雙獨立聚能裝藥同步形成雙EFP的隔爆因素研究

彭登榜，郭 淳，郭尚生，錢建平

(1.南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094； 2.遼沈工業集團有限公司產品研發中心， 沈陽 110045)

1 引言

爆炸成型彈丸(EFP)是近幾十年在聚能裝藥的基礎上通過改變藥型罩的錐角而發展起來的新型毀傷模式，它利用炸藥爆轟壓垮藥型罩自鑄成一個結構穩定的彈丸，通過其動能摧毀目標[1-3]。EFP具有對炸高不敏感，飛行穩定，精度高，威力大等特點，單EFP有一定的侵徹能力，對某些輕型裝甲目標有非常好的毀傷效果[4-7]。但是在防空反導的情況下，來襲導彈的戰斗部裝藥大多使用不敏感藥，單EFP可以穿透戰斗部的殼體和裝藥，但是不能引爆來襲導彈的裝藥，而這樣的導彈依舊具有打擊目標的能力[8-9]。因此，單個聚能裝藥就不能從實質意義上完成防空反導的任務[10-11]。為了保證彈藥對來襲導彈戰斗部實現沖擊起爆的目的，本研究中提出了雙獨立聚能裝藥的方案，即兩個獨立的聚能裝藥通過一個隔爆結構組合到一起，這樣就使得雙獨立聚能裝藥同步形成的雙EFP能夠對目標序貫侵徹，達到累積毀傷的效果[12]。Richard Fong等[13]設計了可同步形成大密集度彈丸的軸向變罩式MEFP。Saroha等[14]對單點起爆的整體式多爆炸成型彈丸進行了威力試驗研究。李文彬等[9]對整體式MEFP的結構參數和起爆方式的關系做了相關研究。陳闖等[15]研究了排布角對彈丸速度，形狀以及飛散角的影響。由于兩個裝藥之間的間距和起爆時間差等因素會大大地影響雙EFP的成形，導致雙聚能裝藥的侵徹威力下降。本研究將圍繞上述兩個因素，通過仿真和試驗相互論證的方式來闡述這兩個因素對此方案的影響。

2 有限元模型

如圖1所示，此結構為2個獨立的聚能裝藥嵌入一個合理設計的圓柱底座中，將嵌入裝藥的孔傾斜一個角度α=4°，2個裝藥的中軸線與底座中軸線在同一平面上。其中，每個聚能裝藥口徑為40 mm，裝藥為8701炸藥，藥型罩是材料為鋼質的等壁厚球缺形結構，隔爆體的材料為酚醛樹脂[16]。

圖1 雙獨立聚能裝藥結構示意圖

為了定量地研究雙聚能裝藥隔爆效果，本研究擬采用AUTODYN仿真軟件的拉格朗日算法對其前半段成型過程進行模擬分析。模型以Z=0平面對稱，采用1/2模型，網格劃分以及高斯點的布置如圖2所示，其中1～5號高斯點均勻分布在滯后起爆裝藥的藥型罩罩頂上，6～10號分布在滯后起爆裝藥最先受到沖擊波影響的側壁上。2個裝藥對應炸點的距離分別為63 mm、68 mm和73 mm；起爆時間間隔為0 μs、1 μs、2 μs、3 μs和4 μs，其中左側炸點為滯后起爆炸點。表1為仿真計算中采用的材料模型。

圖2 網格劃分，高斯點和炸點分布示意圖

表1 仿真計算中采用的材料模型Table 1 The material model used in simulation calculation

3 裝藥間距對隔爆的影響

表2為8701炸藥模型參數，表3為起爆時間間隔為4 μs時不同裝藥間距的應力值。圖3中分別為裝藥間距 68 mm和起爆間隔4 μs條件下5 μs、5.5 μs和6 μs時刻的應力云圖，圖3中顯示6～10號高斯點第一波應力值的提升是因為右側裝藥的沖擊波的影響，這就對應了圖4中應力曲線在5 μs之后有一個急速的提升，在短暫下降之后，又經歷一段更大幅度的提升。經分析，第一段應力值的上升是由于先發裝藥的沖擊波經過隔爆材料作用到滯后裝藥上引起的，第二段應力值的上升是由滯后裝藥爆炸產生的，滯后裝藥的沖擊波不會在隔爆材料中衰減，因此第二段壓力增加值明顯高于第一段。

表2 8701炸藥模型參數Table 2 The 8701 explosive model parameters

表3 起爆時間間隔為4 μs時不同裝藥間距的應力值

圖3 裝藥間距68 mm和起爆間隔4 μs時不同時刻對應的云圖

圖4 裝藥間距68 mm，起爆間隔4μs下6～10號的應力曲線

因此，可以通過研究對應高斯點第一段漲幅應力的峰值來判斷隔爆能力是否可行，第一段應力峰值越小則可以說明在此種情況下的隔爆能力越好。其中6～10號對應點的應力值顯示出① 68 mm裝藥間距的應力值的相對于73 mm的平均超出了3%；② 63 mm裝藥間距的應力值的相對于 73 mm的平均超出了24.52%。

