旋轉(zhuǎn)對爆炸成型桿式侵徹體毀傷威力的影響*

李 鵬,李 剛,袁寶慧,周 濤,敬怡東

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

空地精確制導(dǎo)炸彈、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等已經(jīng)成為現(xiàn)代防空導(dǎo)彈體系的首要防御對象，這類導(dǎo)彈目標(biāo)的共同特點(diǎn)是殼體擁有大壁厚，普通破片或桿式戰(zhàn)斗部毀傷元通常難以穿透其殼體，更難以將來襲目標(biāo)引燃/引爆，導(dǎo)致現(xiàn)有防空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部無法有效攔截精確制導(dǎo)炸彈等厚壁目標(biāo)[1]。因此，對大厚壁彈藥進(jìn)行高效毀傷的需求非常迫切。為進(jìn)一步提升對大壁厚空地彈藥的有效毀傷能力，多爆炸成型侵徹體(multiple explosively-formed penetrators,MEFP)戰(zhàn)斗部技術(shù)被提出。MEFP戰(zhàn)斗部由聚能裝藥發(fā)展而來，方式是將前置藥型罩轉(zhuǎn)換成周向布置的藥型罩[2-3]。MEFP戰(zhàn)斗部采用傳統(tǒng)裝藥結(jié)構(gòu)時(shí)，對周向EFP的成型難以控制。復(fù)合裝藥可以有效控制爆轟波的形狀及對破片的加載速度，但復(fù)合裝藥在MEFP戰(zhàn)斗部的應(yīng)用較少[4-5]。為了提高侵徹體的成型質(zhì)量，并滿足藥型罩集成數(shù)量和遠(yuǎn)距離侵徹威力的要求，通過采用復(fù)合裝藥的方式，設(shè)計(jì)一種大長徑比的爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部。爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部形成的毀傷元長徑比大，類似“子彈”，成型過程中容易受到擾動(dòng)，影響飛行穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)可以有效提高桿式侵徹體的飛行穩(wěn)定性[6-7]。侵徹體飛行姿態(tài)以及飛行穩(wěn)定性對侵徹體的毀傷效能具有很大影響，因此分析大長徑比侵徹體飛行穩(wěn)定性有重要意義。本文中，設(shè)計(jì)一種爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部，通過采用復(fù)合裝藥方式控制侵徹體成型，采用對藥型罩斜置的方式，促使爆炸成型桿式侵徹體旋轉(zhuǎn)進(jìn)而控制桿式侵徹體飛行的穩(wěn)定性，最終提高爆炸成型桿式侵徹體的毀傷威力。

1 旋轉(zhuǎn)原理

本文中所設(shè)計(jì)的桿式侵徹體，在爆轟加載時(shí)容易受到擾動(dòng)，影響侵徹體的毀傷效果，因此通過斜置藥型罩的方式，使侵徹體在飛行過程中自旋轉(zhuǎn)，提高其飛行穩(wěn)定性。試驗(yàn)所設(shè)計(jì)戰(zhàn)斗部的藥型罩沿戰(zhàn)斗部周向排布，在裝藥中心起爆模式下，爆轟波對圓周方向上的每一枚藥型罩的加載狀況為：波陣面的指向與藥型罩表面法向指向重合；由于藥型罩刻槽有一定角度，致使藥型罩上各微元速度方向不一致，并且有兩個(gè)速度分量，一個(gè)是沿藥型罩中心法線方向的分量，另一個(gè)是沿垂直于藥型罩中心法線方向的分量；最終藥型罩在形成桿式侵徹體的同時(shí)發(fā)生自旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸為藥型罩質(zhì)心的速度方向，如圖1所示。圖1中，vi和vj是爆轟加載結(jié)束時(shí)藥型罩端點(diǎn)處微元速度v的2個(gè)分量，vi方向垂直于藥型罩整體初速度v0方向,vj方向與v0方向平行，α為藥型罩的斜置角度，β為藥型罩質(zhì)心在戰(zhàn)斗部端面投影和藥型罩端面中心分別與戰(zhàn)斗部端面中心連線之間的夾角。根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，爆炸成型桿式侵徹體初始旋轉(zhuǎn)角速度的計(jì)算公式[8]為：

vi=vsinαcosβ

(1)

