低附帶毀傷戰斗部破片上靶率的影響因素分析

蓋希強，趙 新，李小軍，李紅欣，李劍斌，陳 浩，虞 欣

(國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 102205)

0 引言

在現代戰爭中,隨著戰斗部技術的快速發展,以高性能、低成本的陶瓷球為代表的新型戰斗部毀傷元應運而生。與普通鎢合金、鋼質破片相比,陶瓷球作為毀傷元具有成本低、強度高、密度小、初速高而速度衰減快的絕對優勢,滿足低附帶毀傷的作戰需求,因而引起廣大學者研究。

近年來,國內外學者[1-4]對陶瓷毀傷元的損傷和動態特性開展了深入研究。黃德雨等[5]進行了低密度陶瓷微粒在爆炸載荷中的強度和速度衰減規律的試驗研究,發現陶瓷微粒高硬度、高抗壓強度、高耐熱性能和低密度的特殊力學性能滿足低附帶毀傷要求;沈鑫等[6]對不同初速的陶瓷球形破片侵徹松木靶和后效硬鋁靶進行了數值模擬和實驗分析,得出破片的穿透能力隨著破片初速度的減小而大幅下降;江雅莉等[7]通過對不同初速下陶瓷球垂直侵徹松木靶的數值模擬,得出隨著初速減小,破片動能大幅下降,因此可以通過控制破片初速限制其毀傷半徑;易榮成[8]提出用非金屬陶瓷彈頭代替常規金屬彈頭,發現陶瓷復合彈丸可以有效提高復合裝甲的毀傷能力;付建平等[9]開展了氧化鋯陶瓷子彈的高速沖擊動態性能研究,通過對比陶瓷子彈和普通鋼彈的侵徹能力,發現通過凝膠注模成型工藝得到的陶瓷破片,高速沖擊下侵徹靶板時具有足夠的強度;宋思維等[10]對SiC和Al2O3陶瓷反應裝甲的附帶損傷效應進行了試驗,結果表明等效厚度的SiC反應裝甲的附帶損傷效應低于Al2O3陶瓷反應裝甲的附帶損傷效應。

現有研究內容主要集中于陶瓷毀傷元的侵徹能力及陶瓷-金屬復合結構的毀傷增強效應,而對于低附帶陶瓷毀傷元的空間散布及其影響因素研究則相對較少。采用低密度的球形陶瓷毀傷元作為戰斗部預制破片,可以在規定區域外附帶殺傷很小或者是零殺傷,最大限度的避免平民傷亡,對敵人予以軟殺傷或者“點殺”。因此,開展陶瓷球破片殺傷特性研究具有一定的現實意義。研究采用低密度的球形陶瓷毀傷元作為低附帶戰斗部預制破片,通過ANSYS/LS-DYNA軟件數值模擬和試驗驗證的方法,分析了戰斗部外殼材料及陶瓷球直徑大小對上靶率的影響規律,并結合試驗結果進行設計優化。該戰斗部可實現在規定區域外附帶輕微殺傷能力或零殺傷效應,有效避免附帶傷亡,極大提高作戰效率。

1 戰斗部結構方案設計

文中設計的陶瓷破片戰斗部結構由炸藥、中心爆管和陶瓷球、殼體組成,戰斗部結構示意圖如圖1所示。設計思路主要為通過中心爆管炸藥爆炸驅動陶瓷破片徑向飛散,對近距離有生目標有效殺傷。

圖1 戰斗部方案設計示意圖Fig.1 Warhead program design diagram

2 數值仿真分析

2.1 有限元模型建立及參數選取

數值仿真分析中,采用TRUEGRID軟件構建有限元仿真網格模型,由于陶瓷球交叉排列,整體不具有對稱性,故建立全模型結構,如圖2所示。其中,有限元網格類型采用Solid164八節點六面體單元,網格尺寸選用0.1 mm,為了提高計算精度,戰斗部各部件網格之間采用非共節點模式。

