殺傷增強裝置破片低速拋撒技術研究

梁安定，黃靜，何勇，孫興昀

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

殺傷增強裝置技術是防空反導武器系統的前沿技術之一，通過拋撒低速破片形成破片幕，依靠彈目相對動能攔截高超聲速飛行的導彈目標。殺傷增強裝置技術屬于動能碰撞攔截殺傷的防空反導模式[1-8]。

根據資料[9]顯示，國外用于反導和反飛機目的的攔截方式主要是動能碰撞攔截殺傷和戰斗部破片殺傷。相比戰斗部破片殺傷方式，動能碰撞攔截殺傷的優點主要是：減少了導彈引戰配合的難度，減少了彈上部件，可以增加導彈作戰空域，費效比也較低。美軍對帶有殺傷增強裝置的動能碰撞攔截殺傷反導進行了試驗，試驗表明動能碰撞攔截殺傷在2 m內脫靶量情況下具有良好的反導效果[10]。

殺傷增強裝置是動能碰撞攔截反導導彈的主要功能件，如何實現大質量破片的低速拋撒是主要研究難題之一。本文提出了一種以炸藥為驅動能源的大質量破片低速拋撒結構，對其拋撒速度進行了理論分析和實驗驗證。

1 國內外研究概況

根據資料調研，國內外已經有研究機構開展了以火藥作為驅動能源的殺傷增強裝置研究。美國專利[11]公開了一種由推進裝置、網和多個桿組成的殺傷增強裝置，推進裝置包括有燃氣發生器，通過推進裝置將裝有多個桿的網推開，當網撞擊到導彈、衛星等目標上時，利用桿的動能可將目標摧毀。國內一些單位也開展了以火藥為驅動能源的破片拋撒殺傷增強裝置，主要的技術特點是每個破片下具有獨立的活塞式推動結構，通過活塞大小調節驅動力大小，實現破片的不同拋撒速度，拋撒后破片將在空間分布形成破片幕[8,10,12]。

然而，火藥驅動拋撒過程中，火藥的反應時間處于毫秒級，對于導彈來說反應慢往往導致系統精度的降低，甚至脫靶。而采用炸藥進行破片加載，炸藥的反應時長為微秒級，能夠很好地滿足導彈系統的啟動需要[12-13]。因此，采用炸藥作為殺傷增強裝置破片的驅動能源成為了研究熱點。

2 理論分析

殺傷增強裝置要在空間形成破片幕，常用的破片幕分布為同心圓環節點式，如圖1所示。通常破片通過機械連接固定在裝置本體上，破片下端布置炸藥，圖2是一種簡化的殺傷增強裝置結構單元。由于破片為低速加載，因此單個破片驅動所需的炸藥的裝藥量很少。

從結構上講，殺傷增強裝置結構單元可以簡化成如圖3的一維形式。對于這種一維模型，可以采用Gurney模型進行分析。Gurney模型通常進行如下的假設[14-15]：

(1) 裝藥瞬時爆轟，所釋放出的能量完全轉換成爆轟產物的動能和殼體的動能；

(2) 爆轟產物的速度沿軸線線性分布；

(3) 爆轟產物均勻膨脹，忽略端部稀疏，密度處處相等，壓力也是均勻的。

根據上述假設建立動量守恒和能量守恒方程[14-16]：

(1)

式中：M1，M2分別為殼體和破片質量；v1，v2分別為殼體和破片的速度；ρ和u分別為炸藥爆轟產物密度和粒子速度；C為炸藥的質量；E為炸藥的Gurney能；X1，X2分別為炸藥的前后位置。

根據Gurney假設，可以推導出

求解方程組(1)～(4)，可以得到

式中：

從公式(5)可以看出，破片的速度v2可通過炸藥的Gurney能E、殼體質量M1、破片質量M2和炸藥質量C而求得。公式(5)可以用于低速拋撒破片的速度計算，滿足殺傷增強裝置方案設計需求。

3 方案設計

殺傷增強裝置需要在空間形成動態的破片幕，為了有效攔截目標，需要破片幕能夠有效覆蓋導彈的脫靶距離，且破片的間隙小于目標的特征尺寸，保證具有巨大相對動能的破片至少1枚撞擊到目標。從技術上講，需要破片幕內的破片呈現同心多層，每層破片具有等梯度的拋撒速度，不同速度的破片呈同心圓環形式分布，組成分層形式的破片幕。殺傷增強裝置可以分解為不同的破片拋撒環結構，一層拋撒環實現一種速度的破片的拋撒，分層拋撒結構有利于實現殺傷增強裝置的組合化和模塊化[12-13]。

