組合式MEFP成型及對典型無人機的侵徹性能

朱斐宇,姜春蘭

(北京理工大學， 北京 100081)

1 引言

迄今為止的戰爭中可以發現，無人機在戰場上的作用越來越大，無人機能夠有效減少自身戰斗人員的傷亡，并且具有很強的經濟性，使得無人機越來越受到世界各國的青睞，因此各國對無人機的防范也越來越急迫。

以往采用的是單一的爆炸成型彈丸(explosive formed projectile,EFP)戰斗部進行攻擊，不可能產生一個攻擊區域，沒有辦法適應現代戰爭。但是當采用的是多爆炸成型彈丸(multiple explosively formed projectile,MEFP)戰斗部時，就可以對攻擊目標造成大面積的毀傷，大大提高了武器系統的毀傷能力，將傳統的密集型速射武器與MEFP戰斗部進行結合，形成新型反無人機的彈炮結合的武器系統，該武器系統通過發射多爆炸成型彈丸來對付來自無人機的威脅。本文中，通過Creo 2.0進行建模，Hypermesh賦予網格，利用ANSYS/LS-DYNA，通過改變影響MEFP戰斗部成型的因素，對典型無人機等效靶的侵徹性能進行了數值分析。

2 戰斗部結構與典型無人機靶板的建立

2.1 戰斗部結構的設計

戰斗部網格結構截面圖如圖1所示，MEFP戰斗部網格結構圖如圖2所示。軸向組合式MEFP戰斗部組成結構主要有殼體、起爆裝置、填充介質、獨立子裝藥和獨立EFP藥型罩。為了增大打擊面積，本文中采用七罩式軸向組合式MEFP戰斗部，藥型罩結構為等壁厚球缺型藥型罩，子裝藥之間有惰性裝填物，本文中惰性裝填物選用泡沫鋁，密度1.04,采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，以減小相鄰子裝藥間爆轟波的相互干擾。七罩式軸向組合式MEFP戰斗部裝藥口徑為220 mm，高度60 mm，藥型罩直徑為50 mm，相鄰子裝藥間距為25 mm,藥型罩材料為碳鋼。起爆方式為7點同時起爆，起爆點位于各子裝藥底面圓心處。根據相關文獻可知，“捕食者”無人機能夠在5 000～10 000 m高度之間執行任務，為有效打擊無人機，本文中軸向組合式MEFP戰斗部在距離無人機150 mm處引爆。

圖1 戰斗部網格結構截面示意圖Fig.1 Cross section of warhead grid structure

圖2 MEFP戰斗部網格結構示意圖Fig.2 MEFP warhead grid structure diagram

2.2 典型無人機靶板的建立

本文中選取代表性的美軍“捕食者”無人機，建立等效靶板，分析MEFP對無人機要害艙段的侵徹性能。根據強度理論等效公式得到等效靶板的厚度，其計算公式為：

(1)

式(1)中：0為“捕食者”無人機機身材料的強度；為“捕食者”無人機機身材料的厚度；為等效后的材料的強度;為等效后的材料的厚度。

“捕食者”無人機材料強度如表1所示。根據有關文獻可知，此無人機的機身是先由碳纖維和石英纖維混合后，再由“凱夫拉”纖維材料調和而成。“捕食者”無人機機身的下面使用諾梅克斯，泡沫和木材壓制而成的層合板進行保護。因此，復合材料最小抗拉強度的計算公式為：

(2)

式(2)中：1為基材抗拉強度下限標準值(MPa)；2為復材抗拉強度下限標準值(MPa);為基材厚度；為復材厚度。

表1 “捕食者”無人機材料強度Table 1 Predator material strength sheet

因此將美軍代表性的“捕食者”無人機機身等效為密度為1.74 g/cm、厚度為27 mm的碳纖維靶，將層合板等效為密度為2.7 g/cm、厚度為15 mm的1 200鋁靶,如圖3所示。

圖3 無人機等效靶網格結構示意圖Fig.3 Structure diagram of UAV equivalent target grid

3 影響MEFP戰斗部成型因素分析及對無人機等效靶侵徹性能分析

3.1 戰斗部裝藥種類的影響

..不同裝藥對MEFP戰斗部成型的影響

為了分析不同裝藥對MEFP戰斗部成型的影響，在裝藥結構和其他參數不變的情況下，取藥型罩曲率半徑為72 mm,藥型罩壁厚為2.5 mm,戰斗部裝藥選取TNT(1.63 g/cm，爆速為6 930 m/s)、B炸藥(密度1.71 g/cm,爆速為7 980 m/s)、8701(密度1.78 g/cm，爆速為8 315 m/s)進行數值分析。由數值分析可知，采用各子裝藥中心起爆方式，戰斗部裝藥起爆80 μs后，軸向組合式MEFP戰斗部的成型結果如圖4所示。

