串聯(lián)侵徹體侵徹防護(hù)液艙的研究

徐全振，伊建亞，王志軍，尹建平

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

【彈藥工程】

串聯(lián)侵徹體侵徹防護(hù)液艙的研究

徐全振，伊建亞，王志軍，尹建平

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

設(shè)計(jì)了一種新的藥型罩結(jié)構(gòu)，通過(guò)AUTODYN仿真軟件模擬了自鍛破片侵徹防護(hù)液艙的過(guò)程。通過(guò)模擬結(jié)果可知：新型結(jié)構(gòu)能夠形成串聯(lián)侵徹體，相比于單一的自鍛破片，其對(duì)防護(hù)液艙的毀傷效果更加明顯，是毀傷防護(hù)液艙的有效手段。

防護(hù)液艙；新藥型罩結(jié)構(gòu)；串聯(lián)侵徹體

自從埃及使用“冥河”反艦導(dǎo)彈擊沉了以色列的驅(qū)逐艦后，各軍事大國(guó)都對(duì)反艦導(dǎo)彈顯示了極高的熱情，促使反艦導(dǎo)彈得到迅速發(fā)展。目前反艦導(dǎo)彈已經(jīng)發(fā)展到了第三代，掠海飛行、超音速突防等能力讓艦船主動(dòng)防御系統(tǒng)難以應(yīng)對(duì)。因此，為了提高艦艇生存能力，加強(qiáng)艦艇被動(dòng)防御能力也是有效的方法。小型艦艇由于排水量的限制，多以使用先進(jìn)復(fù)合材料來(lái)加強(qiáng)抗毀傷能力；而大中型水面艦艇尺寸大，增加防護(hù)液艙對(duì)其機(jī)動(dòng)性影響較小，卻能有效吸收破片和爆轟波能量，大大降低了反艦武器對(duì)艦船的威脅，所以防護(hù)液艙被廣泛用于大中型水面艦船上。圖1為帶有防護(hù)液艙的舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)[1]。

圖1 艦艇舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)

為此，如何有效毀傷防護(hù)液艙也成為反艦戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)時(shí)多加考慮的實(shí)際問(wèn)題。

1 防護(hù)液艙對(duì)破片的防御作用

1.1 液艙前板對(duì)破片的阻擋作用

現(xiàn)在的先進(jìn)反艦戰(zhàn)斗部為了增加威力，改進(jìn)了傳統(tǒng)的殼體結(jié)構(gòu)，即在殼體上安裝大錐角或球缺形藥型罩，爆炸后形成自煅破片[2]。由于自煅破片相比于自然破片質(zhì)量大、速度高(2 000～2 500 m/s)、飛行穩(wěn)定性好，所以侵徹能力更強(qiáng)，所以本文用威力更大的自煅破片來(lái)模擬防護(hù)液艙對(duì)破片的防御效果。防護(hù)液艙一般由三部分組成：前板、水、后板。前板厚度一般為5～10mm之間[3]，材料多為高強(qiáng)度鋼。破片侵徹防護(hù)液艙首先要侵徹液艙前板。本文用AUTODYN-2D模擬了破片侵徹液艙前板的過(guò)程，以研究前板對(duì)破片的防御作用。模型如下：破片形狀為規(guī)則的圓臺(tái)+半球形，大徑D=30 mm,小徑d=20 mm，長(zhǎng)40 mm，速度V=2 200 m/s，材料為高強(qiáng)度4340鋼，Liner狀態(tài)方程，J-C強(qiáng)度模型。前板厚度10 mm，長(zhǎng)寬為160 mm×160 mm,材料為1006鋼，Shock狀態(tài)方程，J-C強(qiáng)度模型。水采用SPH算法，Shock狀態(tài)方程。三者為L(zhǎng)agrange自動(dòng)耦合。材料模型的具體參數(shù)均取自AUTODYN材料庫(kù)。自鍛破片侵徹液倉(cāng)前板的過(guò)程如圖2，