(2)

式中：vi為爆炸成型桿式侵徹體的自旋轉(zhuǎn)速度,ω為爆炸成型桿式侵徹體的自旋轉(zhuǎn)角速度,L為藥型罩跨度。

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 樣機(jī)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)，除藥型罩斜置角度不同外，其他結(jié)構(gòu)均相同。原理樣機(jī)主要由半預(yù)制毀傷元?dú)んw及裝藥構(gòu)成，起爆方式為中心起爆。?127 mm的軸向單束集成戰(zhàn)斗部樣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,藥型罩為半預(yù)制結(jié)構(gòu)，通過在等壁厚的殼體上刻槽制得，單枚藥型罩外觀為狹長的條帶狀，長度與寬度的比值接近8∶1，藥型罩斜置一定角度。藥型罩的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)：戰(zhàn)斗部口徑,127 mm;藥型罩跨度,120 mm;內(nèi)弧半徑,180 mm;外弧半徑,188 mm;藥型罩質(zhì)量,單枚74 g;刻制數(shù)量,30枚;斜置角度,0°、1.5°、3.0°、4.5°。

本文所述的127 mm口徑戰(zhàn)斗部，兩端裝藥為金屬驅(qū)動(dòng)能力低的TNT炸藥，中心裝藥為金屬驅(qū)動(dòng)能力高的JHLD-1炸藥。分層復(fù)合裝藥的設(shè)計(jì)目的是，使藥型罩弧頂與兩端形成較大的速度差，以形成具有較大長徑比的桿式侵徹體；藥型罩斜置一定角度的設(shè)計(jì)目的是，使藥型罩在受到爆轟加載后各微元速度方向不一致，在形成桿式侵徹體的同時(shí)自旋轉(zhuǎn)，控制飛行穩(wěn)定性。

2.2 侵徹體成型數(shù)值模擬

本文中，采用爆炸動(dòng)力學(xué)分析軟件AYTODYN-3D進(jìn)行數(shù)值模擬，模型的一個(gè)藥型罩端面中心設(shè)置一個(gè)拉格朗日速度追蹤點(diǎn)，以確定爆轟加載結(jié)束時(shí)藥型罩在此處微元的速度，戰(zhàn)斗部的模型及桿式侵徹體成型過程如圖3所示。

由圖3可以看出，爆轟加載結(jié)束后藥型罩存在速度梯度，藥型罩在0.5 ms時(shí)向后翻轉(zhuǎn)，在2.0 ms時(shí)成型為整體密實(shí)的桿式侵徹體。由于侵徹體尾部閉合時(shí)存在剩余速度，使侵徹體尾部厚度小于其頭部厚度。藥型罩斜置不同角度的戰(zhàn)斗部隨成型的桿式侵徹體的成型結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著藥型罩斜置角度的增大，成型侵徹體出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，并且尾部出現(xiàn)明顯錯(cuò)位。這說明侵徹體的成型質(zhì)量與藥型罩斜置角度直接相關(guān)。藥型罩不斜置時(shí)，侵徹體長度為61 mm，最大截面尺寸為7 mm×17 mm，長徑比達(dá)到3.5∶1；藥型罩斜置1.5°時(shí)，侵徹體長度為60 mm，最大截面在尾部，尺寸為7 mm×18.5 mm，長徑比達(dá)到3.2∶1；藥型罩斜置3.0°時(shí)，侵徹體長度為59 mm，最大截面在尾部，尺寸為7 mm×19.5 mm，長徑比達(dá)到3∶1；藥型罩斜置4.5°時(shí)，侵徹體已不能保證成型質(zhì)量。根據(jù)圖4所示結(jié)果，為保證侵徹體成型質(zhì)量，對藥型罩斜置角度進(jìn)行設(shè)計(jì)：戰(zhàn)斗部1#、2#、3#對應(yīng)的斜刻度數(shù)分別為0°、1.5°、3.0°。侵徹體成型后速度可根據(jù)藥型罩速度隨時(shí)間的變化曲線獲得，飛散方向速度-時(shí)間變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，藥型罩斜置角度在0°～3.0°變化時(shí)，藥型罩速度隨時(shí)間變化的趨勢基本相同：0～0.02 ms區(qū)間內(nèi)，藥型罩速度快速升高；0.02～0.05 ms區(qū)間內(nèi)，藥型罩速度平緩升高；0.05 ms后，藥型罩速度稍有降低；0.06 ms后，藥型罩速度保持不變。藥型罩速度下降是由藥型罩向后翻轉(zhuǎn)變形所致。藥型罩的最終速度隨傾斜角度增大而略有降低。