圖4 不同裝藥時MEFP戰斗部成型結果示意圖Fig.4 Molding results of MEFP warhead at different charges

戰斗部起爆80 μs時，不同裝藥產生的MEFP如圖4所示，由數值分析可知，在戰斗部裝藥啟動80 μs時,TNT炸藥形成的中心EFP尾裙直徑為47.51 mm，B炸藥形成的中心EFP尾裙直徑為56.82 mm，8701炸藥形成的中心EFP尾裙直徑為60.13 mm。結果表明，隨著主裝藥密度由TNT炸藥提高到8701炸藥，不同密度的主裝藥形成的尾裙直徑呈現逐漸增大趨勢，有利于爆炸成型后的EFP飛行穩定。

不同裝藥形成的中心EFP長度變化曲線和頭部速度變化如圖5、圖6所示。

由圖5不同密度的主裝藥形成的中心EFP長度變化的曲線可知，當軸向組合式MEFP戰斗部裝藥起爆80 μs時，TNT炸藥產生的中心EFP長度為44.69 mm，B炸藥產生的中心EFP長度為61.26 mm，8701炸藥產生的中心EFP長度為80.39 mm，不同裝藥產生的中心EFP長度有逐漸增大趨勢。由圖6可知，當=80 μs時，TNT炸藥產生的中心EFP速度為1 390 m/s,B炸藥產生的中心EFP速度為1 650 m/s,8701炸藥產生的中心EFP速度為1 860 m/s,這主要是由于8701炸藥比TNT炸藥和B炸藥具有更高的爆速和密度，8701炸藥爆炸產生的能量相對于TNT及B炸藥更大，所以產生的EFP速度更快。因此，在軸向組合式MEFP戰斗部設計當中，應該盡量選擇密度較高的主裝藥，以便于提高形成的EFP飛行穩定性和毀傷效能。

圖5 不同裝藥時形成的中心EFP長度變化曲線Fig.5 Change curve of central EFP length formed by different charges

圖6 不同裝藥形成的中心EFP頭部速度變化曲線Fig.6 Curve of central EFP head velocity formed by different charges

..不同裝藥形成的MEFP對無人機的侵徹性能分析

為了研究不同裝藥形成的MEFP對無人機的侵徹性能，以提高對無人機的毀傷，以裝藥為8701炸藥為例，MEFP對無人機等效靶板的侵徹過程如圖7所示。

由數值分析可知，在戰斗部起爆210 μs后，得到不同裝藥形成的MEFP對靶板的毀傷效果如圖8所示。

圖7 MEFP對無人機等效靶板的侵徹過程示意圖Fig.7 MEFP penetration process of uav equivalent target plate

圖8 不同裝藥形成的MEFP對無人機的毀傷效果圖Fig.8 Damage effect of MEFP formed by different charges on UAV

由圖8可知，在戰斗部起爆210 μs后，不同裝藥形成的MEFP，對無人機等效靶的毀傷效果不同，TNT炸藥形成的MEFP未打穿無人機的機身等效靶，B炸藥形成的MEFP打穿了無人機的機身等效靶，但開孔較小。8701炸藥形成的MEFP已經將無人機等效靶完全打散，開孔直徑很大，此時彈丸的軸向剩余速度為1 530 m/s,由數值分析可知，B炸藥形成的MEFP在230 μs后將無人機機身等效靶完全打散，此時彈丸軸向剩余速度為998 m/s,TNT炸藥形成的MEFP在270 μs后將無人機機身等效靶完全打散，此時彈丸軸向剩余速度為760 m/s。綜上所述，8701炸藥形成的MEFP對無人機的毀傷時間更快，在對無人機的機身毀傷后，彈丸的軸向剩余速度更大，更有利于對無人機機身內部進行毀傷，使無人機喪失作戰能力甚至解體。

