李佳軒，張 健，林溪石

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，高價值目標是首先和主要被打擊的對象，高價值目標的防空反導(dǎo)成為重要的研究方向。目前對于導(dǎo)彈的攔截通常采取縱深梯次攔截，攔截手段趨于多樣化。現(xiàn)代導(dǎo)彈具有襲擊突然性強、飛行速度高的特點，防御的有效時間短，應(yīng)對倉促，在防空作戰(zhàn)中常有漏網(wǎng)之魚。因此，對于高價值目標裝備的防御十分必要。通過對定向串聯(lián)發(fā)射彈藥的結(jié)構(gòu)和裝藥設(shè)計的研究，可進一步提高武器作戰(zhàn)威力，節(jié)省不必要的浪費，提高效費比。

陣列式高射頻武器(國外稱“金屬風(fēng)暴”)是一種串聯(lián)與裝填多體系統(tǒng)。作為一種新概念武器，采用全新的發(fā)射理念，該系統(tǒng)能以極高的射頻發(fā)射彈丸，形成能量相對集中的“彈幕”，在迅速、有效摧毀目標方面具有很大優(yōu)勢［1］。本文基于EFP具有高速、作用距離遠以及能引爆來襲導(dǎo)彈失去效能等特點，提出一種串聯(lián)發(fā)射彈藥裝藥結(jié)構(gòu)及效能的評估。

1 串聯(lián)發(fā)射彈藥結(jié)構(gòu)及作用原理

高射頻武器系統(tǒng)身管中的每節(jié)發(fā)射藥對應(yīng)設(shè)置有電子脈沖點火節(jié)點，電子控制裝置用來控制每個發(fā)射管的發(fā)射順序及同一身管中各發(fā)射藥的點火間隔。發(fā)射時，通過處理器控制設(shè)置在身管中的電子脈沖點火節(jié)點，點燃最前面一發(fā)彈的發(fā)射藥，火藥燃氣壓力推動前面的彈藥沿槍膛加速運動飛出槍口。后面的彈丸在火藥燃氣高溫作用下產(chǎn)生一定的膨脹，與內(nèi)壁形成擠壓，可有效防止燃氣后泄造成發(fā)射失控。當點火控制裝置發(fā)出指令點燃下一發(fā)彈的發(fā)射藥時，彈藥才被發(fā)射，其它彈丸則繼續(xù)保持被鎖定狀態(tài)。依次程序，每發(fā)彈藥順序從炮管中發(fā)射出去。

彈丸(見圖1)由上殼體、藥型罩、主裝藥、傳爆藥、隔爆板、引信體、轉(zhuǎn)子部件與下殼體等組成。戰(zhàn)斗部由聚能元件構(gòu)成。為滿足戰(zhàn)術(shù)要求，彈藥要求在較遠距離下有效毀傷薄裝甲的空襲武器即在大炸高下侵徹裝甲目標。藥型罩用紫銅板沖壓制成，形狀為球缺形，主裝藥為鈍化黑索今。

圖1 串聯(lián)發(fā)圖

運輸與貯存時，采用保險針保險，保險針約束扭簧，隔爆板使火焰雷管與傳爆藥之間不接觸，實現(xiàn)隔爆。彈丸準備發(fā)射時，安裝小鋼球，卸下保險針，利用鋼球約束扭簧。彈丸發(fā)射，轉(zhuǎn)子在垂直于彈軸的方向旋轉(zhuǎn)，火焰雷管、傳爆藥在同一直線，時間引信作用，點燃火焰雷管，火焰雷管點燃傳爆藥，主裝藥爆炸。為節(jié)省成本，減輕彈丸質(zhì)量與提高初速，上殼體、下殼體與引信體由ABS樹脂制成。

串聯(lián)發(fā)射彈丸準備發(fā)射時，4發(fā)串聯(lián)在一個槍管內(nèi)，9個槍管集成到多管發(fā)射箱內(nèi)，通過傳感器與火控系統(tǒng)，發(fā)射彈丸，形成彈幕，攔截來襲導(dǎo)彈。

