爆炸作用下艦載導彈戰斗部的安全性分析

劉曉夏，王偉力，呂鵬博，苗 潤

(海軍航空工程學院, 山東 煙臺 264001)

隨著我海軍的快速發展，垂直發射系統的投入使用，使得載彈數量得到大幅度增加，雖然大大增加了作戰能力，但是彈藥的安全也應受到極大的重視。

當彈藥受到外來典型刺激的威脅時，從起爆機理方面來講，主要包括熱刺激和沖擊起爆兩大類[1-2]，其中爆炸沖擊波作為典型的毀傷元，對其作用下彈藥響應進行分析，對于戰斗部的安全防護有著較大的意義。

對導彈戰斗部安全性的研究主要是針對裸炸藥和帶殼裝藥[3-4]，而并未考慮載彈平臺的影響，對于存放在垂發系統中的艦載導彈，其周圍有一定的防護措施，當反艦導彈在發射艙外爆炸后，其產生的爆炸沖擊波并非直接作用到艦載導彈上，因此需對此時沖擊波的耗散過程，以及耗散后的沖擊波作用于戰斗部裝藥，炸藥發生相應響應的過程進行分析，從而確定艦載導彈戰斗部的安全距離，為垂發系統內艦載導彈戰斗部的防護提供建議。

1 計算模型及物理參數

1.1 計算模型

艦載導彈放置于垂直發射系統中，垂直發射架為鋼架式結構，對爆炸沖擊波的傳播影響不大，在建模過程中不考慮。為減少計算，只針對垂發系統中某一艦載導彈戰斗部進行研究，與之相鄰的結構設置(包括相鄰的發射箱結構)為剛體，從而減小對沖擊波傳播過程的影響。艙室中焊縫的處理采用ANSYS中的固連失效接觸(TSTS)接觸方式，設置固定的失效應力。

采用ANSYS/LS-DYNA軟件進行數值模擬計算。艙壁、輕質防護裝甲、發射箱、戰斗部殼體、艦載戰斗部炸藥均采用拉格朗日網格，空氣域和來襲戰斗部炸藥采用歐拉網格，采用流固耦合算法，單位采用cm·g·us制。具體模型結構如圖1所示。

1.頂板; 2.底板; 3.側舷; 4.復合防護裝甲; 5.艙壁6.發射箱壁; 7.艦載戰斗部裝藥; 8.艦載戰斗部艙壁; 9.預制破片控制器; 10.發射箱相鄰結構; 11.來襲戰斗部

圖1 來襲戰斗部在發射艙內臨艙爆炸模型結構

1.2 物理參數

以某典型反艦導彈為例，其戰斗部技術參數：全長900 mm，質量220 kg，裝藥質量90 kg，裝藥類型為B炸藥。為便于模擬計算，將來襲戰斗部簡化，通過公式換算為等效裸炸藥質量。

帶殼裝藥的等效裸裝藥質量為[5]

(1)

其中A為裝填系數， 對于圓柱形帶殼裝藥a=1、b=2，則：

(2)

鋼殼可近似取rp0=1.5r0。銅殼取rp0=2.24r0；脆性材料或預制破片此值應小些，根據式(2)可得出，來襲戰斗部等效為裸炸藥當量為71.4 kg，確定炸藥尺寸，Φ30 cm×59.2 cm。

貯運發射箱箱本體以及發射箱環筋均為玻璃纖維增強復合材料，材料模型采用帶損傷的Composite Damage Model復合材料模型[6-7]。為了增強貯運發射箱的整體強度，在箱體的外緣設有4條加強結構，材料為鋁合金。目標戰斗部裝藥采用彈塑性動力學本構模型和Lee-Tarver三項式點火增長狀態方程[8-9]。

破片控制器薄壁和艙體均為鋁合金材料，選用Johnson-Cook材料模型，模型參數如表1所示。空氣材料參數如表2所示。炸藥采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，力學性能參數和材料參數如表3、表4所示[10]。通過炸藥表面壓力作為炸藥是否被引爆的判據[11]。

表1 鋁合金材料參數[12]

