付 偉，栗保華，許碧英，尹俊婷，張子敏，李公法

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

導彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中舉足輕重作用的武器裝備，導彈戰(zhàn)斗部的毀傷威力不僅與戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設計、裝藥類型有關，同時與戰(zhàn)斗部裝藥的起爆方式及傳爆序列的設計等有著相當重要的關系。目前實現(xiàn)爆轟波形控制的起爆方式主要是多點起爆網(wǎng)絡[1-4]。在多點起爆網(wǎng)絡中，根據(jù)起爆位置與戰(zhàn)斗部的相對位置不同，主要分為端面起爆、軸心起爆和側(cè)面起爆。端面起爆[5-6]和側(cè)面起爆[7]由于結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，目前大多起爆網(wǎng)絡采用這兩種方法，例如溫玉全[8]等人提出的剛性面同步起爆網(wǎng)絡，主要是應用于戰(zhàn)斗部裝藥的端面同步起爆。然而當戰(zhàn)斗部長徑比較大時，要想實現(xiàn)沿戰(zhàn)斗部軸線方向的特定爆轟波形，只有通過在戰(zhàn)斗部軸心位置處布設起爆點。

本文針對長徑比較大，并且需控制沿軸線方向的爆轟波形，以滿足戰(zhàn)技指標要求的戰(zhàn)斗部，提出了一種戰(zhàn)斗部軸向雙藥環(huán)起爆網(wǎng)絡（以下簡稱雙環(huán)起爆網(wǎng)絡），并通過數(shù)值模擬和試驗，驗證雙環(huán)起爆網(wǎng)絡對波形控制和毀傷威力的影響。

1 單、雙環(huán)起爆戰(zhàn)斗部仿真計算

戰(zhàn)斗部作用的破片初速及壓力分布等隨其起爆方式不同有較大區(qū)別。本文就戰(zhàn)斗部中軸線單、雙環(huán)起爆方式下的爆轟特性分別計算，包括壓力分布和破片初速。

1.1 計算方法

采用ANSYS/LS-DYNA軟件進行仿真計算，計算方法采用三維多物質(zhì)流固耦合MMALE算法。

1.2 計算模型及網(wǎng)格

該計算模型由前后端蓋、殼體、破片、中心管、主裝藥和空氣8部分組成。由于本模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，取模型的一部分進行三維建模，并在對稱面和其他邊界設置相應的約束條件，計算模型及網(wǎng)格見圖1。

該戰(zhàn)斗部的前后端蓋和殼體為鋼，中心管為2A12硬鋁。為了研究戰(zhàn)斗部在兩種起爆方式下的性能，設計了圖1所示的兩種戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，裝藥外層均分布有φ5mm和φ10mm兩種尺寸的鋼破片，分別采用軸向單環(huán)起爆和雙環(huán)起爆，分別計算爆炸后某時刻的壓力和破片分布，同時取圖1中的A、B、C處（φ 5mm鋼珠）及D、E、F處（φ10mm鋼珠）一共6點分別進行破片初速計算。

圖1 單、雙環(huán)起爆戰(zhàn)斗部計算模型Fig.1 Calculation model

根據(jù)分析，在破片初速數(shù)值仿真中，炸藥采用JWL狀態(tài)方程，空氣采用線性多項式狀態(tài)方程，金屬材料采用塑性硬化模型。

1.3 仿真結(jié)果及分析

1.3.1 壓力和破片的分布

圖2～4為兩種起爆方式下，爆轟波形分布和破片分布的對比圖。可以看出，在兩種起爆方式下，形成的壓力分布和破片飛散形態(tài)有較大區(qū)別。

圖2 20μs的等壓線圖Fig.2 Constant pressure line in 20μs

圖3 125μs的等壓線圖Fig.3 Constant pressure line in 125μs

圖4 190μs的等壓線圖Fig.4 Constant pressure line in 190μs

如圖2，起爆20μs時，雙環(huán)起爆相對單環(huán)起爆形成了兩處起爆中心，此時兩端的爆轟波還沒有相交，起爆位置相對其他位置有較大的壓差。由于爆轟波還沒有傳到破片，破片尚處于靜止狀態(tài)。如圖3，125μs時，單環(huán)起爆的壓力高峰一直沿著戰(zhàn)斗部軸線向未起爆一端移動，形成一個軸線與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓錐形壓力波。由于戰(zhàn)斗部左端先起爆，從而使得左端的破片相對右端破片速度大，飛行距離遠。而同一時刻下，雙環(huán)起爆方式下形成了與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓柱形壓力波，破片在這種爆轟波下，不同位置的破片飛行距離大致一樣。如圖 4，190μs時，情況與 125μs時類似，雙環(huán)起爆形成的仍然是與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓柱形壓力波，所不同的是壓力區(qū)域擴大；單環(huán)起爆形成與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓錐形壓力波，破片的飛散狀態(tài)與125μs時類似。