3.2 藥型罩壁厚的影響

3.2.1 不同藥型罩壁厚對MEFP戰斗部成型的影響

藥型罩的壁厚對MEFP速度和形狀有很大的影響。這是因為藥型罩壁厚的變化將引起罩材料承受炸藥爆轟波沖擊變形能力的變化，從而導致藥型罩材料流動匯聚程度的變化。因此，在裝藥結構和參數不變的情況下，即MEFP戰斗部裝藥口徑為220 mm，高度為60 mm，藥型罩直徑為50 mm，藥型罩曲率半徑為72 mm,戰斗部裝藥為8701炸藥，分別選取藥型罩壁厚為=2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm時進行分析，經過數值分析，不同藥型罩壁厚下，軸向組合式MEFP戰斗部形成的中心EFP速度隨時間變化曲線如圖9所示。

圖9 不同壁厚時中心EFP頭部速度變化變化曲線Fig.9 Variation curve of velocity of central EFP head with different wall thickness

表2是在戰斗部起爆60 μs后，不同壁厚彈丸成型的參數，其中和是中心EFP的長度和直徑，是周邊EFP的長度，是中心EFP的速度。

表2 不同藥型罩壁厚彈丸成型參數(t=60 μs)Table 2 Projectile forming parameters with different shell wall thickness (t=60 μs)

由圖9可知，隨藥型罩壁厚的增大，軸向組合式MEFP戰斗部形成的中心EFP速度隨之減小，從成型結果看，藥型罩壁厚越薄，中心EFP速度越高。由表2可以看出，當藥型罩壁厚增加時，中心EFP長徑比和周邊EFP長度呈現逐漸減小的趨勢，當藥型罩厚度由2.0 mm增加到4.0 mm時,中心EFP長徑比和周邊EFP長度分別降低了29.79%和27.76%，變化比較明顯，隨著EFP的長徑比降低，意味著EFP對無人機等效靶板的侵徹深度降低，但對靶板的開孔孔徑將逐漸增大。由表2可知，當藥型罩壁厚增加時，當藥型罩壁厚從2 mm到3 mm時，周邊EFP長度逐漸減小，當壁厚從3 mm到3.5 mm時，周邊EFP長度變化較大，當壁厚超過3.5 mm時，其變化的程度逐漸減小，因此，綜合考慮圖9和表2，為獲得較好的MEFP彈丸形態，藥型罩壁厚最佳取值范圍為2.0 mm到3.0 mm。接下來本文根據對靶板的毀傷性能進行進一步篩選。

..不同壁厚形成的MEFP對無人機的侵徹性能分析

為了研究不同壁厚形成的MEFP對無人機的侵徹性能，根據數值分析，不同壁厚形成的MEFP對無人機機身等效靶打散時間和此時的中心彈丸軸向剩余速度見表3。

表3 不同壁厚彈丸侵徹無人機性能參數Table 3 Performance parameters of projectile penetration UAV with different wall thickness

表3中,＇是不同壁厚形成的MEFP對無人機機身等效靶的打散時間，＇是此時中心彈丸的軸向剩余速度。由表3可知，隨著藥型罩壁厚的增加，MEFP對無人機機身等效靶的打散時間逐漸增加，此時的軸向剩余速度逐漸減小。為了進一步研究不同壁厚形成的MEFP對無人機機身內部的毀傷能力，彈丸的發散角如表4所示,彈丸的發散角折線如圖10所示。

表4 彈丸的發散角Table 4 The divergence angle of the projectile

圖10 彈丸的發散角折線Fig.10 Diverging angle line diagram of projectile

由圖10可知，隨藥型罩壁厚的增加，彈丸的發散角也發生了變化，當藥型罩壁厚為2 mm到2.5 mm時，彈丸的發散角逐漸減小，但藥型罩壁厚為2.5 mm到4 mm時，彈丸的發散角逐漸增大，彈丸發散角的增大,會降低其對目標的侵徹性能。因此，綜合考慮圖9、圖10和表2～表4，為了獲得較好MEFP彈丸形態和更好彈丸對于靶板的侵徹能力，軸向組合式MEFP戰斗部中藥型罩壁厚的最佳取值范圍為2.5 ～3 mm。

