含能穿甲彈毀傷反艦導彈戰斗部能力分析

鄭添春,郭 磊,焦延博,王均濤

(1.宜春先鋒軍工機械有限公司, 江西 宜春 336000； 2.南京理工大學 機械工程學院, 南京 210094)

1 引言

防空、反導任務中，小口徑高射炮能夠彌補導彈對空中目標射擊的攔截死區，是艦艇低空近距離防御必不可少的武器。由于穿甲彈存速能力強，著靶比動能大，能夠擊穿反艦導彈的半穿甲爆破型戰斗部，并對內部裝藥產生一定程度的引燃和引爆作用。

過去穿甲彈對導彈戰斗部的毀傷研究多基于動能沖擊。姜穎資等[1-4]研究了穿甲彈對導彈戰斗部的沖擊引爆作用，發現炸藥裝藥在彈芯殘骸和戰斗部殼體崩落物的動能作用下產生熱點并逐漸發展為爆轟，彈芯引爆物剩余動能越多，這種沖擊引爆作用越強。但是僅依靠動能作用引爆屏蔽裝藥對彈丸的初速和存速能力具有較高要求，且模式較為單一，限制了攔截武器的作戰半徑。近年來，隨著含能材料興起以及對含能材料研究的不斷加深，何源等[5-10]通過試驗發現，含能破片受到強烈沖擊載荷作用啟動釋能反應，反應釋放出的化學能聯合彈芯侵徹產生的沖擊波共同作用于炸藥裝藥，能在比普通破片速度低得多的情況下引燃、引爆裝藥戰斗部。游毓聰等[11]研究表明，在一定條件下，傾斜靶板與等效垂直靶板的抗穿甲能力相當。成麗蓉[12]等研究發現，裝藥彈體在侵徹多層靶板時，降低初始裝藥空隙率有利于提高裝藥的侵徹安全性。

本文在某型穿甲彈彈芯中加入含能破片，對反艦導彈戰斗部的破壞過程進行了仿真分析，對仿真結果和實際破壞效果進行了試驗驗證。

2 數值仿真

通過ANSYS Workbench建模劃分網格，用LS-DYNA求解器進行仿真計算。計算彈芯對反艦導彈戰斗部模擬靶的迎頭擊穿過程，得到穿透最后一層靶板后的剩余彈體質量以及對含能破片、炸藥裝藥作用的壓力曲線。

2.1 模型建立

本文研究的彈芯仿真模型如圖1所示，在彈芯尾部盲孔內裝填含能破片，忽略尾翼對計算結果的影響，模型從左至右分為3部分：風帽、鎢芯和含能破片。彈芯的直徑為d，長徑比為12。

反艦導彈戰斗部模擬靶仿真模型如圖2所示，模型從右至左依次是7層2A12鋁板、低碳鋼板和炸藥裝藥。其中，鋁板模擬戰斗部前端探測艙和控制艙的隔層，每層鋁板的厚度相對彈芯直徑為0.25d；鋼板模擬戰斗部殼體的頭部侵徹體，其等效厚度相對彈芯直徑為5d；炸藥裝藥的直徑相對彈芯直徑為20d，藥柱的高度為15d；炸藥裝藥的鋼制圓筒殼體和后端蓋的厚度為3d。為簡化計算，假設彈芯殘骸在完成對炸藥裝藥侵徹后剩余速度為0 m/s。

圖1 彈芯仿真模型示意圖

圖2 模擬靶仿真模型示意圖

彈芯模型和模擬靶模型采用Johnson-Cook本構模型。假設材料單元在塑性變形時存在損傷的積累，當損傷積累到臨界值時材料立刻破壞失效，此時對應的失效應變：

(1)

(2)

(3)

T*=(T-T0)/(Tm-T0)

(4)

式中，D1、D2、D3、D4、D5為材料參數，p*為沖擊壓力，σeff為等效應力，ε0為等效應變，T為環境溫度，T0為室溫，Tm為材料熔化溫度。

材料損失程度由損傷數表征，其表達式為：

(5)

當損傷數達到1時，材料失效破壞。

為描述固體在沖擊波高壓條件下的行為，在使用Johnson-Cook本構模型進行數值計算時，常常配合狀態方程一起使用。這里采用Mie-Grüneisen方程，其靜水壓Ps可表示為：