2 串聯(lián)發(fā)射彈藥的阻攔射擊面與分布密度關(guān)系

“金屬風(fēng)暴”發(fā)射時，可形成三維彈丸陣列，這種整體飛行運動的彈丸列陣具有通過特定區(qū)域時間短、能量密度高等特點，是攔截高速運動目標的有效打擊方式。反導(dǎo)作戰(zhàn)時采用彈幕射擊方式，在特定的空域，形成一個或幾個阻攔射擊面以達到對來襲導(dǎo)彈的攔截，從而保護地面設(shè)施。

阻攔射擊面是指垂直于彈丸飛行速度方向的彈幕面積。飽和阻攔射擊面是基于未來空域窗體制而建立的。未來空域窗射擊體制［2-3］是基于對高速武器合理配置彈丸散布，有效提高作戰(zhàn)效能而提出的一種射擊體制，其理論核心是將多門、多管火炮的瞄準點從集中射擊體制下的目標預(yù)測未來點轉(zhuǎn)化為數(shù)個在空間上一定排列的命中點。對一個N發(fā)射擊過程而言，如果采取某種技術(shù)舉措，使所有彈目偏差均勻地分布于一個有限的區(qū)域Ω*之中，則此區(qū)域稱未來空域窗。對于一個其未來點處于未來空域窗的目標，不論該未來點在空域窗內(nèi)的哪一點，武器對該目標的毀傷率都相等。將多個具有正態(tài)分布的彈幕偏差中心做適當?shù)姆稚⑴渲?，利用尾部疊加的高斯分布效應(yīng)，可造成均勻的彈幕偏差分布區(qū)域［3］。

在預(yù)測迎彈面內(nèi)，以目標預(yù)測位置誤差散布橢圓長、短半軸分別作為x軸、y軸，建立直角坐標系，則位于預(yù)測迎彈面內(nèi)的阻攔射擊面ω1可寫作

式中R1和R2為阻攔射擊面ω1的長軸和短軸。因阻攔射擊面應(yīng)與目標在未來點散布的等概率密度橢圓成一定的比例，因此有

式中，σ(x)、σ(y)為目標散布誤差。設(shè)σ(x)/σ(y)=c1，則阻攔射擊面 ω1可表示

若僅考慮阻攔概率指標作為確定阻攔射擊面的依據(jù)，根據(jù)式(1)求得R1，則阻攔射擊面面積

若目標命中面積為A，毀傷必須命中數(shù)為ω，則目標命中彈丸的期望為

3 EFP彈丸成型過程與速度

利用LS-DYNA數(shù)值仿真軟件對串聯(lián)發(fā)射彈藥爆炸成型彈丸進行建模和成型過程的仿真。采用如圖2的簡化有限元計算模型，它由主裝藥與藥型罩組成。建立四分之一模型，模型使用三維實體solid 164單元。串聯(lián)發(fā)射彈藥藥型罩用紫銅板沖壓而成，厚度為4cm，形狀為球缺形，藥型罩直徑為3.0cm壁厚從罩頂至罩底是變化的。頂部壁厚0.2cm，口部厚度0.18cm，主裝藥高2cm，網(wǎng)格采用映射畫法(Mapped Mesh)。炸藥模型有24300個單元、藥型罩模型有2025個單元。

圖2 三維有限元計算模型

炸藥和藥型罩之間采用*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY滑移接觸算法，在對稱邊界施加約束，采用 cm-g-μs建模，每 2μs輸出一個文件。

計算中采用Steinberg模型和*EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程，Steinberg模型中考慮了壓力效應(yīng)、溫度和塑性延展率，藥型罩材料在熔化前的剪切模量為G。表1中列出了計算使用的材料參數(shù)表，表2中列出了狀態(tài)方程的參數(shù)。

表1 藥型罩參數(shù)

表2 Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

式中:G0、b、h、f為材料常數(shù);p 為壓力;v為比容;ec為冷壓縮能量、em為融化能量、e為比內(nèi)能;R'=Rρ/A，R為普適氣體常數(shù)(ρ為密度，A為摩爾質(zhì)量)。

