破甲隨進殺傷戰斗部威力性能研究

王守仁，任曉鵬，楊 麗，張 銀，李 杰，付建平，陳智剛

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室， 太原 030051； 3.晉西工業集團有限責任公司， 太原 030000； 4.山西江陽化工有限公司， 太原 030051)

1 引言

巡飛彈作為一種將無人機技術和導彈技術相結合的新型武器彈藥，其戰斗部是對目標實現終點毀傷的核心部件，戰斗部毀傷效率決定著巡飛彈的作戰效能。為了更高效地利用戰斗部爆轟產生的能量，適應日益復雜的戰場情況，近年來，針對復合毀傷戰斗部的研究逐漸增多。張俊等通過在聚能戰斗部周向裝填預制破片，提出了一種破甲/周向預制破片的復合戰斗部結構，并仿真分析了該結構下EFP的成型性能與破片場的殺傷威力；李松楠、韓文斌等在張俊的研究基礎上，研究分析了起爆點位置、藥型罩錐角對破片飛散的影響；龔柏林等提出了一種能夠在中心區域形成EFP，外環為預制破片群的復合戰斗部結構；趙飛揚等設計了一種將預制破片與整體式多爆炸成型彈丸結合的組合式毀傷結構戰斗部，并對其成型過程進行數值模擬。但針對提高破甲戰斗部靶后殺傷威力的相關研究卻較少。

本文在某型破甲/周向破片多功能戰斗部的基礎上，為某型巡飛彈設計了一種新型破甲隨進殺傷戰斗部結構，以提高破甲戰斗部的靶后毀傷能力，并利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件研究隨進破片直徑、數量對隨進破片殺傷威力的影響，并通過試驗驗證了仿真結果的準確性。

2 戰斗部結構及仿真模型建立

戰斗部結構如圖1所示，由戰斗部殼體、周向破片、傳爆藥、炸藥、藥形罩和隨進破片組成，藥形罩選用偏心球缺結構。戰斗部主要參數有：裝藥直徑53 mm，裝藥高度63.6 mm，罩厚為1.5 mm，曲率半徑98.5 mm，殼體厚1.5 mm，周向破片直徑3 mm，并在藥形罩下邊緣粘附不同尺寸的隨進破片。靶板厚80 mm，炸高為120 mm。

利用TrueGrid軟件建立有限元模型，如圖2所示，所有單元均為8節點6面體實體單元。由于隨進破片沿軸線飛行的不確定性，因此選用全模型進行仿真計算。采用ALE算法，其中，炸藥、藥形罩及空氣為Euler網格，殼體、預制破片及靶板為Lagrange網格。為避免邊界效應，空氣域外邊界設置為非反射邊界用以模仿無限空氣域。計算采用cm-g-μs單位制。

圖1 戰斗部結構示意圖

圖2 有限元模型示意圖

炸藥采用8701裝藥，用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和EOS_JWL狀態方程來描述，具體參數如表1所示。藥型罩采用紫銅，用MAT_JOHNSON_COOK本構模型和EOS_GRUNEISEN狀態方程來描述，具體參數如表2所示。靶板采用45#鋼，破片為鎢合金材料，靶板和破片均用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型來描述，具體參數如表3所示。空氣介質采用MAT_NULL材料模型。

表1 8701裝藥模型參數

表2 紫銅模型參數

表3 鎢合金和45#鋼模型參數

3 結果分析

3.1 破甲隨進毀傷元的形成

以藥型罩下邊緣粘附12枚直徑2.6 mm的隨進破片為例，破甲隨進殺傷毀傷元成型過程如圖3所示，藥型罩在爆轟壓力作用下被壓垮，并在中心發生相互碰撞、擠壓，在 40 μs 時形成髙速射流侵徹體，頭部速度達到4 000 m/s，杵體部分速度為1 145 m/s；因在藥形罩下邊緣均勻粘附了球形隨進破片，爆轟波加載在藥形罩上的壓力存在差異，與球形破片接觸的藥形罩部分所受的爆轟壓力相對較小，最終形成與破片數對應的尾裙；隨進破片在射流尾裙的包裹帶動下往靶后運動；射流在靶板上的開孔直徑為20.8 mm，出孔直徑為16.1 mm。

圖3 破甲隨進殺傷戰斗部射流成型過程示意圖

預制破片隨進靶板過程如圖4所示，破片在爆轟壓力、射流尾裙及射流杵體的復合作用下，在靶前完成一次匯聚，96 μs時破片與靶板漏斗坑(由射流尾裙撞擊靶板形成)摩擦減速并二次匯聚，最終在靶后形成一束高速、高密集度的破片群。

3.2 隨進破片對射流侵徹威力的影響

為進一步探究隨進破片對聚能射流侵徹能力的影響，本文在基準彈基礎上設計了5種方案，如表4所示。為對比隨進破片數量對射流侵徹威力的影響，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在藥型罩下邊緣分別粘附14、28、42枚直徑2.6 mm的隨進破片。方案Ⅳ、Ⅴ在方案Ⅰ基礎上破片數量不變，破片直徑增大至2.8 mm和3 mm，可以對比分析破片直徑對射流侵徹能力的影響。各方案對45#鋼的極限穿深情況與靶前射流能量變化情況如圖5所示。

圖4 軸向預制破片隨進靶板過程云圖

表4 各方案破片參數

圖5 射流侵徹能力隨破片參數變化曲線

由圖5可以看出，隨進破片數量相較于破片直徑，對聚能射流的極限穿深和靶前能量影響大，方案Ⅲ射流對45#鋼的極限穿深較基準彈降低了1.8%；隨進破片直徑對射流侵徹能力的影響較小，方案Ⅴ射流對45#鋼的極限穿深較基準彈降低了0.6%；這說明隨進破片對聚能射流侵徹能力的影響較小。