圖2 液艙前板對(duì)破片的防御作用

由圖2可以清晰看出破片穿透前板后的變化。首先是速度變化，圖2(d)顯示了破片的速度由2 200 m/s降低到 2 000 m/s以下。其次是頭部變形，從b圖可以看出，破片在穿透前板后，頭部發(fā)生了嚴(yán)重敦粗變形，增大了破片的迎流面積。根據(jù)球形或柱形破片在水中的侵深公式[3]

(1)

式中:S為侵徹深度；Cd為破片在水中的阻力系數(shù)；ρ為水的密度；A為破片迎流面積；V0為破片初速度。

可知迎流面積越大，侵深越小。并且不規(guī)則的頭部變形會(huì)使破片在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生縱向速度從而導(dǎo)致破片運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變甚至使破片反轉(zhuǎn)，這不僅會(huì)改變侵徹軌跡，變相加厚了水介質(zhì)，還會(huì)加快速度的衰減。最后是應(yīng)力波變化對(duì)破片的影響，圖2(c)反映了破片在撞擊液艙前板時(shí)，應(yīng)力波導(dǎo)致的破片內(nèi)部壓力分布。由于破片內(nèi)的反射波與入射波來(lái)回運(yùn)動(dòng)、多次相互碰撞降低了破片的強(qiáng)度[4]。綜合上述三點(diǎn)可以得出液艙前板對(duì)破片的影響非常大。

1.2 水介質(zhì)對(duì)破片的防護(hù)作用

破片穿透前板后進(jìn)入水介質(zhì)，受水的侵蝕和減速作用，破片質(zhì)量減小并破碎為微小碎片，如圖3所示。圖4為破片在水中的速度-時(shí)間曲線。

圖3 破片在水中的形狀變化

圖4 破片在水中的速度曲線

從圖3中破片形狀變化可以看出水對(duì)破片的侵蝕作用非常明顯。0.1 ms時(shí)，破片已經(jīng)開(kāi)始向后彎曲，縱向長(zhǎng)度被拉大；0.5 ms時(shí)，破片中部開(kāi)始斷裂，縱向變得更長(zhǎng)；1 ms時(shí)；破片已經(jīng)完全斷裂，1.5 ms時(shí)，兩段破片更加分散且變的更薄。這是由于破片入水時(shí)的速度非常高,接近2 000 m/s，所以水對(duì)破片的阻力非常大；再加上破片在侵徹前板時(shí)導(dǎo)致的頭部破損增大了磨擦系數(shù)加劇了水的侵蝕效果。破片破碎為小的破片，并且質(zhì)量也大大減少，這就使得破片的侵徹能力大幅降低。

圖4可知，破片速度先是在短時(shí)間內(nèi)銳減，后來(lái)衰減趨勢(shì)減緩，最后速度趨于平緩。速度從2 000 m/s降低到1 000 m/s用時(shí)78 μs;從1 000 m/s降到500 m/s用時(shí)170 μs；從500 m/s降到170 m/s用時(shí)1.23 ms。這種現(xiàn)象是由水的慣性作用導(dǎo)致的。破片入水的瞬間，破片接觸區(qū)域的液體表現(xiàn)出巨大的慣性效應(yīng)，破片的動(dòng)能快速轉(zhuǎn)化為水的動(dòng)能和勢(shì)能；隨著破片速度的降低，破片與接觸水域的速度梯度減小，慣性作用減弱，速度衰減放緩[5]。由此可知，水對(duì)破片速度的影響是非常顯著的尤其是對(duì)超高速破片。

2 新型藥型罩結(jié)構(gòu)與仿真

根據(jù)破片侵徹防護(hù)液艙的現(xiàn)象，本文提出串聯(lián)侵徹防護(hù)液艙的概念，即用一前一后兩個(gè)侵徹體侵徹防護(hù)液艙。前級(jí)侵徹體在前板上開(kāi)孔，并能在水中運(yùn)動(dòng)一段距離形成空穴；后級(jí)侵徹體再通過(guò)穿孔，并利用空穴繼續(xù)侵徹防護(hù)液艙。

