裝藥結構對引爆運動厚殼裝藥影響的仿真研究

宋永彬，陳思敏，賈 鑫，黃正祥

(1.一重集團(黑龍江)專項裝備科技有限公司 專項裝備研究所，遼寧 大連 116031； 2.南京理工大學，南京 210094)

1 引言

在現代戰爭中，末段反導作為保護己方目標免受導彈襲擊的最后一道屏障，對于如深侵徹鉆地彈型堅固類導彈，要實現攔截目的，必須引爆戰斗部使其完全解體。傳統反導戰斗部如聚焦破片戰斗部、動能桿式戰斗部和MEFP戰斗部等僅針對薄壁結構目標，但對于如GBU-57(壁厚大于100 mm)等大壁厚目標無法有效攔截[1-3]。由于聚能射流具有高溫、高速、侵徹能力強、能量密度高等優點，可穿透大壁厚殼體并引爆其內部裝藥，因此可以作為反堅固類導彈的一種有效手段[4-5]。

目前，對于聚能射流沖擊起爆帶殼裝藥的問題國內外學者已進行了大量的研究，但射流沖擊起爆裝藥多是在靜態、無殼或薄殼條件下進行的，對于運動厚壁帶殼裝藥的研究相對較少。Held等[6-7]采用聚能射流對不同間隙寬度和蓋板材料下的靜止無殼炸藥進行了沖擊起爆試驗。Arnold等[8]采用不同裝藥直徑的聚能射流對靜止狀態下的薄殼炸藥進行沖擊起爆實驗并提出了新的起爆準則。宋乙丹等人對2種靜止狀態下的壓裝無殼PBX炸藥進行了射流沖擊起爆試驗，得到了臨界起爆閾值[9]。陳思敏等[10]對帶蓋板有限厚無殼炸藥進行射流沖擊起爆實驗，得到了炸藥起爆閾值隨炸藥厚度的變化關系。趙聘等[11]對被加熱的RDX含鋁炸藥進行了射流沖擊起爆研究，發現RDX含鋁炸藥溫度對前驅沖擊波起爆炸藥有很大影響。趙庚等[12]對桿式射流沖擊起爆運動厚壁帶殼裝藥進行了仿真模擬研究，發現彈目追趕交匯要比迎頭交匯時更容易引爆目標裝藥。

本文對不同結構聚能裝藥沖擊起爆運動厚壁裝藥進行了仿真計算，分析了不同結構所形成射流的侵徹能力以及引爆能力，同時還分析了著靶角對沖擊起爆的影響。研究結果可為反導戰斗部的設計提供一定參考依據。

2 仿真模型建立

2.1 模型參數

本文所采用的3種聚能裝藥結構分別為K裝藥結構、雙錐結構和單錐結構，如圖1所示。仿真中3種聚能裝藥結構的直徑都為66 mm，炸高為158 mm。其中K裝藥曲率半徑為100 mm，偏心距為53 mm，壁厚1.4 mm；單錐結構錐角為50°，壁厚0.9 mm；雙錐結構小錐角38°，大錐角62°，壁厚1 mm。等效外殼厚度為120 mm，炸藥厚度為30 mm，等效外殼和等效導彈裝藥的橫向運動速度為500 m/s。建立二分之一模型，單位制采用cm-g-μs，有限元計算模型如圖2所示。

圖1 裝藥結構示意圖Fig.1 Charge structure

圖2 有限元模型示意圖

2.2 材料參數

仿真計算中，炸藥、藥型罩、隔板和空氣采用歐拉算法，等效外殼和等效裝藥采用拉格朗日算法，通過流固耦合算法進行計算。聚能裝藥中的炸藥為JH-2炸藥，隔板材料為酚醛樹脂，藥型罩為紫銅，等效外殼材料為50SiMnVB，等效導彈裝藥為B炸藥。JH-2炸藥采用JWL狀態方程描述反應過程，如表1所示[13]。酚醛樹脂采用MAT ELASTIC PLASTIC HYDRO模型，相關參數如表2所示[14]。藥型罩材料和等效外殼采用JOHNSON-COOK模型，參數如表3所示[10，15]。B炸藥采用三項式點火增長模型描述[16]，參數如表4所示。

表1 JH-2炸藥的C-J參數及JWL狀態方程參數

表2 酚醛樹脂的材料參數

表3 藥型罩和殼體材料參數

表4 B炸藥參數

2.3 網格劃分

仿真模型中中心位置處網格為邊緣網格的1/2，軸向網格與徑向邊緣網格大小相同。以K裝藥結構為例，選取中心網格大小0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm進行計算，如圖3所示，相應的仿真結果如圖4所示。