圖2 戰斗部有限元仿真模型Fig.2 Warhead finite element simulation model

戰斗部裝藥為黑索金炸藥,材料模型為HIGH_EXPLOSIVE_BURN,狀態方程為*EOS_LINEAR_ POLYNOMIAL。陶瓷球材料采用MAT_JOHNSON_ HOLMQUIST_CERAMICS材料模型,陶瓷材料的裂紋控制采用*MAT_ADD_EROSION附加失效狀態方程,材料參數見文獻[11]。戰斗部殼體分別采用尼龍、聚乙烯、ABS材料,中心爆管選取硬鋁材料,中心爆管與外殼材料模型均采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型,該模型適合模擬等向和運動強塑化模型,其表達式為:

(1)

式中:σ0為初始屈服應力;εeff為等效塑性應變;EP為塑性硬化模量;β為硬化參數;ξ為應變率;該模型可以根據定義的失效塑性應變εf來決定刪除失效單元[12]。

陶瓷破片戰斗部的裝藥和周圍空氣域單元采用歐拉算法,襯套、外殼和陶瓷球采用拉格朗日算法。裝藥與襯套、外殼、陶瓷球之間的接觸類型為流固耦合,其計算關鍵字為*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_ SOLID;其余接觸類型為侵蝕接觸,計算關鍵字為*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。

將戰斗部有限元模型、材料模型參數及控制關鍵字匹配無誤后,提交ANSYS/LS-DYNA軟件進行計算求解。

2.2 外殼材料對上靶率影響

基于低附帶毀傷理念,戰斗部外殼選材仍需遵循密度小、大炸距毀傷能力弱的原則,因此金屬材料殼體生成的自然破片質量大、初速高,殺傷威力較大,不宜作為低附帶毀傷戰斗部殼體,而非金屬高分子聚合物,如尼龍、聚乙烯、ABS等則符合上述要求。其中,尼龍材料機械強度高、韌性好、有較高的抗拉、抗壓強度,耐熱、耐磨、耐腐蝕,且耐疲勞性能突出;聚乙烯材料無臭、無毒、手感似蠟、耐低溫,且化學穩定性好;ABS材料抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學藥品性及電氣性能優良,是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子結構材料。

三種材料各有優勢,本節主要研究戰斗部殼體材料與陶瓷球上靶率的關系。陶瓷破片戰斗部采用單層中心爆管結構,選用直徑為5 mm的陶瓷球破片,裝藥尺寸為7 mm×53 mm(直徑×長度),依次改變戰斗部殼體材料,進行數值模擬,對比不同殼體材料下陶瓷球的上靶率。

圖3～圖5為三種外殼材料下,陶瓷破片戰斗部在炸藥起爆400 μs時陶瓷球空間分布應力云圖及陶瓷球空間分布速度云圖。

圖3 400 μs時ABS外殼材料下陶瓷球空間分布應力及速度分布云圖Fig.3 Stress and velocity nephogram of ceramic spheres spatial distribution under ABS shell materials at 400 μs

圖4 400 μs時聚乙烯外殼材料下陶瓷球空間分布應力及速度分布云圖Fig.4 Stress and velocity nephogram of ceramic spheres spatial distribution under polyethylene shell materials at 400 μs

圖5 400 μs時尼龍外殼材料下陶瓷球空間分布應力及速度分布云圖Fig.5 Stress and velocity nephogram of ceramic spheres spatial distribution under nylon shell materials at 400 μs

由圖3～圖5分析可知,尼龍殼體戰斗部陶瓷破片空間飛散速度明顯大于聚乙烯殼體和ABS殼體,且飛散空間相對較大,其中ABS殼體戰斗陶瓷破片飛散速度最小,散布空間也較小。由應力云圖可知,尼龍殼體戰斗部陶瓷破片所受應力較大。

研究通過對陶瓷球飛散速度及位置等相關參數進行節點跟蹤,其中,戰斗部相對人形靶擺放高度為1 m,人形靶采用高寬厚尺寸為1.5 m×0.5 m×0.025 m的松木靶(人體胸腔位置對應人形靶高度0.9～1.3 m區間),截取1 m,2 m,3 m處0°～60°范圍內扇形排布的人形靶,對著靶陶瓷球分布狀態進行分析。圖6～圖8分別為不同殼體材料下的陶瓷球上靶散布圖。

