反大壁厚鉆地彈展開式攔截戰斗部作用威力仿真研究

杜金益，何 勇，郭 磊，何 源，王傳婷，汪 恒

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

1 引言

隨著鉆地彈制導精度的提高和侵徹能力的增強，其在戰場上已經得到了廣泛應用。為了對抗此類大型重甲制導彈藥，保護我方重要的目標與設施，需要在保護點附近布置陸基抑或海基的攔截系統。目前，新型彈藥的攔截手段主要有破片攔截、動能桿攔截、多EFP攔截等。其中破片作為最常規的攔截戰斗部毀傷元得到了普遍應用，依靠殺爆戰斗部在爆炸作用下產生的高速破片場，加上爆炸沖擊波和爆轟產物作為副毀傷元對目標彈進行侵徹、點燃甚至引爆，但是無法對付大壁厚彈藥造成威脅；動能桿是指高密度(鎢等重金屬材料)、大質量的金屬桿，將其作為毀傷元，借助與目標彈之間的巨大相對速度來獲得充足的動能，從而穿透大壁厚防護層完成對目標彈的攔截摧毀，但是但對于空中彈幕交匯條件要求苛刻，美國非常熱衷于定向動能桿戰斗部的研究；多EFP戰斗部屬于展開式定向戰斗部，展開式定向戰斗部在識別目標方位后將戰斗部展開，展開完成后所有的毀傷元打擊方向都面向目標，然后毀傷元在主裝藥驅動下向目標飛散，起到定向殺傷作用；多EFP戰斗部是其中攔截效率與毀傷強度兼具的佼佼者，其大致分為2種類型。一種是在戰斗部的端部軸向布置多個藥型罩，針對這種結構模式，趙長嘯等研究了藥型罩結構參數和起爆方式對于彈丸成型的影響，初步得到了最優化結構設計結論；另一種則是沿著戰斗部側面周向排列多個藥型罩，例如李鵬等設計了一種偏心起爆多EFP戰斗部，并研究表明兩點偏心起爆對于提高周向多EFP戰斗部的毀傷效能十分有效。

將線性EFP與攔截彈相結合，用展開式戰斗部的方式對線性EFP取長補短，使得其能夠成為攔截彈對抗大壁厚靶目標的高效毀傷元。本文中提出了一種展開式戰斗部具有毀傷范圍大、侵徹能力強的特點，結合上引戰配合還具有定向毀傷的能力，可以將毀傷元更為集中地發散開來，能夠將彈藥的毀傷能運用得盡可能充分。本文中利用有限元軟件AUTODYN開展了EFP成型過程及攔截毀傷威力計算，分析了不同壁厚鋼板、不同類型靶后炸藥和緩沖層對于作用威力的影響，通過展開式戰斗部的方式將線性EFP作為攔截彈的毀傷元，既解決了傳統線性EFP裝藥形狀與成型尺寸難以協調普及的問題，也使得攔截彈的毀傷攔截效果得到了穩定成型、高速打擊、定向毀傷的加持。

2 戰斗部結構

本展開式攔截戰斗部是由一根中心柱和3支展開瓣組成的傘狀展開結構，在膛內時候，瓣體與中心柱貼合，為“閉合”狀態，如圖1所示。利用定心部和彈帶保證彈丸在膛內的正確運動，當地面雷達探測到目標時，火炮發射彈丸出炮口飛向目標，彈丸滿足動態旋轉穩定條件，當彈丸到達有效作用區域，引信作用，瓣體展開沿著彈底附近軸展開，如圖2所示。當展開到規定的角度時候，引爆3個獨立瓣體，如圖3所示。各獨立瓣體分別產生爆炸驅動彈丸(EFP)毀傷元，飛向目標產生作用。

圖1 戰斗部閉合狀態示意圖

圖2 戰斗部展開狀態示意圖

圖3 戰斗部單獨瓣體示意圖

針對該類展開式戰斗部，為避免膛內高過載和展開過程對彈體飛行產生的擾動，已有相應國防專利提出可以采用機械力預緊配合電磁鐵觸發的方式，使得展開機構盡可能地簡單，在高負載環境下足夠可靠，并減少其在展開過程中對于彈體姿態的干擾。本戰斗部將多枚線性EFP作為攔截靶目標的毀傷元有機地結合到一起，在解決了傳統線性EFP裝藥形狀與成型尺寸難以協調普及問題的同時，也兼顧了攔截面積和攔截效率。

3 EFP成型過程仿真

由于該戰斗部在膛內閉合狀態為半徑40～60 mm的圓筒，在出膛后以中心柱為軸分為3支瓣體傘狀徑向展開，又三瓣結構相同，起爆方式為中心線起爆，因此可以將EFP成型過程簡化為單支瓣體二維問題進行仿真研究。利用AUTODYN軟件，分為空氣(AIR)鋁制殼體(ALUMINUM)裝藥(HMX)高透無氧銅藥型罩(CU-OFHC)幾大部分，如表1表2設定材料參數后建模如圖4所示。整體采用歐拉網格(EULER)，設定邊界流出條件(FLOW OUT)，并設定中心點起爆。

表1 仿真材料參數

表2 藥形罩尺寸

圖4 線性EFP成型仿真建模型示意圖

線性EFP成型仿真截面隨時間變化如圖5所示。120 μs時彈丸形態幾乎不再變化，故取其為最終結果。長度約為30 mm,半徑約為8.5 mm，速度約為1 500 m/s。