1.3.2 爆炸后的破片初速計算

選取計算模型中6個點處的破片計算初速，單環(huán)起爆時兩種破片的速度——時間曲線如圖5～6所示。

圖5 φ5mm鋼珠單環(huán)起爆下v——t曲線Fig.5 The velocity vs time curve ofφ5mm steel ball in one ring initiation

圖6 φ10mm鋼珠單環(huán)起爆下v——t曲線Fig.6 The velocity vs time curve ofφ10mm steel ball in double-ring initiation

由圖5～6可見，在單環(huán)起爆下，250μs時兩種破片的速度均已穩(wěn)定并達到最大。雙環(huán)起爆下兩種破片的v——t曲線形狀與圖5～6類似，但兩種起爆方式下的破片初速不同，具體仿真結(jié)果見表1。由表1可見，與單環(huán)起爆相比，雙環(huán)起爆時，大、小破片初速分別提高了10.7%、3.8%，即大破片相對小破片，雙環(huán)起爆方式下破片初速提高較大。

表1 不同破片初速仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results of fragments’ initial velocity

1.3.3 計算結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出兩種起爆方式的戰(zhàn)斗部作用有幾點不同：（1）相對于單環(huán)起爆，戰(zhàn)斗部中軸線雙環(huán)起爆時破片的初速較高。戰(zhàn)斗部破片初速是戰(zhàn)斗部設計中的一個重要威力參數(shù)，可以看出戰(zhàn)斗部中軸線雙環(huán)起爆方式相對較優(yōu)；（2）單環(huán)起爆時，壓力峰值點一直沿軸線向未起爆端移動，形成與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓錐形壓力波；雙環(huán)起爆時，可以形成與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓柱形壓力波。因此，當戰(zhàn)斗部長徑比較大時，可以設計多個起爆環(huán)，通過多環(huán)起爆網(wǎng)絡來實現(xiàn)戰(zhàn)斗部爆轟波形的控制；（3）破片飛散形態(tài)與壓力分布有著直接的關系，雙環(huán)起爆時形成與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓柱形壓力波，此時的破片也形成了前后端無差異的、與戰(zhàn)斗部軸線重合的圓柱形分布。

2 雙環(huán)起爆網(wǎng)絡

通過仿真結(jié)果可知，雙環(huán)起爆相對單環(huán)起爆在破片初速、爆轟波形控制等方面有一定的優(yōu)勢，本文設計了一種實用的戰(zhàn)斗部軸向雙環(huán)起爆網(wǎng)絡。

2.1 雙環(huán)起爆網(wǎng)絡的設計要求

根據(jù)戰(zhàn)斗部的起爆需求，提出了雙環(huán)起爆網(wǎng)絡的設計要求：（1）結(jié)構(gòu)緊湊、占用體積小。由于戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)尺寸有限，要提高毀傷威力，需在有限的結(jié)構(gòu)中盡量提高炸藥的裝填比，這就要求設計的起爆網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)緊湊、占用盡可能小的體積；（2）起爆網(wǎng)絡要安全可靠。雙環(huán)起爆用傳爆網(wǎng)絡要滿足一點輸入雙環(huán)輸出來滿足起爆戰(zhàn)斗部的要求，其中傳爆和隔爆的可靠性至關重要[9]，即要求傳爆可靠，且爆轟波沿著傳爆線路傳遞時不能發(fā)生竄火、熄爆等現(xiàn)象；隔爆方面，要求爆轟波傳遞時保證戰(zhàn)斗部主裝藥安全；（3）起爆網(wǎng)絡的裝配匹配性要求。出于安全的考慮，起爆網(wǎng)絡是最后才裝配到戰(zhàn)斗部中去的，其裝配的難易程度很大程度影響著戰(zhàn)斗部的總裝使用過程，因此，要求設計的起爆網(wǎng)絡應形成一個獨立元件，并與戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)具有良好的匹配性。

本文設計的戰(zhàn)斗部中心管雙環(huán)起爆網(wǎng)絡裝配簡圖如圖7所示，在與戰(zhàn)斗部裝配時，先將起爆藥環(huán)與網(wǎng)絡裝配成一體，然后將該部件插入戰(zhàn)斗部中心管。通過端蓋與網(wǎng)絡頭尾相連實現(xiàn)軸向固定，防止軸向竄動，且有必要的調(diào)節(jié)量。徑向固定靠網(wǎng)絡與中心管的公差配合實現(xiàn)，起爆藥環(huán)不承受徑向力。使用時，通過在起爆網(wǎng)絡一端預留的孔中裝配雷管或引信機構(gòu)，即可實現(xiàn)“一入兩出”的雙環(huán)起爆功能。