圖6 ABS外殼時陶瓷球散布圖Fig.6 Ceramic ball with ABS shell scatter diagram

圖7 聚乙烯外殼時陶瓷球散布圖Fig.7 Ceramic ball with polythene shell diagram

圖8 尼龍外殼時陶瓷球散布圖Fig.8 Ceramic ball with nylon shell diagram

由圖6～圖8明顯可知,當陶瓷破片戰斗部外殼材料為尼龍時,陶瓷球的上靶密集度最高,聚乙烯外殼次之,ABS外殼最低。陶瓷球在1 m處靶板上靶分布情況較2 m、3 m處密集,隨著靶板距爆心距離的增大,單塊人形模擬靶的陶瓷球上靶分布情況越來越稀疏。根據破片的分布特點可以看出1 m處靶板上靶陶瓷球主要分布在人形靶胸腔位置,隨著布靶距離的增大陶瓷球分布位置向人形靶的胸腔以下的腿部位置變化。這是因為戰斗部爆炸后,陶瓷球在軸向爆轟波的加載下,向四周飛散,陶瓷球在自身重力的作用下,以炸點高度為基準點,沿水平方向呈拋物線彈道飛散,故布靶距離越遠,陶瓷球在人形靶的上靶位置越靠下端。

通過上述分析,可以得到當陶瓷戰斗部的外殼材料為尼龍時,陶瓷球的上靶率明顯高于聚乙烯外殼和ABS外殼。即尼龍殼體下,陶瓷破片戰斗部的有效殺傷面積更大,毀傷效應更強。

2.3 陶瓷球直徑對上靶率的影響

本節陶瓷破片戰斗部采用單層中心爆管結構,殼體材料采用聚乙烯,依次改變陶瓷球的直徑,進行數值模擬,對比分析不同直徑陶瓷球破片的上靶率大小。

通過對陶瓷球飛散速度及位置等相關參數進行節點跟蹤,截取1 m,2 m,3 m處0°～60°范圍內扇形排布的1.5 m×0.5 m人體模擬靶,對著靶陶瓷球分布狀態進行分析。圖9～圖13為不同陶瓷破片直徑下的陶瓷球散布圖。

圖9 直徑為2 mm的陶瓷球散布圖Fig.9 Scatter diagram of ceramic spheres of 2 mm diameter

圖10 直徑為3 mm的陶瓷球散布圖Fig.10 Scatter diagram of ceramic spheres of 3 mm diameter

圖11 直徑為4 mm的陶瓷球散布圖Fig.11 Scatter diagram of ceramic spheres of 4 mm diameter

圖12 直徑為5 mm的陶瓷球散布圖Fig.12 Scatter diagram of ceramic spheres of 5 mm diameter

圖13 直徑為6 mm的陶瓷球散布圖Fig.13 Scatter diagram of ceramic spheres of 6 mm diameter

由圖9～圖13可以觀察到,陶瓷破片的直徑越小,陶瓷球的上靶數量就越多,這是由于在戰斗部結構及各個參數均一致的前提下,陶瓷破片直徑越小則戰斗部內所裝填的陶瓷球數量越多,故陶瓷球的上靶數量就更多。陶瓷球在靶上分布的密集程度及分布區域不受陶瓷球直徑變化的影響,但與布靶距離有一定關系。距爆心1 m處的靶板上陶瓷球的分布更為密集,2 m、3 m處的陶瓷球相對來說分布更為稀疏;1 m處靶板上靶陶瓷球主要分布在人形靶胸腔位置,隨著布靶距離的增大陶瓷球分布位置向人形靶的胸腔位置變化。表1為數值模擬結果2～6 mm陶瓷球上靶率。