圖5 線性EFP成型過程示意圖

4 EFP對等效目標靶作用過程仿真

國外相關深鉆地戰斗部的壁厚參數如表3所示。

表3 典型靶目標壁厚相關參數

利用AUTODYN軟件對上文成型的彈頭與下文建模的靶板進行流固耦合，設定材料侵蝕參數后建模如圖6所示。

圖6 線性EFP著靶仿真建模示意圖

靶板整體采用拉格朗日網格(LAGRANGE)，在50 mm厚的鋼板(STEEL 1006)后方放置TNT炸藥(TNTCASTJJ1)模擬靶目標彈，對靶板應用TRANSMIT邊界條件模擬為半無限靶。為了更好地得到仿真結果參數，在靶后TNT炸藥沿中心軸等距放置了4個觀測點以監視起爆過程，檢驗攔截彈頭是否對靶目標彈造成干擾，致使其提前觸發影響作戰效能。

在圖7可以看到靶后炸藥在EFP作用下的完整沖擊起爆過程：在140 μs時，彈丸對鋼質靶板進行開坑并持續侵徹，沖擊波向著靶后炸藥傳去；到150 μs時，靶后炸藥已受到明顯沖擊波作用；到160 μs時，靶后炸藥在沖擊波的作用下能量堆疊至起爆閾值，發生沖擊起爆；到170 μs時，靶后炸藥由于起爆發生明顯形變，并可以觀測到靶后炸藥爆炸產生的沖擊波傳到鋼質靶板中，表明起爆成功。

結合在TNT炸藥中并排設置的4個Gauge點，其壓力曲線如圖8所示，內能曲線如圖9所示。可以更清晰地觀測到靶板后方的TNT炸藥先是在線性EFP的沖擊下受壓內能積攢至臨界點從而出現一個小的上升沿，接著有一個明顯的沖擊起爆迅速放能曲線，這說明本戰斗部確實對目標彈藥實現了攔截干擾性質的沖擊起爆。

圖7 對于50 mm鋼板(左)靶后TNT炸藥(右) 作用仿真云圖

圖8 TNT炸藥壓力曲線

圖9 TNT炸藥內能曲線

5 EFP對于靶后炸藥作用的影響規律

仿真設置了30 mm、50 mm、70 mm共3組不同壁厚的目標靶進行對照，從內能曲線的迅速放能如圖10所示可以得知，3組目標靶均被成功攔截沖擊起爆。將3組曲線進行對比，主要區別在于下降沿前的內能積攢階段，30 mm組曲線以最快的速度到達起爆內能臨界點，150 μs時已處于整條內能曲線上升沿的頂點，而越厚的靶板其到達臨界點的曲線就越平緩，歷時越長。在70 mm組的曲線中整個上升沿已經顯得十分趨平，這就意味著同樣的EFP彈丸對于再厚一些的靶目標可能就難以使其積攢內能至臨界點觸發沖擊起爆。

因為炸藥自身的性質差異，其受沖擊起爆的內能曲線與壓力曲線也有所不同如圖11所示，TNT在機械沖擊感度上低于B炸藥，故其在內能積攢階段的上升沿就更平緩；同時又因為B炸藥的威力和猛度高于TNT，所以在放能階段的下降沿會顯得更為劇烈更為波動。故可嘗試得出結論炸藥的感度差異會體現在能量積攢階段上升沿，炸藥的威力猛度差異會體現在放能階段下降沿。

圖10 3種壁厚靶后炸藥內能曲線(左)與壓力曲線(右)

圖11 2種靶后炸藥內能曲線(左)與壓力曲線(右)

緩沖層結構對于沖擊起爆的影響十分大，在圖12中給出了對于30 mm鋼板加5 mm橡膠緩沖層的靶后TNT炸藥作用仿真過程，我們可以看出最后TNT炸藥得以實現沖擊起爆，于是進行了加厚橡膠緩沖層的對照仿真得到了圖13中的4組內能壓力曲線，從中可以看出，無橡膠、5 mm橡膠、10 mm橡膠都能通過能量積攢階段使上升沿達到起爆閾值，然后出現明顯的放能階段下降沿，這表明這幾種緩沖層設置都順利沖擊起爆，但是隨著繼續增厚橡膠緩沖層，到20 mm厚時發現橡膠緩沖層會導致靶后炸藥在內能積攢上升過程出現平臺段，在此期間彈頭侵徹打擊消耗的能量被緩沖層稀釋振蕩發散出去，無法轉化為靶后炸藥的內能，致使最后的能量積攢不足以抵達炸藥的起爆臨界點，未能實現沖擊起爆。與前文仿真圖像進行比較，一定厚度的緩沖層比起加厚同等厚度的鋼板更能降低沖擊起爆的可能性。

圖12 對于30 mm鋼板加5 mm橡膠(左)靶后TNT炸藥(右)作用仿真云圖

圖13 4種緩沖層對照仿真內能曲線(左)與壓力曲線(右)

6 結論

1) 所設計的反大壁厚鉆地彈展開式攔截戰斗部運用多EFP作為毀傷元，成型結構與速度俱佳，能夠對70 mm厚鋼板靶后TNT炸藥造成沖擊起爆。

2) 靶板厚度增加會使得靶后炸藥內能積攢至起爆臨界點的速度減緩直至不足以起爆；對于TNT和B炸藥2種不同類型的靶后炸藥EFP都能以相同的方式進行沖擊起爆，充能與放能的速率取決于炸藥本身的化學性質；緩沖層對于沖擊起爆的影響很大，能夠在靶后炸藥積攢內能的過程中通過彈性材料吸收沖擊能量并振蕩發散出去造成在內能上升過程出現平臺段，使靶后炸藥受EFP作用的影響與沖擊起爆的可能性降低。