(6)

(7)

式中:μ為體應變，ρ0為初始密度，γ0為材料Grüneisen系數，E為單位體積內能，C0為聲速，S1、S2、S3為材料參數，其中常取S2=S3=0，a為γ0的一階體積導數。

根據文獻[13-16]，進行侵徹仿真計算時，可以采用鋁合金代替含能破片。風帽、2A12靶板和含能破片的材料方程參數如表1；彈芯鎢合金的方程參數分別如表2；低碳鋼靶板的方程參數分別如表3。由于本計算不考慮炸藥裝藥的爆炸情況，只取得彈靶作用過程中炸藥的壓力曲線，根據閾值判斷炸藥是否引爆，所以炸藥裝藥的材料方程參數就取與其等密度的尼龍的參數，如表4所示。

表1 鋁合金材料參數

表2 鎢合金材料參數

表3 低碳鋼材料參數

2.2 仿真結果

設置彈芯撞擊第一層鋁靶板時的速度為1 150 m/s，計算結果顯示，彈芯擊穿低碳鋼板后的剩余速度約為930 m/s，即彈骸和含能破片以該速度作用在炸藥裝藥上。在該過程中彈芯的形狀和速度變化情況分別如圖3和圖4所示。

在含能破片與炸藥裝藥內部分別取3個觀測點(見圖3(f))，得到含能破片與炸藥裝藥內部的沖擊壓力曲線，見圖5和圖6，可以發現炸藥內部的沖擊壓力略大于含能破片內部的沖擊壓力。在炸藥未受到彈丸撞擊時，內部壓力一直保持不變，當彈芯殘骸開始撞擊(T=1 400 μs)內部壓力出現一個跳躍的峰，在所取觀測點中最大峰值為2.315 GPa。含能破片由于隨彈芯擊穿多層靶板，內部的沖擊壓力值一直在大約0.25 GPa的區間跳動；彈芯在侵徹鋼靶板時速度銳減，含能破片受到自身慣性力和四周擠壓力的作用導致壓力升高；當彈芯殘骸穿出靶板后，載荷瞬間消失，含能破片和彈芯殘骸產生一定膨脹變形，材料內部出現負壓值；直到撞擊并沒入炸藥裝藥，含能破片內部出現了強烈的峰值；由于侵徹傾斜鋼靶板使得彈芯殘骸撞擊炸藥裝藥時的攻角很大，此時含能破片上偏向內側的觀測點處所受的沖擊力較大，壓力最大峰值為1.898 GPa。

圖3 彈芯的形狀變化示意圖

圖4 彈芯的速度曲線

圖5 炸藥裝藥內部沖擊波壓力曲線

2.3 引爆能量分析

作用在單位面炸藥上的能量E為彈芯殘骸撞擊產生的沖擊波能量E1與含能破片釋放出的化學能能E2之和。若E大于炸藥引爆的能量閾值，或者當彈芯殘骸和靶板塞塊作用于炸藥裝藥的沖擊波壓力大于臨界引爆壓力，則炸藥裝藥發生爆炸。

圖6 含能破片內部沖擊壓力曲線

H6炸藥的主要組成為黑索金、梯恩梯、鋁粉和添加劑，屬于鋁化的B炸藥。文獻[17]研究表明，常見炸藥的臨界引爆能量和臨界引爆壓力如表5所示。

表5 臨界引爆能量和臨界引爆壓力

根據James在Walker-Wasley工作提出的能量計算公式[18-19]，可表達為E1：

(8)

Dc=D0-2x[c2-(us-up)2]1/2/us

(9)

式中，P為炸藥加載壓力，up為壓縮區內粒子數度，us分別為壓縮沖擊波波度，c為受沖擊炸藥的聲速，n為與彈芯頭部形狀有關的系數，D0為彈芯原始直徑，x為被侵徹的炸藥殼體等效厚度。彈芯殘骸以930 m/s余速沖擊炸藥裝藥，產生沖擊能量約為99 J/cm2，但該沖擊能量不足以引爆炸藥裝藥[20]。