圖5所示藥型罩的速度在0.03～0.05 ms基本保持一致且達(dá)到最大值，這說明爆轟加載時(shí)間為0.03 ms。爆轟加載結(jié)束時(shí)桿式侵徹體的外形如圖6所示，藥型罩形狀為近似直桿狀，此時(shí)拉格朗日速度追蹤點(diǎn)的切線速度即為藥型罩繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)時(shí)端面的切線速度，此時(shí)的藥型罩角速度即為成型桿式侵徹體的自旋轉(zhuǎn)角速度，切線速度隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，追蹤點(diǎn)切線速度在0.02 ms時(shí)間內(nèi)快速升高，之后變化平緩，在0.03 ms后基本不變。在0.03 ms時(shí)刻，藥型罩斜置1.5°時(shí)追蹤點(diǎn)切線速度為21.4 m/s, 藥型罩斜置3.0°時(shí)追蹤點(diǎn)切線速度為42.9 m/s。根據(jù)切線速度公式v=ωL/2計(jì)算角速度，計(jì)算結(jié)果即為侵徹體自旋轉(zhuǎn)模擬角速度。另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在藥型罩斜置0°時(shí)，拉格朗日速度追蹤點(diǎn)在爆轟加載結(jié)束時(shí)的速度為1 635 m/s，即v0=1 635 m/s。根據(jù)式(1)和式(2)，可以計(jì)算追蹤點(diǎn)切線速度和角速度的理論值。理論計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果基本一致，如表1所示。

表1 自旋轉(zhuǎn)的模擬結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果Table 1 Simulation result and theoretical calculation result of rotation

2.3 侵徹體侵徹靶板數(shù)值模擬

模擬桿式侵徹體的侵徹過程，模型中桿式侵徹體選用藥型罩斜置1.5°時(shí)的成型侵徹體，靶板長度為100 mm,寬度為100 mm,厚度為40 mm。桿式侵徹體的侵徹過程如圖8所示。由圖8可以看出：在0.49 ms時(shí)桿式侵徹體與靶板接觸，0.54 ms時(shí)侵徹結(jié)束，侵徹體貫穿靶板；貫穿靶板時(shí)，侵徹體輕微偏轉(zhuǎn)，同時(shí)受稀疏波影響，侵徹體的材料由頭部向尾部翻轉(zhuǎn)，未與靶板接觸的材料繼續(xù)對靶板進(jìn)行侵徹，靶板穿孔邊緣處的材料翻轉(zhuǎn)，形成唇邊。

3 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)藥型罩斜置角度的不同，對各編號(hào)戰(zhàn)斗部制備原理樣機(jī)2發(fā)，通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定斜置角度對桿式侵徹體毀傷威力的影響。

3.1 實(shí)驗(yàn)布局

戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)布局如圖9所示。3種藥型罩斜置角度不同的戰(zhàn)斗部靶場布局均相同，在距爆心3 m處布設(shè)厚度為40 mm的45鋼威力靶共2張，靶板全弧長為2 m，用以考察各戰(zhàn)斗部形成的桿式侵徹體的著靶姿態(tài)以及毀傷威力，4路通斷靶布置在威力靶上，用以記錄桿式侵徹體的著靶速度。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