圖7 雙環(huán)起爆網(wǎng)絡裝配簡圖Fig.7 Assemble sketch of the double-ring initiation circuit

2.2 雙環(huán)起爆網(wǎng)絡的傳爆試驗

用加工的雙環(huán)起爆網(wǎng)絡元件（如圖8所示），進行雙環(huán)起爆網(wǎng)絡的傳爆試驗，在每個起爆環(huán)位置下方放置見證鋼板，試驗結(jié)果如圖9所示，起爆環(huán)下方的兩塊見證板上都有爆轟輸出作用下清晰可見的凹坑，證明起爆網(wǎng)絡從輸入端的雷管到輸出端起爆環(huán)可靠作用，起爆網(wǎng)絡傳爆可靠。

圖8 雙環(huán)起爆網(wǎng)絡的傳爆試驗Fig.8 Initiation experiment of the double-ring circuit

圖9 傳爆試驗結(jié)果Fig.9 Initiation experiment result

3 戰(zhàn)斗部雙環(huán)起爆試驗

3.1 戰(zhàn)斗部雙環(huán)起爆試驗布置

將雙環(huán)起爆網(wǎng)絡元件裝入與之匹配的戰(zhàn)斗部樣彈，按預制破片戰(zhàn)斗部靜爆試驗常規(guī)方法布置試驗現(xiàn)場（如圖10所示），在距離爆心40m圓弧處布置5個測速靶，位置如圖11所示。

圖10 雙環(huán)起爆戰(zhàn)斗部現(xiàn)場布局Fig.10 Testing ground of warhead with the double-ring initiation

3.2 試驗結(jié)果及分析

試驗后根據(jù)實測的 40m處破片速度，通過破片速度隨距離衰減計算公式[10]可得破片的初速，見表2。

表2 破片初速Tab.2 Experimental results of fragments’ initial velocity

由表 2可知，φ5mm破片初速的試驗均值為 2 652.4 m/s，與仿真數(shù)據(jù)2 760.6m/s相差3.9%；φ10mm破片初速試驗均值為2 198.7m/s，與仿真結(jié)果2 295.2 m/s相差4.2%。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相差不大，說明建立的仿真計算模型正確，同時驗證了雙環(huán)起爆網(wǎng)絡與戰(zhàn)斗部匹配良好。

4 結(jié)論

（1）由仿真及試驗結(jié)果可以看出，仿真模型與試驗結(jié)果差別較小，建立的仿真模型正確；（2）經(jīng)過單元可靠性和整彈靜爆試驗，驗證本文設計的雙環(huán)起爆網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)緊湊，易于裝配，可實現(xiàn)戰(zhàn)斗部軸向雙環(huán)起爆；（3）由仿真結(jié)果可知，相對單點或單環(huán)起爆，大長徑比的預制破片戰(zhàn)斗部通過采用雙環(huán)或多環(huán)起爆，可以形成軸線平行于戰(zhàn)斗部軸線的圓柱形波，破片初速得到提高，特別是對大破片，效果更為顯著。

[1]白穎偉,王可暄,任西,等.柔性導爆索輸出性能測試及傳爆規(guī)律[J].含能材料,2010,18 (3):351-355.

[2]鄭宇,王曉鳴,黃寅生,等.多點同步起爆網(wǎng)絡的設計及試驗研究[J].火工品, 2008 (1) :1-4.

[3]范軍政,杜志明.爆炸網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展及應用[J].火工品,2003 (4) :39-41.

[4]溫玉全,焦清介,李國新,等.剛性面同步起爆網(wǎng)絡設計及同步時間分析[J].兵工學報, 2001, 12 (z1) :493-496.

[5]邰玲,胡雙啟,曹雄環(huán).錐形傳爆藥的多點同步起爆網(wǎng)絡的設計[J].火工品,2004 (2) :30-32.

[6]仲凱,袁寶慧,許碧英．起爆方式對戰(zhàn)斗部毀傷作用的影響[J].火工品,2008 (1) :8-11,16.

[7]胡華權(quán),裴明敬,張德志,等.曲面多點同步起爆網(wǎng)絡研制[J].火工品,2008 (6):5-8.

[8]溫玉全,郭洪衛(wèi).柔性爆炸網(wǎng)絡組網(wǎng)技術(shù)研究[J]．火工品，2010 (3):8-10.

[9]盧斌,高敏,焦清介,褚恩義.溝槽式爆炸網(wǎng)絡橡皮炸藥爆炸性能研究[J].含能材料, 2004(12): 212-215.

[10]隋樹圓,王樹山.終點效應學[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000.