相比炸藥裝藥，含能破片發生釋能反應的沖擊能量和壓力閾值較低[21]，侵徹鋼板時的沖擊和擠壓足以激活其釋能反應，作用于屏蔽炸藥單位面積炸藥上的化學反應能E2為[22]：

(10)

式中，S2為含能破片釋放化學能的作用面積，mi為含能材料各組分質量，Ei為各組分化學反應釋放的能量。以Al/PTFE(50.8%/49.2%)含能破片為例，其密度為2.4 g/cm3，釋能反應能量密度為3.383 kJ/g。質量為2 g的含能破片在直徑30 cm的殼體內產生71 J/cm2的能量沖擊。雖然含能材料的釋能作用均不足以獨立引爆炸藥裝藥，但與彈芯殘骸的動能沖擊效果疊加后作用于單位面炸藥上的能量總和E超過了炸藥裝藥的臨界引爆能量。

3 模擬試驗

3.1 穿甲回收試驗

試驗目的是為驗證數值仿真結果，使仿真結果更加真實。試驗方法：使用彈道炮射擊脫殼穿甲彈，過程中測量彈芯在靶標距離處的余速，通過調整裝藥量使余速平均值約為1 150 m/s；撤除測速裝置，在預定位置設置靶標和回收水箱，使用水箱收集穿甲后的彈芯殘骸和靶板塞塊，記錄彈芯著靶速度和回收情況。由于彈芯擊穿傾斜鋼板后飛行軌跡偏離彈道直線，大概率擊穿水箱結構，增加回收難度和試驗成本，因此在本試驗中采用等效厚度的垂直鋼板制作回收水箱，如圖7所示。彈芯殘骸和靶板塞塊分別見圖8和圖9。

圖7 回收水箱圖

圖8 彈芯殘骸圖

圖9 靶板塞塊圖

根據極限穿甲深度公式、極限穿透速度公式和穿甲后剩余速度公式：

(11)

(12)

(13)

(14)

式中，d、lP、ρP、mP分別為彈芯的彈桿直徑、長度、密度和質量；B、ρB、σsB分別為靶板的厚度、密度和屈服極限；P、K、α分別為擊穿靶板的等效深度、符合系數和法向角；vc為彈芯侵徹靶板時的著靶速度。

雖然侵徹垂直靶板和傾斜靶板時彈芯的形變存在一定差異，但在彈芯特征、靶板特征和等效侵徹深度一致時，彈芯穿甲后的剩余速度(即動能)基本一致。因此，回收試驗結果在一定程度上可以為數值仿真提供參考。

3.2 迎頭毀傷模擬戰斗部試驗

試驗目的是測試含能破片對彈芯沖擊引爆模擬戰斗部的輔助效果。試驗方法：分別使裝填有含能破片的彈芯和未裝填含能破片的彈芯(二者之間質量差可忽略)以1 150 m/s的速度沖擊模擬戰斗部靶標(炮、靶距離與穿甲回收試驗的炮、靶距離保持一致，鋼板為傾斜靶)，戰斗部內裝填H6炸藥，檢查毀傷效果，如圖10所示。結果表明，裝填有含能破片的彈芯能夠引爆炸藥裝藥，引爆過程瞬間完成，雖然有部分未爆藥殘渣拋灑地面上，但殼體內部無殘藥，如圖11(a)所示；未裝填含能破片的彈芯僅能引燃炸藥裝藥，雖然能使戰斗部后端蓋解體，但仍有大部分裝藥留在殼體內部持續燃燒數分鐘，如圖11(b)所示。試驗結果表明，含能破片釋能作用對穿甲彈沖擊引爆屏蔽炸藥起到了助力效果，提高了對模擬戰斗部的毀傷效果。

圖10 導彈戰斗部模擬靶標的正面和背面

圖11 裝填含能破片和未裝填含能破片 導彈戰斗部模擬靶標

4 結論

對于反艦導彈、制導航彈等目標，通過在穿甲彈芯中裝填含能破片，將沖擊波能量和化學能共同作用于炸藥裝藥，可增加單位面上的輸入能量，降低炸藥引爆臨界條件對穿甲彈芯剩余動能的依賴程度，有利于提升現有火炮武器的作戰半徑和作戰效果。