桿式射流侵徹運(yùn)動(dòng)厚殼裝藥目標(biāo)的數(shù)值模擬*

趙 庚，郭光全，張 鈞，陳智剛，付建平，康建成

(1 中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051；2 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 太原 030051；3 空軍駐山西地區(qū)軍事代表室， 太原 030024)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，空襲武器的發(fā)展促進(jìn)著防空武器性能的提高。為了更加有效地打擊敵方地下重要軍事目標(biāo)，鉆地彈應(yīng)運(yùn)而生[1]。由于來(lái)襲的鉆地彈普遍使用了鈍感澆注高聚物粘結(jié)炸藥和增加了彈藥殼體厚度[2]，采用傳統(tǒng)的破片引爆來(lái)襲彈藥變得困難。而且，防空武器只有直接“擊爆”來(lái)襲戰(zhàn)斗部才能使防御陣地的損失最低[3]。為此，需要探索一種更高效的防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究[4-10]大都集中在靜態(tài)條件下聚能射流、爆炸成型彈丸、破片等沖擊起爆薄殼裝藥，對(duì)動(dòng)態(tài)厚殼鈍感裝藥目標(biāo)的研究相對(duì)較少。桿式射流綜合了聚能射流、爆炸成型彈丸、穿甲彈的優(yōu)點(diǎn)，能夠長(zhǎng)距離穩(wěn)定飛行，侵徹能力強(qiáng)且后效殺傷效果好[11]。為此，文中利用數(shù)值模擬的方法對(duì)桿式射流侵徹運(yùn)動(dòng)厚殼鈍感裝藥目標(biāo)的過(guò)程進(jìn)行了研究，分析不同彈目交匯條件下桿式射流對(duì)運(yùn)動(dòng)厚殼裝藥目標(biāo)的侵徹能力，研究結(jié)果為反厚殼裝藥戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 物理模型

以美軍“掩體破壞者”(GBU-57A/B)為目標(biāo)模型。其彈徑0.8 m，彈殼厚0.11 m，彈長(zhǎng)6.2 m，總重13.6 t，采用鎳鈷鋼合金；內(nèi)有鈍感裝藥(推斷為PBXN-109)2.4 t，撞地速度為600 m/s，方向一般為垂直攻擊目標(biāo)。鉆地戰(zhàn)斗部彈體圓柱部裝藥較長(zhǎng)且壁厚相對(duì)較薄，如圖1所示，取彈體圓柱部一段建立等效靶模型。

圖1 物理模型示意圖

該等效靶為圓柱厚殼裝藥，直徑2R為880 mm,裝藥直徑2r為580 mm。殼體材料為45#鋼，裝藥為PBXN-109。破甲戰(zhàn)斗部的口徑為200 mm，藥型罩為偏心亞半球結(jié)構(gòu)，材料為紫銅。模擬實(shí)戰(zhàn)中戰(zhàn)斗部攔截鉆地彈的情況，目標(biāo)靶彈速度V目為600 m/s，破甲戰(zhàn)斗部的速度為1 000 m/s。如圖2所示，桿式射流軸線在BCDE平面內(nèi)，目標(biāo)靶彈軸線在XOZ平面內(nèi)，考慮戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶彈的軸線在不在同一平面上，設(shè)置彈軸偏移量δ作為變量條件，取值分別為0 mm、145 mm、265 mm。考慮戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶彈的運(yùn)動(dòng)方向，設(shè)置彈目運(yùn)動(dòng)方向夾角θ作為變量條件,取值分別為15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、175°。戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶彈有迎頭交匯和追趕交匯兩種交匯姿態(tài)，其中15°、30°、45°、60°、75°為追趕交匯。105°、120°、135°、150°、175°為迎頭交匯。