要想利用串聯(lián)侵徹體侵徹防護(hù)液艙，串聯(lián)侵徹體應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：

1) 前級(jí)侵徹體直徑要足夠大，以便在前板上開(kāi)出足夠大的孔。因?yàn)榭讖教?huì)阻礙后級(jí)侵徹體通過(guò)，這樣就失去了串聯(lián)侵徹的意義。

2) 前級(jí)侵徹體速度高、速度梯度小，連續(xù)性好，有利于開(kāi)孔和形成空穴。

3) 后級(jí)侵徹體速度適中。速度太大會(huì)加劇水的侵蝕作用，質(zhì)量損失過(guò)大，降低了侵徹能力；速度太小，動(dòng)能不足，侵徹能力必然不足。

4) 后級(jí)質(zhì)量足夠大，外形好，這樣才能擁有足夠的侵徹能力和在水中運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

為了滿足以上要求，本文設(shè)計(jì)了如圖5所示的裝藥結(jié)構(gòu)。

圖5 聚能裝藥結(jié)構(gòu)

如圖5所示，為實(shí)現(xiàn)前后級(jí)侵徹體分離，罩體設(shè)計(jì)為兩部分，中間部分為密度相對(duì)較低的銅，外圍部分材料為高密度的鎢合金。炸藥選用HMX炸藥，裝藥直徑100 mm,起爆方式為環(huán)起爆。用AUTODYN仿真，80us時(shí)侵徹體的成型如圖6所示。

圖6 串聯(lián)侵徹體的成型結(jié)果

經(jīng)仿真，前后級(jí)侵徹體成型效果都很好，形狀均為圓柱+小錐角截錐狀。前級(jí)圓柱部分平均直徑約為18 mm，長(zhǎng)106 mm;截錐部分長(zhǎng)度47 mm，頭部直徑為4 mm，平均速度約為3 850 m/s。后級(jí)圓柱部分直徑約為18 mm,長(zhǎng)18 mm;截錐部分長(zhǎng)34 mm，頭部直徑約為6 mm,平均速度約為1 950 m/s。

從上述數(shù)據(jù)分析，前級(jí)為桿式侵徹體，速度高、直徑大，能夠滿足在前板上開(kāi)出大口徑孔洞的要求。后級(jí)為自煅破片，速度較高，質(zhì)量大，有較強(qiáng)的毀傷能力。

3 毀傷效果分析

為了比較串聯(lián)侵徹體的毀傷效果，本文以相同裝藥的大錐角鎢合金罩形成的自煅破片作為對(duì)比。破片形狀大致為截錐+圓柱+截錐狀，頭尾直徑為6 mm,圓柱部分直徑約為20 mm，總長(zhǎng)56 mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，利用AUTODYN建立模型，分析侵徹體對(duì)防護(hù)液艙的侵徹效果。液艙前后板厚度為10 mm，材料為1006鋼，間距1 m。侵徹結(jié)果如圖7所示。

圖7 侵徹體侵徹過(guò)程

圖7為0.72 ms時(shí)侵徹體的毀傷效果圖，可見(jiàn)串聯(lián)侵徹體已經(jīng)穿過(guò)水介質(zhì)并擊穿后板，而單一自煅破片還未穿透水體。

經(jīng)AUTODYN仿真并整理數(shù)據(jù),得出如圖8所示的模擬結(jié)果：S1、V1分別為單一自鍛破片的侵深和剩余速度；S2、V2分別為串聯(lián)侵徹體的侵深和后級(jí)剩余速度。

