滑塊式定向戰(zhàn)斗部增益研究

李向東1,賈飛1,汪家祥2,甘小紅2

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京 210094;2.安徽方圓機電股份有限公司,安徽 蚌埠 233010)

摘要:為提高戰(zhàn)斗部在目標方向上的破片密度,設計了一種新型滑塊式定向戰(zhàn)斗部。建立了該滑塊式定向戰(zhàn)斗部與普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部的有限元模型,運用數(shù)值模擬和靜爆試驗相結合的方法研究了該定向戰(zhàn)斗部的破片數(shù)目和速度增益。結果表明,該滑塊式定向戰(zhàn)斗部與相同質(zhì)量和裝藥量的普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部相比,在定向方位90°角度范圍內(nèi)破片數(shù)目增益38.8%,初速減小3%。

關鍵詞:爆炸力學;滑塊式定向戰(zhàn)斗部;偏心起爆定向戰(zhàn)斗部;破片數(shù)目;破片速度

收稿日期:2014-02-14

作者簡介:李向東(1969- ),男,教授,研究方向為目標毀傷及易損性。E-mail:lixiangd@mail.njust.edu.cn。

中圖分類號:TJ410.1文獻標識碼:A

ResearchonGainsofaSlidersAimedWarhead

LIXiang-dong1,JIA Fei1,WANG Jia-xiang2,GAN Xiao-hong2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,NUST,Nanjing210094,China;

2.AnhuiFangyuanMechanicalandElectricalCo.,Ltd,Bengbu233010,China)

Abstract:A sliders aimed-warhead was put forward based on the idea of controlling fragments distribution in the warhead.The finite element models of the sliders aimed-warhead and the ordinary eccentric detonation aimed-warhead were built.The static blasting experiment was combined with numerical simulation method,and the fragment number and the circumferential velocity of the aimed warhead in the range of orientation direction 90° were studied.The results show that the fragment number of sliders aimed-warhead can gain 38.8%,and fragments velocity decreases 3% compared with the ordinary eccentric detonation aimed-warhead of the same quality warhead,charge and single fragment quality.

Keywords:explosionmechanics;slidersaimed-warhead;eccentricdetonationaimed-warhead;fragmentnumber;fragmentvelocity

定向戰(zhàn)斗部通過轉(zhuǎn)動、殼體變形和起爆控制等技術使戰(zhàn)斗部中的毀傷元素朝著目標方向集中飛散,形成毀傷元素增益區(qū),從而有效提高對目標的殺傷能力;或在保持一定殺傷能力的條件下,減少戰(zhàn)斗部質(zhì)量或體積[1-2]。目前偏心起爆式、破片芯式、可變形式和隨動式等類型的定向戰(zhàn)斗部在國外已經(jīng)得到了應用[2-4],而國內(nèi)相關研究主要集中在偏心起爆式和可變形式定向戰(zhàn)斗部方面,新原理定向戰(zhàn)斗部研究較少,并且破片數(shù)目增益也遠遠小于國外水平[5-6]。為了提高定向戰(zhàn)斗部破片數(shù)目增益,本文提出了一種新型滑塊式定向戰(zhàn)斗部,重點研究了破片數(shù)目增益和速度增益情況。

12種戰(zhàn)斗部爆炸過程的數(shù)值模擬

1.1　滑塊式定向戰(zhàn)斗部作用原理

本文提出的新型滑塊式定向戰(zhàn)斗部主要由滑塊破片體(4個)、滑塊滑動驅(qū)動火藥、起爆控制網(wǎng)絡、內(nèi)外筒及上下端蓋構成,其中4個滑塊破片體等間隔放置,并且兩兩滑塊破片體之間放置滑塊驅(qū)動火藥,如圖1所示。

圖1　滑塊式高破片密度增益定向戰(zhàn)斗部原理示意圖

根據(jù)定向方位,引燃相應的滑塊驅(qū)動火藥,利用火藥氣體產(chǎn)生的推力,推動其中2組滑塊滑動破片體向目標方位滑動,從而增加目標方向上的破片數(shù)目。通過這種毀傷元素重置的方法實現(xiàn)定向方向破片數(shù)目增益,同時采用偏心起爆控制技術提高目標方向上的破片速度。試驗已證明滑塊在火藥氣體產(chǎn)生的推力作用下能夠按預定的要求滑動到預定位置,運動時間約為2.6ms,運動速率約為8m/s。