3.3 藥型罩曲率半徑的影響

3.3.1 不同曲率半徑對MEFP成型的影響

當戰斗部中的藥型罩采用球缺型藥型罩時，曲率半徑就是決定其EFP形狀和速度的主要因素。這主要是由于隨著藥型罩曲率半徑的改變，引起了爆轟波陣面對藥型罩作用位置的改變，并進一步造成了藥型罩材料的流動方向改變。在裝藥結構和參數不變的情況下，其中藥型罩直徑為50 mm，壁厚為2.5 mm,選取藥型罩曲率半徑為67～97 mm(每種情況下依次增加5 mm)。軸向組合式MEFP隨曲率半徑變化的各項參數如表5所示。EFP速度隨曲率半徑變化曲線如圖11所示。

表5 不同藥型罩曲率半徑彈丸成型參數(t=60 μs)Table 5 Projectile forming parameters of different charge type cover radius of curvature (t=60 μs)

表5中，為藥型罩的曲率半徑，和是中心EFP的長度和直徑，為周邊EFP的長度，為藥型罩整體動能，為中心EFP的速度，為周邊EFP的速度。

由表5可知，在軸向組合式MEFP戰斗部中，當藥型罩采用不同曲率半徑時形成的EFP，隨著藥型罩曲率半徑的逐漸增加，中心彈丸的長徑比逐漸減小，意味著對等效靶板的侵徹深度降低，對靶板的開孔孔徑將逐漸增大，彈丸尾裙直徑隨著曲率半徑的增大而增大，意味著子EFP的飛行穩定性大大增加。并且當藥型罩曲率半徑逐漸增大時，周邊EFP的長度變化不大，中心EFP和周邊EFP的速度和整體動能逐漸增大。然而曲率半徑并不能無限的增大，這是因為隨著曲率半徑的不斷增大，會逐漸形成桿式彈丸，明顯不利于遠距離的攻擊目標。因此，對相鄰子裝藥間距為25 mm而言，結合表5和圖11，綜合考慮MEFP的飛行穩定性及毀傷效能，軸向組合式MEFP戰斗部藥型罩曲率半徑取72 mm到87 mm。接下來再根據對靶板的毀傷性能進行進一步篩選。

圖11 EFP速度隨曲率半徑變化曲線(t=60 μs)Fig.11 Curve of EFP velocity changing with radius of curvature (t=60 μs)

..不同曲率半徑形成的MEFP對無人機的侵徹性能分析

為了研究不同曲率半徑形成的MEFP對無人機的侵徹性能，根據數值分析，不同MEFP在對無人機機身等效靶毀傷后的中心EFP軸向剩余速度如表6和圖12所示。

表6 不同曲率半徑下中心EFP軸向剩余速度(t=260 μs)Table 6 Axial residual velocity of central EFP at different curvature radii (t=260 μs)

圖12 不同曲率半徑下中心EFP軸向剩余 速度曲線(t=260 μs)Fig.12 Axial residual velocity diagram of central EFP under different curvature radii (t=260 μs)

由表6和圖12可知，曲率半徑在67～87 mm時，中心EFP的軸向剩余速度隨著曲率半徑的增大而逐漸減小，當在87～97 mm時，隨著曲率半徑的增加，中心EFP的速度先增加后減小。軸向剩余速度更大，更有利于對無人機機身內部進行毀傷。因此，結合表5、表6和圖11、圖12，綜合考慮MEFP的飛行穩定性及毀傷效能，軸向組合式MEFP戰斗部藥型罩最佳曲率半徑取72 mm到82 mm。

4 結論

通過使用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA,本文就軸向組合式MEFP的成型及對典型無人機的侵徹性能進行了數值分析，實驗結果表明：

1) 軸向組合式MEFP戰斗部設計時，盡量選擇密度較高的主裝藥，以提高EFP飛行穩定性和毀傷效能。本文中通過數值模擬得到密度較高和爆速較快的8701炸藥對軸向組合式MEFP的成型和對無人機的毀傷性能更好。

2) 軸向組合式MEFP戰斗部中藥型罩壁厚的選擇，要考慮形成具有一定速度的EFP，又避免出現EFP對無人機機身毀傷過程中形變過大，確保性能良好。本文中通過數值模擬得到了在特定的裝藥條件下，藥型罩壁厚的最佳取值范圍為2.5～3 mm。

3) 當戰斗部中的藥型罩采用球缺型藥型罩時，曲率半徑是決定EFP形狀和速度的主要因素。本文通過數值模擬得到了在特定的裝藥條件下，軸向組合式MEFP戰斗部藥型罩最佳曲率半徑取值范圍為72～82 mm，更有利于對無人機進行毀傷。