3.3 破片直徑對靶后殺傷威力的影響

隨進破片的直徑對毀傷威力有著重要影響，對于同一厚度的靶板，破片的直徑越大，穿透靶板所需的速度越小，但由于爆轟壓力給予預制破片的向軸向匯聚的分力有限，破片直徑過大，會導致匯聚作用不足，預制破片無法隨進至靶后，對靶后目標不能造成有效毀傷。基于上述問題，計算并分析直徑為2.6 mm、2.8 mm、3 mm的鎢破片在靶后的平均比動能，得出最優直徑。

3種直徑破片的平均速度、比動能曲線分別如圖6、圖7所示，9～40 μs時3種破片在爆轟波的作用下進行加速運動；φ2.6 mm破片在40～85 μs時被射流尾裙包裹帶動繼續加速，85 μs時與靶板漏斗坑摩擦減速并二次匯聚；φ2.8 mm破片在40～112 μs時位于射流尾裙與杵體之間基本保持勻速運動，112 μs時破片與靶板漏斗坑摩擦減速并二次匯聚，135 μs時射流杵體與破片碰撞并帶動破片短暫加速；而φ3 mm破片因質量較大在射流形成后一直位于杵體之后，并于119 μs時與靶板漏斗坑摩擦減速并二次匯聚，并在175 μs時速度趨于穩定。

圖6 3種直徑破片平均速度隨時間變化曲線

圖7 3種直徑破片比動能隨時間變化曲線

260 μs時，φ2.6 mm、φ2.8 mm、φ3 mm破片靶后速度分別為843 m/s、694m/s、385m/s，φ2.6 mm破片速度比φ2.8 mm破片提高21.5%、比φ3 mm破片提高119%；φ2.6 mm、φ2.8 mm、φ3 mm破片平均比動能分別為1 087 J/cm、791 J/cm、261 J/cm，φ2.6 mm破片平均比動能比φ2.8 mm破片提高37.4%、比φ3 mm破片提高316.5%。由此可見，φ2.6 mm隨進破片較其他2種破片有更好的靶后殺傷威力。

3.4 破片數量對靶后殺傷威力的影響

戰斗部在對給定目標進行打擊時，除了要保證破片有足夠的比動能外，還需要充足的破片數來保證對目標關鍵位置的高命中毀傷概率。為研究隨進破片數量與其靶后殺傷威力之間的關系，仿真計算了不同數量隨進破片的靶后平均速度變化規律，其中方案A、B、C、D分別代表在藥型罩下邊緣粘附10、12、14、16個φ2.6 mm預制破片，結果如圖8所示。

圖8 各方案破片平均速度隨時間變化曲線

260 μs時，4種方案的平均速度分別為：869 m/s、844 m/s、790 m/s、680 m/s。比較4種方案的速度分布情況，可以看出，破片數目對隨進破片靶后速度的影響較大，隨著破片數量的增多，50～100 μs時射流尾裙對隨進破片速度的增益越來越弱，且在260 μs時破片靶后平均速度隨數量增加呈遞減趨勢。其中方案C最大破片速度為811 m/s，最小破片速度為744 m/s；而方案D破片在匯聚過程中，由于數量過多，導致其中2個破片匯聚不足，與靶板摩擦減速，靶后速度剩余149 m/s和236 m/s。

根據人體殺傷比動能標準，=160 J/cm，計算得φ2.6 mm鎢球破片對人體目標的有效殺傷速度最小值為324 m/s。由此可知，在藥型罩下邊緣放置14個φ2.6 mm破片與本文中藥形罩匹配較好，靶后有效破片數量多，在此基礎上增加隨進破片數量，會導致戰斗部靶后殺傷能力降低。

4 試驗

為驗證數值模擬的可靠性，進行了靜破甲試驗，場地布置如圖9所示，試驗戰斗部結構如上文所述，戰斗部中心距地面高度300 mm，炸高120 mm，在鋼靶正后方600 mm處布置了800 mm×600 mm×25 mm的松木后效靶，方案1為基準戰斗部，無隨進破片，方案2戰斗部選用14個φ2.6 mm鎢球隨進破片。

圖9 試驗場地布置圖

試驗回收的鋼靶、后效靶如圖10～圖13所示。方案1戰斗部對45#鋼靶侵徹入口為21 mm，出口孔徑為16 mm，后效靶共有11個穿孔，其中大孔1個，小孔10個；方案2戰斗部對45#鋼靶侵徹入孔孔徑為20.3 mm，出孔孔徑為15.4 mm，對后效靶共造成22個穿孔，其中4個大孔，18個小孔。由試驗可以看出，隨進破片有效增強了破甲戰斗部的靶后殺傷威力，與數值仿真結果基本一致。

圖10 方案1回收鋼靶圖

圖11 方案2回收鋼靶圖

圖12 方案1回收后效靶圖

圖13 方案2回收后效靶圖

5 結論

通過數值模擬和試驗，可以得出如下結論：

1) 在藥型罩下邊緣放置球形破片，可在聚能射流成型的同時，形成可隨進至靶后且具有較高初速的破片群，增加了聚能戰斗部對靶后目標的毀傷威力；且隨進破片對聚能射流侵徹能力的影響較小。

2) φ2.6 mm隨進破片平均比動能比φ2.8 mm破片提高37.4%、比φ3 mm破片提高316.5%，具有更好的靶后殺傷威力；在藥型罩下邊緣粘附14個φ2.6 mm破片，靶后有效破片數多，與藥型罩結構匹配性較好。

3) 試驗結果與仿真結果基本一致，證明了隨進破片對聚能戰斗部的軸向毀傷增強效應。