圖2 計(jì)算方案示意圖

2 有限元模型

采用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。模擬射流形成和侵徹靶板中材料流動(dòng)、高過(guò)載、大變形等過(guò)程，因此，材料之間的相互作用是流固耦合[12]，其中破甲戰(zhàn)斗部殼體和目標(biāo)靶板采用拉格朗日算法，破甲戰(zhàn)斗部裝藥、藥型罩及空氣采用任意拉格朗日歐拉算法。采用TrueGrid軟件來(lái)建模，考慮彈軸偏移量δ，所以采用全尺寸建模。考慮靶板建模尺寸及邊界效應(yīng)，目標(biāo)裝藥加無(wú)反射邊界條件。所有計(jì)算網(wǎng)格采用六面體實(shí)體單元，破甲戰(zhàn)斗部的起爆方式是頂端中心單點(diǎn)起爆，炸高為500 mm。

圖3 有限元模型(δ=145 mm、θ=60°)

破甲戰(zhàn)斗部的藥型罩材料為紫銅，殼體材料為硬鋁，裝藥為8701炸藥。目標(biāo)靶彈的殼體材料為45#鋼。目標(biāo)靶彈的裝藥材料為PBXN-109[13]，ELASTIC_PLASTIC_HYDRO模型作為凝聚炸藥的本構(gòu)， IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE狀態(tài)方程用來(lái)模擬炸藥受沖擊點(diǎn)火(或損傷點(diǎn)火)后的爆轟。三項(xiàng)點(diǎn)火增長(zhǎng)反應(yīng)速率方程的形式如下:

G2(1-F)eFfpz

式中：F是燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；t是時(shí)間;ρ0是初始密度;ρ是當(dāng)下密度;I，G1，G2，b，x，a，b，c，d，y，e，f與z是常數(shù)。其中G1是快速反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)系數(shù);G2是慢速反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)系數(shù)，部分參數(shù)如表1所示。

表1 PBXN-109參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 桿式射流侵徹運(yùn)動(dòng)厚殼裝藥目標(biāo)的過(guò)程分析

目標(biāo)靶彈以600 m/s速度豎直向下運(yùn)動(dòng)，破甲戰(zhàn)斗部的初始速度為1 000 m/s，不同彈目交匯條件下，破甲戰(zhàn)斗部所形成的桿式射流的初始性能參數(shù)不變，獲取破甲戰(zhàn)斗部起爆后118 μs時(shí)刻的射流形態(tài)及速度分布如圖4所示，射流參數(shù)如表2所示。

圖4 118 μs時(shí)刻的射流的形態(tài)及速度分布圖

參數(shù)參數(shù)值長(zhǎng)度/mm37.7頭部直徑/mm1.3尾部直徑/mm5.0頭部速度/(m/s)6 468尾部速度/(m/s)1 501

以彈軸偏移量δ為145 mm，彈目運(yùn)動(dòng)方向夾角θ為60°為代表，分析桿式射流的侵徹過(guò)程。

圖5 射流侵徹過(guò)程

聚能裝藥起爆后118 μs，射流接近等效靶表面，如圖5(a)。在初始開(kāi)孔的內(nèi)壁未接觸射流時(shí)，射流保持準(zhǔn)直狀態(tài)。170 μs時(shí)刻后，射流與孔壁碰撞，這也是射流微元對(duì)靶板有一個(gè)掃掠切割的作用，射流開(kāi)始發(fā)生歪斜，后續(xù)運(yùn)動(dòng)的射流由于靶板持續(xù)的橫向干擾，侵徹能力會(huì)受到影響，如圖5(b)。188 μs時(shí)刻，射流對(duì)厚殼的侵徹基本結(jié)束，開(kāi)始接觸裝藥如圖5(c)。208 μs時(shí)刻，炸藥的壓力達(dá)到25.63 GPa并穩(wěn)定傳播,如圖5(d)。230 μs時(shí)刻，炸藥出現(xiàn)明顯的膨脹說(shuō)明炸藥爆轟完全，如圖5(e)。桿式射流侵徹和靶板的運(yùn)動(dòng)之間存在速度的疊加和抵消，動(dòng)態(tài)侵徹時(shí)射流會(huì)受到一個(gè)豎直剪切力矩的作用，由于這種切割作用，侵徹孔徑要大于靜止侵徹時(shí)的孔徑，侵徹孔徑呈現(xiàn)階梯形，桿式射流發(fā)生變形不再準(zhǔn)直。