據(jù)圖8(a)中曲線S1可知，單一自煅破片的侵徹深度隨時(shí)間線性增大，但增速越來(lái)越緩慢，0.7 ms時(shí)侵徹深度約為813 mm。分析S2，S2可分為三段，代表串聯(lián)侵徹體作用的三個(gè)階段。第一階段，前級(jí)開(kāi)孔、侵徹水體并直至質(zhì)量耗盡，對(duì)應(yīng)時(shí)間為0到0.13 ms，侵深達(dá)350 mm左右。第二階段時(shí)間在0.13到0.31 ms,此時(shí)前級(jí)已經(jīng)耗盡但后級(jí)仍為開(kāi)始侵徹水體，侵深的增加只能依靠與前級(jí)接觸的水體的慣性，所以增速十分緩慢。第三階段從0.31 ms開(kāi)始，此時(shí)后級(jí)侵徹體高速通過(guò)空穴并開(kāi)始侵徹水體，S2又快速增加，直至0.7 ms時(shí)擊穿后板。

分析圖8(b)，V1是遞減的，當(dāng)1.05 ms左右破片抵近后板時(shí)，速度已經(jīng)降至525 m/s左右，隨能在1.1 ms時(shí)擊穿后板，但剩余速度只有430 m/s左右，后效作用十分有限。根據(jù)V2可以看出，在0.31 ms之前，速度沒(méi)有降低，這得益于前級(jí)在前板上開(kāi)孔并侵徹水體時(shí)形成的空穴。后級(jí)在0.7 ms時(shí)擊穿后板，剩余速度將近1 300 m/s，這對(duì)液艙后的防護(hù)縱壁及人員設(shè)備的威脅是非常大的。

根據(jù)上述分析可知，相比于單一自煅破片，串聯(lián)侵徹體侵徹液艙侵具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析液艙前板的防御作用并結(jié)合破片侵徹液艙時(shí)會(huì)形成空穴的現(xiàn)象提出利用串聯(lián)侵徹體侵徹液艙。通過(guò)對(duì)比單一自煅破片的毀傷效果，得出串聯(lián)侵徹體在侵徹防護(hù)液艙時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為攻擊防護(hù)液艙提供了新的思路。

[1] 張振華，朱錫，黃玉瑩，等.水面艦艇舷側(cè)防雷艙結(jié)構(gòu)水下抗爆防護(hù)機(jī)理研究[J].船舶力學(xué)，2006，10(1)：113-119.

[2] 李靜海.半穿甲爆破型反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部毀傷效果分析[J].飛航導(dǎo)彈，2005(7)：52-55.

[3] 沈曉樂(lè)，朱錫，候海量，等.高速破片侵徹防護(hù)液艙試驗(yàn)研究[J].中國(guó)艦船研究，2011，6(3)：12-15.

[4] 張國(guó)偉.終點(diǎn)效應(yīng)及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.2006.

[5] 沈曉樂(lè)，朱錫，候海量，等.高速破片入水敦粗變形及侵徹特性有限元分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(7)：25-29.

TheStudyofPenetratingLiquidCabinwithTandemProjectiles

XU Quanzhen, YI Jianya, WANG Zhijun，YIN Jianping

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

This article had designed a new structure of liner and simulated the process of projectile’s penetrating to liquid cabin by the software AUTODYN. From the result of simulation we can conclude that tandem projectiles shaped from the new structure of liner could be able to destroy the liquid cabin more obviously compared with a single projectile. It is an effect way to deal with the liquid cabin.

liquid cabin; new structure of liner; tandem projectiles

2017-08-03；

2017-08-25

徐全振(1991—)，男，博士研究生，主要從事高效毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.012

本文引用格式：徐全振，伊建亞，王志軍，等.串聯(lián)侵徹體侵徹防護(hù)液艙的研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):48-51.

formatXU Quanzhen, YI Jianya, WANG Zhijun，et al.The Study of Penetrating Liquid Cabin with Tandem Projectiles[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):48-51.

TJ4310.34

A

2096-2304(2017)12-0048-04

(責(zé)任編輯周江川)