材料的屈服強度由下式給出:

炸藥在計算中采用的模型為*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥引爆模型，與*EOS_JWL狀態(tài)方程聯(lián)用。材料模型中的燃燒系數(shù)F為爆轟過程中化學(xué)能的釋放，燃燒系數(shù)取最大值。

式中，F(xiàn)1為密度ρ、D爆速、體積壓縮比 V/V0和CJ壓力Pcj的函數(shù)，V為爆速D、燃燒時間tb、現(xiàn)時時間t和單元特征長度Δx的函數(shù)。

如果燃燒系數(shù)F≥1，則保持F為常數(shù)1，單元中的壓力P與燃燒系數(shù)F成比例:

式中Pcos表示由基于相對體積V和單位初始體積內(nèi)能密度的狀態(tài)方程所解得壓力值。

炸藥爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程由JWL定義，JWL定義壓力為相對體積V和單位體積的初始內(nèi)能E的函數(shù)，并假定爆轟波以常速率傳播。

式中ω、A、B、R1和R2是表征炸藥特性的常數(shù)，為實驗擬合參數(shù)。JWL狀態(tài)方程能準確的表達高能炸藥，其在結(jié)構(gòu)金屬加速度的應(yīng)用中可確定炸藥的爆轟壓力，數(shù)值模擬中使用的炸藥材料模型在表3中列出，其中ρ為炸藥的質(zhì)量密度，D為爆速，P為炸藥爆炸時的壓力。表4為炸藥爆炸時的JWL狀態(tài)方程參數(shù)，主要為炸藥特性參數(shù)［4］。

表3 炸藥材料模型參數(shù)

表4 JWL狀態(tài)方程參數(shù)

EFP戰(zhàn)斗部中的主裝藥被引爆后，形成高溫高壓的爆轟產(chǎn)物，沖擊波通過炸藥沖擊藥型罩，使藥型罩變形。圖3為EFP爆炸成型過程仿真圖，EFP成型過程中從0μs開始，每隔一定時間截取一個EFP的成型狀態(tài)。

圖3 EFP成型過程

從圖3可以看出，當爆轟開始時，藥型罩在爆轟產(chǎn)物的作用下開始變形，24μs時藥型罩已經(jīng)有明顯的變形，但變形依然繼續(xù);在t=60μs時，EFP頭部速度明顯大于其他部分的速度，變形繼續(xù)，已初步形成侵徹體形狀;當t=120μs時，EFP基本成型，120μs以后藥型罩的變化幅度不大。

利用LS-DYNA對彈丸頭部進行仿真，得到前200μs藥型罩的飛行速度。圖4顯示EFP的速度與時間的曲線。

圖4 藥型罩速度圖

從圖4可以看出，當彈丸爆炸后，爆轟產(chǎn)物產(chǎn)生足夠的壓力形成藥型罩，藥型罩在很短時間內(nèi)迅速變形，使彈丸速度達到1200m/s。

4 結(jié)論

通過對串聯(lián)高射頻武器的研究，本文設(shè)計一種滿足其要求的串聯(lián)發(fā)射彈藥，當彈丸發(fā)射后，可在上空形成36枚三維彈丸列陣。通過LS-DYNA對所設(shè)計的串聯(lián)發(fā)射彈藥EFP的性能進行了仿真計算分析。分析結(jié)果證明，設(shè)計的EFP可在120μs時完成侵徹體的成型，速度可達1200m/s，可擊毀來襲薄裝甲導(dǎo)彈，滿足戰(zhàn)術(shù)要求。

［1］余斌.超高射頻彈幕武器彈藥系統(tǒng)研究報道［J］.彈道學(xué)報，2002，14(4):92-96.

［2］菜海超，孫勝春.金屬風(fēng)暴射速與命中關(guān)系研究［J］.指揮控制與仿真，2008，30(1):50-53.

［3］郭治.現(xiàn)代火控理論［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1996:137-145.

［4］尚曉江，蘇建宇.LS-DYNA動力分析方法與工程實例［M］.中國水利水電出版社，2008.