破片拋撒環的截面形式類似于圖2結構，在此基礎上進行了破片連接形式和結構緊固件的設計，破片環的結構見圖4。破片拋撒環采用了圓環形裝藥結構，即破片拋撒環的本體為鋁制中心管，其外圓面嵌入環形裝藥，在環形裝藥的外側等圓心角裝配破片。圓環形裝藥結構連續，裝藥連續，工藝容易實現。若在每個破片下單獨裝藥，則需要復雜的傳爆結構設計，工藝復雜，可靠性低。在破片拋撒環側設計卡環，并通過凹形缺口等角分度分布實現破片的等圓心角布置。破片拋撒環設計方案見圖4。

為了實現不同速度的拋撒，首先計算出了單枚破片下的裝藥質量，并根據單枚破片下裝藥質量計算出圓環形裝藥結構的總裝藥量后進行破片拋撒環的裝藥裝配。為了對不同速度的破片環結構進行驗證，共設計了5種破片速度的破片拋撒環。設計的實驗拋撒環的結構參數見表1。

表1 實驗破片拋撒環的結構設計參數Table 1 Structural design parameters of the experimental fragment dispersal ring

4 數值模擬分析

為了驗證方案設計的可行性，對破片加載單元開展了數值模擬工作。數值模擬是基于ANSYS/LS-DYNA非線性仿真軟件進行。采用流固耦合方法進行計算，拉格朗日材料間定義自動面—面接觸算法。計算建模中僅對破片拋撒環當中的一個破片加載單元進行三維建模。破片材料選用STEEL 4340鋼，中心管結構選用AL-2024-T4硬鋁。因撓性炸藥與B炸藥的爆轟參數基本相近，故裝藥采用COMP B炸藥的參數進行數值計算。以上材料及狀態方程參數均是AUTODYN軟件材料庫中給定的[17]。數值仿真的模型見圖5。仿真得到了破片的不同速度曲線見圖6。

從數值仿真得到的破片速度曲線可以看出，不同的驅動裝藥結構下破片的速度呈現梯度。數值仿真得到的破片速度最大值以及與理論計算速度的相對誤差見表2。

表2 數值模擬得到的破片速度計算結果Table 2 Results of fragment velocity calculated by numerical simulation

數值模擬結果校驗了驅動裝藥結構設計的合理性。數值模擬得到的破片速度與理論分析方法計算的速度相對誤差相比較小，5種破片拋撒環仿真計算的破片速度的相對誤差不大于9.8%。數值模擬結果說明理論分析方法合理可信。

5 實驗驗證

為了驗證破片拋撒環的性能，開展了實驗驗證工作。根據前面的理論分析結果，進行了不同拋撒速度的破片拋撒環的實驗設計。實驗中，采用高速攝影儀拍攝了破片拋撒環拋撒的破片拋撒過程，根據2個時刻拍攝圖像中破片位置和時間間隔計算出破片的平均速度。為了對破片的空間位置進行清晰判別，在破片拋撒環背部設置同心圓環組成的鋼架，鋼架后襯白布。鋼架上固定了半徑0.4，0.8，1.2和1.6 m的剛性圓環。實驗布置圖見圖7。實驗過程中典型時刻的破片分布照片見圖8～12。

高速攝影拍攝到了每個破片拋撒環的破片拋撒過程。從圖8～12可以看出，半徑0.4 m的鋼架剛性圓環由于爆炸火光影響，無法分辨，因此僅分析了破片在半徑0.8 m至1.6 m剛性圓環之間的飛行情況。經過計算，各組破片拋撒環的速度統計結果見表3。

表3 影像拍得的破片速度計算結果Table 3 Results of fragment velocity calculated by images

從影像拍得的破片平均速度與理論計算速度的數值對比發現，兩者相差較小，5件破片拋撒環的相對誤差不大于9.1%，說明理論分析方法較為準確。

靜爆實驗后實驗件殘骸以及回收到的破片照片見圖13所示。從實驗后中心管的殘骸和回收的破片可以看出，實驗后的破片拋撒環中心管上的炸藥裝藥爆炸痕跡整齊、均勻，說明裝藥均已穩定爆轟。從回收到的破片可以看出，破片與炸藥裝藥接觸面有輕微變形，但破片形狀完整，沒有碎裂。加載前的破片質量平均值為30.17 g,加載后的破片質量平均值為30.14 g，破片質量沒有明顯的差別，可見爆炸加載后破片無明顯的質量損失。

通過實驗結果分析可以得出，采用炸藥加載方式可以實現質量為30 g的破片的低速拋撒，實驗后破片完整，無質量損失。炸藥加載方式能夠很好地實現殺傷增強裝置的功能。炸藥加載相比火藥方式更為迅速，加載結構也更為簡潔，可行性好，也易于實現。

6 結束語

本文針對防空反導殺傷增強裝置技術需要，通過Gurney模型推導出了低速拋撒破片速度的理論計算公式，提出了采用炸藥驅動破片形式的殺傷增強裝置結構方案。通過數值模擬校驗了裝藥結構設計的合理性和理論分析方法的可信性。同時，設計了殺傷增強裝置的破片拋撒環方案，并進行了5組實驗，實驗測得的破片速度與理論計算結果相比，相對誤差不大于9.1%。