圖3 仿真網格示意圖

圖4 不同網格的射流速度分布云圖

仿真得到的射流頭部速度分為6 023 m/s、5 713 m/s和5 463 m/s。從結果中可以看出仿真結果相差不大，網格收斂性好，因此本文中仿真的網格尺寸采用0.6 mm。

3 仿真結果分析

3.1 K裝藥結構

炸高158 mm時 K裝藥結構仿真結果如圖5所示。到達等效導彈外殼時，射流頭部速度為v=5 713 m/s，射流頭部直徑為d=2.8 mm。88 μs時，射流剩余頭部速度vr=2 487 m/s，由于等效外殼的橫向干擾，射流無法繼續侵徹，此時的開坑直徑為29.6 mm，侵徹通道底部直徑為6.6 mm，侵徹深度P=48.6 mm，因此垂直條件下K結構裝藥所形成射流無法穿透外殼并引爆裝藥。

圖5 K裝藥垂直侵徹仿真結果云圖

3.2 雙錐結構

雙錐結構裝藥仿真結果如圖6所示。到達等效導彈外殼時，射流頭部速度為v=10 780 m/s，射流頭部直徑為d=0.9 mm。84 μs時，射流剩余頭部速度vr=2 724 m/s，射流受到明顯干擾無法繼續侵徹，此時的開坑直徑為73.3 mm，侵徹通道底部直徑為9.6 mm，侵徹深度P=100.4 mm，因此雙錐結構裝藥所形成射流無法穿透外殼并引爆裝藥。

3.3 單錐結構

單錐結構裝藥仿真結果如圖7所示。到達等效導彈外殼時射流頭部速度為v=10 590 m/s，射流頭部直徑為d=1.4 mm。94 μs時射流基本穿透外殼，此時剩余頭部速度vr=2 162 m/s。98 μs時炸藥內最大壓力為38.7 GPa，因此單錐結構裝藥所形成射流可以穿透外殼并引爆裝藥。

圖6 雙錐結構裝藥仿真結果云圖

圖7 單錐結構裝藥仿真結果云圖

表5為3種結構裝藥仿真結果，從表5可以看出，K裝藥所形成的射流頭部速度最低，射流直徑最大，但侵徹深度低。雙錐結構裝藥射流頭部速度略高于單錐結構，但射流直徑小于單錐結構，同時雙錐結構所形成射流侵徹深度小于單錐結構。結果表明：射流的動態侵徹能力主要受到射流頭部速度的影響，但同時射流直徑也會影響到射流動態侵徹能力。在3種裝藥結構中單錐結構裝藥動態侵徹能力最強，可以穿透并引爆內部裝藥。

表5 3種裝藥仿真結果

4 著靶角影響分析

采用單錐結構裝藥，對不同著靶角下的射流侵徹及引爆結果進行分析。其中著靶角為β，相向傾斜為正，同向傾斜為負，如圖8所示。對著靶角β=10°，β=5°，β=0°，β=-5°，β=-10°，β=-15°進行仿真計算，計算結果如圖9所示。從圖9可以看出，射流在-15°～5°穿透并引爆裝藥。

圖8 射流著靶角示意圖

圖9 不同著靶角的仿真結果云圖

射流穿透等效外殼后的剩余射流頭部速度和射流直徑隨著靶角的變化如圖10所示，從圖10可以明顯看出，隨著著靶角的增加，穿透后的剩余射流頭部速度減小，射流直徑在增加。圖11為剩余射流的刺激強度K(v2d)隨射流著靶角β的變化。B炸藥的臨界起爆閾值為16 mm3·μs-2[17]，仿真計算得到在-15°～5°著靶角范圍內的剩余射流刺激強度都大于臨界起爆閾值且仿真中炸藥都被引爆，因此仿真結果合理。結果表明：隨著著靶角β的增加，剩余射流的起爆能力增加，因此同向傾斜比相向傾斜更易穿透殼體并引爆內部裝藥。

圖10 剩余射流頭部速度和直徑隨靶角的變化曲線

圖11 剩余射流的刺激強度隨靶角的變化曲線

5 結論

K裝藥、雙錐和單錐3種結構的裝藥中，單錐形成的射流可以穿透殼體并引爆內部裝藥，K裝藥形成的射流由于射流頭部速度太低無法穿透外殼，雙錐結構裝藥由于射流頭部直徑太小無法穿透殼體。

射流的動態侵徹能力主要受射流頭部速度的影響，射流頭部速度越大，對運動靶板的侵徹能力越強，同時射流的動態侵徹能力還明顯受射流直徑的影響。射流在同向傾斜條件下比相向傾斜更易穿透殼體引爆內部裝藥。隨著著靶角的增加，射流穿透厚壁外殼后的剩余速度和起爆能力降低。