戰(zhàn)斗部1#、2#、3#對威力靶的侵徹，相應(yīng)的穿孔數(shù)/命中數(shù)分別為0/6、4/8和0/6。可以看出，藥型罩斜置角度為1.5°時(shí)，爆炸成型侵徹體對距爆心3 m處厚度為40 mm的45鋼板的毀傷效果明顯提升，可以穿透鋼板且穿透率為50%。

藥型罩斜置不同角度的成型桿式侵徹體對威力靶侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，模擬結(jié)果如圖11所示。由圖10～11可以看出，桿式侵徹體對靶板的侵徹，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，侵徹孔均接近圓形，侵徹體侵徹過程中，由于稀疏波影響，靶板上孔邊緣材料向外翻轉(zhuǎn)，形成唇邊。由圖10(a)和圖11(a)可以看出，孔在靶板表面呈現(xiàn)類圓形，底部呈錐形，孔徑為30 mm，錐深為33 mm；由圖10(b)和圖11(b)可以看出，孔為貫穿孔，侵徹體侵徹過程中出現(xiàn)輕微偏轉(zhuǎn)，造成孔輕度傾斜，入射方向孔徑為28 mm大于出射方向孔徑26 mm；由圖10(c)和圖11(c)可以看出，孔在靶板表面的形狀不規(guī)則，呈類橢圓狀，橢圓長徑為35 mm，短徑為30 mm，錐深為27 mm。

圖10和圖11的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果顯示，藥型罩傾斜1.5°，成型桿式侵徹體的侵徹效果最好。這說明，在保證侵徹體成型質(zhì)量的同時(shí)，使桿式侵徹體自旋轉(zhuǎn)，可以有效提高桿式侵徹體對目標(biāo)的侵徹深度。在距爆心3 m處布設(shè)的通斷靶所記錄的侵徹體的平均速度和數(shù)值模擬的桿式侵徹體的初始速度，對應(yīng)戰(zhàn)斗部1#、2#、3#的侵徹體實(shí)驗(yàn)速度分別為1 353、1 336、1 309 m/s，模擬速度分別為1 205、1 191、1 143 m/s?？梢钥闯?，侵徹體實(shí)驗(yàn)速度比模擬速度高12.2%～14.5%。藥型罩斜置0°～3.0°時(shí)，對桿式侵徹體沿飛行方向的速度的影響很小，因此進(jìn)行對比時(shí)，速度對桿式侵徹體的毀傷影響可以忽略。

因此，本文中所設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗部，通過藥型罩斜置一定角度，控制爆炸成型桿式侵徹體的轉(zhuǎn)速進(jìn)而提升桿式侵徹體的飛行穩(wěn)定性，最終提高了桿式侵徹體的毀傷威力。

4 結(jié) 論

本文中，設(shè)計(jì)了一種爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部藥型罩可形成具有高威力的大長徑比桿式侵徹體，滿足毀傷元密度高和威力大的需求；探討了藥型罩斜置角度對爆炸成型桿式侵徹體毀傷威力的影響。

從數(shù)值模擬結(jié)果可知，在藥型罩斜置角度為0°～3.0°時(shí)，得到的侵徹體整體密實(shí)、呈桿狀，且長徑比可達(dá)到3.5∶1。這說明，分層復(fù)合裝藥與斜置藥型罩的結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)思路是可行的，藥型罩斜置角度較小時(shí)對桿式侵徹體的成型沒有影響。

對本文中設(shè)計(jì)的3種斜刻槽角度不同的戰(zhàn)斗部進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)，開展數(shù)值模擬及靜爆實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗部，藥型罩斜置角度小于1.5°時(shí)對桿式侵徹體成型效果影響較小，當(dāng)藥型罩斜刻角度為1.5°時(shí)，桿式侵徹體毀傷能力明顯提高。這說明，在保證桿式侵徹體成型質(zhì)量的同時(shí)，對藥型罩斜置適當(dāng)角度，可以有效提升桿式侵徹體空中飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性并明顯提高桿式侵徹體的毀傷威力。

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