如圖5所示為裝藥間距分別為63 mm、68 mm和73 mm在4 μs起爆時間間隔下6～10號高斯點的應力曲線，在圖中可以清楚地發現：① 當聚能裝藥距離在73 mm時，其隔爆能力明顯優于63 mm和68 mm的；② 隨著聚能裝藥距離的增大，隔爆能力的變化并不大，這說明由于彈藥整體徑向尺寸的限制，子裝藥距離只需要保持一個合理的距離即可，這樣既可以保證隔爆要求，也可以避免尺寸的限制。

圖5 起爆間隔4 μs時不同裝藥間距下6～10號的應力曲線

4 起爆時差對隔爆的影響

如圖6所示，6.5 μs時右側裝藥的沖擊波開始在左側裝藥的沖擊波中疊加；8 μs時右側裝藥的沖擊波開始影響左側藥型罩；9 μs時疊加的沖擊波在藥型罩上穿透過一部分透射波和反射一部分稀疏波，左側藥型罩的左側應力明顯高于左側藥型罩右側。如圖7所示，7 μs時左側裝藥的沖擊波即將作用到藥型罩；7.5 μs時左側裝藥的沖擊波幾乎完全作用于藥型罩，但是由于右側裝藥的沖擊波經過隔爆材料傳播之后，在8 μs時刻后才能作用于左側藥型罩，此時右側裝藥的沖擊波沒有與左側裝藥的沖擊波疊加，對左側藥型罩的影響較小。如圖8所示，2 μs起爆時間間隔下的右側裝藥沖擊波更加滯后于左側裝藥的沖擊波，對左側藥型罩的影響比3 μs起爆時間間隔的更小。

圖6 裝藥間距73 mm，時間間隔4 μs時不同時刻的云圖

圖7 裝藥間距73 mm，時間間隔3 μs時不同時刻的云圖

圖8 裝藥間距73 mm，時間間隔2 μs時不同時刻的云圖

為了研究起爆間隔時間對滯后成型彈丸的影響，總結一個臨界起爆時間間隔，分析了在裝藥間隔73 mm條件下，起爆時間間隔分別為2 μs、3 μs和4 μs 時的罩頂應力。如表4和圖9所示：① 當起爆時間間隔為2 μs時，1，5和2，4應力的比值分別為1.08∶1和1.09，都較為接近1∶1，EFP成型均勻；② 當起爆時間間隔為3 μs時，1，5和2，4應力的比值分別為1∶1.12和1.1∶1，也較為接近1∶1，EFP成型均勻；③ 當起爆時間間隔為4 μs時，1，5和2，4應力的比值分別為2.57∶1和1∶1.12，滯后起爆的EFP裙邊一側會被過度壓垮，導致EFP成型不均勻無法滿足要求。因此，為了保證EFP正常成型，裝藥的起爆時間間隔應該保證在3 μs以內。

表4 裝藥間隔73 mm時不同起爆時間間隔的罩頂應力值

圖9 裝藥間隔73 mm時不同起爆時間間隔的6～10高斯點應力曲線

5 試驗

為驗證雙獨立聚能裝藥能否按照預期正常起爆產生雙EFP，對其進行地面靜爆打靶試驗。該裝置采用PVC管支撐帶有2個獨立聚能裝藥的酚醛樹脂材料底座，使得底座與靶板同軸線。

圖10 試驗現場布置圖

采用火雷管起爆時，檢查靶板發現只有1個穿孔，如圖11所示；而在同一試驗裝置下，采用起爆時間間隔更小的電雷管起爆時，靶板有區分較為明顯的2個孔洞，如圖12所示。

圖11 火雷管起爆2個聚能裝藥單EFP侵徹后的靶板

圖12 電雷管起爆2個聚能裝藥雙EFP侵徹后的靶板

火雷管的起爆時差是毫秒級的，而電雷管的起爆時差在微秒級，電雷管是起爆精度更高的裝置，它甚至可以達到同時起爆的效果。上述試驗現象說明雙獨立聚能裝藥在毫秒級的起爆時差下會使得滯后起爆裝藥受到先發起爆裝藥沖擊波的影響而導致殉爆，從而滯后裝藥無法正常起爆，這也就驗證了3的結論，即起爆時間間隔要控制在3 μs以內。

6 結論

1) 68 mm裝藥間距的應力值相對于73 mm的平均超出了3%；63 mm裝藥間距的應力值的相對于73 mm的平均超出了24.52%。裝藥間距越大，隔爆效果越好，但是隨著裝藥間距的增大，隔爆效果不明顯，因此在確保彈藥整體尺寸的情況下應該盡量選擇大的裝藥間距。

2) 起爆時間間隔在4 μs時，左側EFP成型過程中裙邊應力比值高達2.57∶1，導致左側EFP的結構不對稱，無法形成合格的雙EFP。起爆時間間隔為2 μs或3 μs時，EFP成型過程中裙邊應力比值接近1∶1，能夠形成合格的雙EFP。為保證雙獨立聚能裝藥的同步成形，起爆時間間隔應該控制在3 μs以內。