表2 空氣材料參數

表3 裝藥的力學性能參數

表4 裝藥材料特性參數

2 數值模擬結果分析

2.1 艙室毀傷過程分析

采用上述模型，分析來襲反艦導彈在發射艙臨艙內起爆位置的不同，其產生的爆炸沖擊波對艙室結構的影響。采用戰斗部中心起爆方式，為了便于描述，將來襲反艦導彈戰斗部頭部與輕質防護裝甲距離定義為起爆距離。分別對起爆距離為0 cm、20 cm、60 cm和120 cm時的毀傷效果進行分析，如圖2、圖3、圖4所示考慮要研究的對象為艦載導彈戰斗部，因此需對靠近垂發系統的輕質防護裝甲在爆炸沖擊波的毀傷情況進行簡單分析。

從圖4可以看出，來襲反艦導彈戰斗部在艙室內起爆位置的不同，對其艙壁的破壞效果不同，由于炸藥為圓柱體結構，戰斗部起爆后產生的爆炸沖擊波以橢圓狀向四周傳播。當起爆距離為120 cm時，此時來襲戰斗部的位置剛好位于艙室的中間部位，戰斗部爆炸后860 μs時爆炸沖擊波作用到艙室頂板和底板，形成較大凸起變形，對距離較遠的輕質防護裝甲的沖擊作用時間相對較為靠后，1 520 μs時艙室內各艙壁間的焊縫在爆炸沖擊波的作用下被撕裂，各個艙壁向四周飛散，輕質防護裝甲并未發生較大形變。起爆距離為60 cm時，艙室和120 cm時的失效模式相近，均為艙室分散。

當起爆距離為20 cm時，爆炸沖擊波直接作用在輕質防護裝甲壁面上，發生碎甲現象形成較大的沖塞破口，壓力由破口向內傳播進行泄壓，對整個艙室其他艙壁的壓力減低。當起爆距離為0 cm時，和20 cm的破損情況相比碎甲現象更為突出，在輕質防護裝甲上產生的破口直徑更大。

圖5分別為起爆距離為0 cm、20 cm、60 cm和120 cm時，爆炸沖擊波的傳播過程。 從中可以看出起爆位置不同，對沖擊波的傳播也有所影響。當起爆距離為0 cm時，爆炸沖擊波沿防護裝甲形成的沖塞破口向內傳播，向發射箱內入射沖擊波，在發射箱表面處形成高壓區。當起爆距離為20 cm時，作用到發射箱表面的波前壓力未使發射箱破裂，隨著作用時間增加，發射箱的受力面積增大，箱體表面發生較大的塑性變形吸收沖擊波能量。當起爆距離為60 cm和120 cm時，爆炸沖擊波首先作用在各艙壁上，同時沖擊波發生反射和折射混合疊加形成復雜沖擊波，充滿整個空間。

2.2 艦載導彈戰斗部的受力分析

通過上述對艙室的毀傷過程分析，當來襲戰斗部在艙室中間位置起爆時，其爆炸產生的大部分能量主要用于艙室解體以及推動解體后艙壁的運動，對爆炸后沖擊波的傳播產生影響。當來襲戰斗部在靠近某一艙壁處起爆時，由于與艙壁的距離較近，爆炸沖擊波形成的高壓易使得與其相鄰艙壁發生碎甲現象，產生較大的沖塞破口，爆炸沖擊波通過破口繼續向內傳播繼續威脅內部的艦載導彈。下面分別對不同起爆位置作用下艦載導彈戰斗部的受力情況進行分析。