圖6 目標(biāo)裝藥選取的觀測(cè)點(diǎn)

圖7 觀測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線

如圖6在射流與目標(biāo)裝藥接觸點(diǎn)的附近依次取4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，得到各點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線。如圖7所示，觀測(cè)點(diǎn)的壓力值都是先升高后降低，最后穩(wěn)定在一個(gè)范圍。炸藥觀測(cè)點(diǎn)C的壓力迅速上升，隨后觀測(cè)點(diǎn)D的壓力也迅速上升，兩點(diǎn)的壓力值均大于文獻(xiàn)[13]中提到的炸藥的爆轟壓力，說(shuō)明炸藥被起爆了。起爆點(diǎn)在B點(diǎn)和C點(diǎn)之間。

3.2 不同彈目交匯條件下射流侵徹結(jié)果的對(duì)比分析

不同彈目交匯條件下射流侵徹結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分別在彈軸偏移量δ=0 mm，δ=145 mm，δ=256 mm的情況下，改變彈目運(yùn)動(dòng)方向夾角θ(θ=15°，θ=30°，θ=45°，θ=60°，θ=75°，θ=90°，θ=105°，θ=120°，θ=135°，θ=150°，θ=165°)進(jìn)行數(shù)值模擬，提取結(jié)果進(jìn)行比較，如圖8、圖9所示。

圖8 射流速度損耗

圖9 射流動(dòng)能損耗圖

當(dāng)彈軸偏移量δ一定時(shí)，改變彈目運(yùn)動(dòng)方向夾角θ，桿式射流侵徹引爆厚殼裝藥目標(biāo)的難易程度不同，戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶板軸線在同一平面(δ=0 mm)，隨著θ增大，炸藥引爆所消耗的能量先減少后增加。其中，戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶彈追趕交匯要比迎頭交匯時(shí)更容易引爆目標(biāo)裝藥。當(dāng)戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶板軸線不在同一平面(δ=145 mm，δ=265 mm)，改變夾角θ，引爆鈍感炸藥的難度明顯增加，射流剩余動(dòng)能和速度明顯下降，引爆目標(biāo)所消耗的能量的變化趨勢(shì)與δ為0 mm時(shí)相一致，其中θ=15°時(shí)厚殼裝藥目標(biāo)不能被引爆。

戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶彈運(yùn)動(dòng)方向夾角存在一個(gè)最佳范圍，其值在45°～120°之間，此時(shí)射流引爆厚壁裝藥所需能量最少，射流速度損耗范圍在22.17%～38.76%，射流動(dòng)能損耗范圍在29%～54.39%，射流最容易使炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。

當(dāng)戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶板運(yùn)動(dòng)方向夾角θ一定時(shí)，隨彈軸偏移量δ的增大，桿式射流侵徹方向上的殼體厚度增大，桿式射流引爆厚殼裝藥目標(biāo)所消耗射流的動(dòng)能量越多，射流速度損耗越多。

4 結(jié)論

利用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探索了不同彈目交匯條件下桿式射流對(duì)運(yùn)動(dòng)厚殼裝藥的侵徹效能，利用數(shù)值模擬的結(jié)果得出一些初步的結(jié)論:

1)戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶彈運(yùn)動(dòng)方向夾角θ在30°～165°范圍內(nèi)桿式射流均能有效穿透厚壁裝藥殼體，并能引爆其鈍感炸藥，其中彈目追趕交匯要比迎頭交匯時(shí)更容易引爆目標(biāo)裝藥。而且，θ存在一個(gè)最佳范圍為45°～120°，此時(shí)射流引爆厚壁裝藥所需能量最少，最容易使炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。

2)當(dāng)戰(zhàn)斗部與目標(biāo)靶板運(yùn)動(dòng)方向夾角θ一定時(shí)，隨著彈軸偏移量δ的增加，引爆鈍感炸藥的難度加大。

3)桿式射流對(duì)運(yùn)動(dòng)厚殼裝藥有一定的侵徹效能，可以作為防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部毀傷元。