生的爆轟場環境，后級引信以爆轟過載信息作為計時起爆的計時起點，在識別此過載信息時可設置較高的閾值，當后級引信識別到過載信息大于設置的閾值后啟動計時起爆，并按照預定時間延時，延時時間結束發出起爆信號。仿真計算表明，前級爆轟過載脈寬超過142μs，峰值4.0× 104g，遠大于后級戰斗部侵徹過載，前級爆轟過載信息可作為后級引信計時起爆的起點，后級引信識別過載信息可以設定較高的閾值，提高彈道安全性；外場試驗結果表明前級爆轟過載信息作為后級計時起爆的計時起點設計合理。

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Starting Time of Following Fuze Based on Precursory Detonation Overload

XU Pengzhao，HUANG Huidong，NIE Zheng
（Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065，China）

The starting point of timing detonation of following fuze based on overload of precursory detonation was put forward in this paper.The following fuze used the overload by the blast of the precursory charge to set the starting point of timing detonation.When the fuze distinguished that the overload was higher than the preset threshold，it started timing detonation and sent detonation signal after a preset time.Simulation results revealed that the overload peak was 4.0×104 g and the width continued for 142μs，which was beneficial for the fuze to distinguish the impacting target information and set a high preset threshold.

hard structure ammunition；tandem warhead；detonation；fuze；timing detonation

TJ430.2

A

1008-1194（2015）05-0014-04

2015-02-06

徐蓬朝（1984—），男，河北霸州人，碩士，工程師，研究方向：機電引信技術。E-mail：iust4tommylove@ gmail.com