從圖6可以看出來襲戰斗部在相鄰艙室爆炸后，由于起爆位置不同造成艙室的毀傷效果不同，從而影響爆炸沖擊波的傳播規律，造成發射艙內艦載戰斗部的沖擊響應不同。當起爆距離為0 cm時，爆炸沖擊波通過沖塞破口繼續向內傳播，此時爆炸沖擊波仍具有較高的壓力值，作用在發射箱箱體上形成圓形破孔，之后繼續作用在艦載戰斗部艙體上擠壓鎢球和內部裝藥表面，在炸藥表面形成高的壓力入射區，炸藥表面的壓力值曲線如圖7所示。當起爆距離為20 cm時，爆炸沖擊波的傳播距離增大，其作用在輕質防護裝甲壁面上雖也發生碎甲現象，但形成的破口直徑與0 cm相比較小，到達發射箱表面處時使發射箱壁面發生塑性變形，擠壓艦載戰斗部艙體上和預制鎢球，繼續作用在炸藥表面。起爆距離為60 cm時，此時輕質防護裝甲在沖擊波的作用下整體飛散，到達發射箱表面處的沖擊波壓力值大大衰減，同時由于發射箱內部除彈體外仍有剩余空間，沖擊波會發生繞流現象，即發射箱箱體向內部剩余空間凹陷，從而減小直接作用在艦載戰斗部的沖擊壓力，對炸藥的沖擊損傷影響不大。當起爆距離為120 cm時，此時爆炸沖擊波的毀傷效果和60 cm起爆時差異不大，隨著爆炸空氣沖擊波的傳播，其壓力和傳播速度等參數迅速下降，沖擊波作用在戰斗部表面也發生擾流現象，未能引爆艦載戰斗部。

從圖7(a)中可以看出，當來襲戰斗部起爆位置距離輕質防護裝甲較近時，發生碎甲現象，產生的爆炸沖擊波沿破口向內傳播，雖強度有所衰減，但仍具有較大的超壓值，當起爆距離為0 cm時，炸藥表面的最大入射壓力為6.5 GPa高于B炸藥的臨界起爆壓力5.6 GPa[13]，因此此時可認為能引爆艦載戰斗部；當起爆距離為20 cm時，隨著距離的增大導致爆炸沖擊波的壓力和傳播速度迅速下降，擠壓艦載戰斗部艙體作用到炸藥表面的最大入射壓力值為0.049 GPa，遠小于B炸藥的臨界起爆壓力值，因此可認為此時對艦載戰斗部威脅較小；從圖7(b)中可以看出，當來襲戰斗部起爆位置距離輕質防護裝甲較遠時，艙室在爆炸沖擊波的作用下發生解體，爆炸沖擊波的波陣面隨傳播距離的增加而不斷擴大，其波陣面上的單位面積能量迅速減少，同時又有部分能量驅動艙壁做功，達到發射箱處的壓力值大大衰減，不足以使得發射箱形成破孔，沖擊波作用到艦載戰斗部艙體時發生繞流現象，因此起爆距離為60 cm和120 cm時，作用到炸藥表面的最大入射壓力值為分別為0.037 GPa和0.03 GPa，，兩者相差不大且均遠小于臨界起爆壓力值，因此可認為此時對艦載戰斗部的威脅較小。

由上述分析可知，最小安全距離在0～20 cm之間，選取起爆距離為10 cm、15 cm進行分析，得到炸藥內部的壓力變化曲線如圖8所示。

從圖8看出起爆距離為10 cm和15 cm時，所對應的入射壓力值分別為3.46 GPa、2.03 GPa，雖然兩者均小于臨界起爆壓力值，但起爆距離為10 cm時，隨著作用時間增加，引起炸藥發生反應，炸藥內部壓力逐漸升高，達到臨界起爆壓力后引爆裝藥。而起爆距離為15 cm時，未能引起炸藥內部反應，壓力逐漸降低，且此時壓力值較高，與臨界值在同一量級，可認為此時為最小安全距離。

3 結論

1) 來襲導彈戰斗部在其相鄰艙室爆炸時，產生的破壞模式主要包括兩種：起爆位置距離防護裝甲較近時，爆炸沖擊波形成的高壓易使與其相鄰艙壁發生碎甲現象，產生較大的沖塞破口；起爆位置位于艙室中間時，艙室在爆炸沖擊波的作用下發生解體，艙壁沿各個方向飛散。

2) 當起爆距離為15 cm時，產生的爆炸沖擊波不足以沖擊起爆艦載導彈戰斗部，且隨起爆距離的增大，炸藥表面的入射壓力均遠小于臨界起爆壓力值，因此可認為15 cm為最小安全距離。

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