表1 2～6 mm陶瓷球上靶率Table 1 On-target rate for 2～6 mm ceramic ball on-target rate

3 試驗驗證

通過靜爆試驗對毀傷元陶瓷球在不同距離(1 m、2 m、3 m)處的上靶率進行分析,同時驗證第2節仿真結果的可信度。

3.1 外殼材料驗證

分別改變戰斗部的外殼材料為ABS、聚乙烯及尼龍進行靜爆試驗,試驗樣彈如圖14所示。不同位置處靶板布置試驗圖及試驗場地布置圖如圖15、圖16所示。毀傷元選擇直徑為5 mm的陶瓷球,材料為增韌后的Al2O3陶瓷,質量為0.45 g,實物如圖17所示。

圖14 試驗樣彈圖Fig.14 Test sample bombs

圖16 試驗場地及靶板場地布置圖Fig.16 Test site and target site layout

圖17 陶瓷球Fig.17 Ceramic balls

試驗結果表明,1 m處靶板上靶陶瓷球主要分布在人形靶胸腔位置;隨著布靶距離的增大,陶瓷球在靶板上的密集程度逐漸降低。靶板距爆心的距離越遠,陶瓷球在靶上的分布越來越稀疏。三種外殼材料下,陶瓷破片戰斗部中陶瓷球數量一致,約502顆。統計陶瓷球的上靶顆數,計算得到陶瓷球的上靶率如表2所示。由表可知,當陶瓷破片戰斗部的其余參數一致,外殼材料為尼龍時,陶瓷球的上靶率最高,聚乙烯外殼次之,ABS外殼最低。試驗結果與仿真結果具有較好的一致性,驗證了外殼材料為尼龍時,戰斗部的陶瓷球上靶率最高,對目標的打擊能力最強,實現高能量密度毀傷。

表2 不同外殼材料上靶率統計表Table 2 Statistical table of target rate for different shell materials

3.2 陶瓷球直徑驗證

試驗場地布置及靶板場地布置在3.1節中已有說明。本節分別對直徑為2 mm,3 mm及5 mm的陶瓷破片戰斗部進行靜爆試驗,其中戰斗部的外殼材料均為尼龍,圖18為2 mm直徑時靶板回收情況。

圖18 回收靶板圖Fig.18 Collected target plates

分別統計在距爆心不同距離處的靶板上陶瓷球的上靶顆數,如表3所示。計算得到不同陶瓷破片直徑時陶瓷球在不同布靶距離處的上靶率,如表4所示。

表3 不同直徑陶瓷球的上靶顆數Table 3 Number of on-target ceramic balls of different diameters

表4 不同直徑陶瓷球的上靶率Table 4 On-target rate of ceramic balls of different diameters

由試驗數據可知,隨著陶瓷球直徑的增大,距爆心1 m,2 m處的靶板上陶瓷球的上靶率均呈逐漸增大的趨勢;距爆心3 m處的靶板上,陶瓷球的上靶率隨陶瓷球直徑的增大先減小后增大,總體仍呈增大趨勢;總上靶率隨陶瓷球直徑的增大而增大。這與數值模擬結果基本一致。當陶瓷球直徑為5 mm時,靶板距爆心距離越遠,陶瓷球的上靶率就越低,因此可以通過控制陶瓷球直徑大小,達到殺傷半徑可控的目的,實現有限殺傷范圍內的高密度殺傷。

4 結論

通過設計非金屬殼體戰斗部并對低附帶毀傷元的飛散特性進行分析,解決了毀傷元空間分布的量化問題,得到了戰斗部殼體材料、毀傷元尺寸對上靶率的影響規律,為下一代新型低附帶毀傷戰斗部設計提供了重要的工程依據。

數值模擬與試驗結果具有較好的一致性,驗證了有限元仿真結論的正確性。其中,當殼體采用尼龍材料時,破片殺傷威力及上靶率相對較好,聚乙烯次之,ABS最差;而隨著陶瓷球直徑的增大上靶率也逐漸增大,陶瓷球直徑為5 mm時上靶率最高。但隨布靶距離的增大而陶瓷球上靶率減小,布靶距離為3 m時上靶率最低。

文中數值仿真和試驗驗證中尚未對戰斗部陶瓷球極限安全距離開展相關研究,未給出本文設計的戰斗部極限殺傷半徑,后續研究工作將對相關工況的補充分析。