為了研究滑塊式定向戰(zhàn)斗部在定向方向的破片數(shù)目增益及速度增益能力,初步設計了原理樣機,采用數(shù)值計算和試驗的方法,與相同裝藥量、相同質(zhì)量的普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部進行了比較。

1.2　2種戰(zhàn)斗部有限元模型及算法

2種戰(zhàn)斗部主要尺寸參數(shù)見表1,其中,L為戰(zhàn)斗部長,d為直徑,mp為戰(zhàn)斗部質(zhì)量,mc為炸藥質(zhì)量,mf為單枚預制破片的質(zhì)量(預制破片均為瓦狀,材料均為鋼)。

表1　2種戰(zhàn)斗部主要尺寸參數(shù)

滑塊式定向戰(zhàn)斗部由外筒、內(nèi)筒、滑塊破片體、上下端蓋和中心裝藥組成,其中戰(zhàn)斗部外筒厚度為2mm,內(nèi)筒外徑為94mm,厚度為1.5mm,內(nèi)外筒的材料都為鋁;滑塊破片體由預制破片構成,單枚預制破片厚度為11mm,高為10mm;滑塊破片體共4組,每組共20層,每組每層布置5枚破片;戰(zhàn)斗部共400枚預制破片,上下端蓋頂部厚5mm,高為25mm,端蓋材料為鋼。有限元計算模型如圖2所示。

普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部由外筒、上下2個端蓋和中心裝藥組成,其中外筒由預制破片構成;單枚預制破片厚度為6mm,高為13.125mm,共16層,每層布置31枚,共496枚;上下兩端蓋高20mm,頂部厚度為5mm,端蓋材料為鋼。有限元計算模型如圖3所示。

圖2　滑塊式定向戰(zhàn)斗部有限元計算模型

圖3　普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部有限元計算模型

2種戰(zhàn)斗部的主裝藥均采用密度為1.65g/cm3的8701炸藥,滑塊式定向戰(zhàn)斗部的主裝藥直徑為91 mm,高為240 mm,為了保證2種戰(zhàn)斗部的裝藥質(zhì)量相同,偏心定向戰(zhàn)斗部采用中空裝藥結構,裝藥外徑為107 mm,內(nèi)徑為56 mm,高為240 mm。

計算時,對2種定向戰(zhàn)斗部全模型進行建模,空氣和中心裝藥采用Euler六面體單元劃分網(wǎng)格,上下端蓋、預制破片和內(nèi)外筒均采用單點積分Lagrange六面體單元劃分網(wǎng)格。上下端蓋、破片外面及藥柱空心處為空氣層,并定義上下端蓋、外筒外面的空氣層的外邊界為非反射邊界,以模擬無限空氣域;戰(zhàn)斗部起爆方式為單點偏心起爆,起爆點設置在戰(zhàn)斗部端部距中心軸4cm的地方。

1.3　材料模型及狀態(tài)方程

戰(zhàn)斗部中心裝藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程描述,材料主要參數(shù)見表2,表中,ρ為材料密度,A和B為狀態(tài)方程相關常數(shù),D為炸藥爆速。

炸藥周圍的空氣介質(zhì)采用MAT_NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程來描述,其材料參數(shù)見表3,表中,ρ為材料密度,C1～ C6為狀態(tài)方程相關常數(shù)。

表3　空氣的基本參數(shù)

破片和端蓋為鋼,殼體為鋁,均采用MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來描述,主要參數(shù)見表4。表中,ρ為材料密度;E為楊氏模量;μ為泊松比;σ1為屈服應力;B1為應變硬化系數(shù);c為聲速;S1,S2為狀態(tài)方程相關系數(shù)。

表4　預制破片、端蓋和內(nèi)外筒材料的基本參數(shù)

1.4　計算結果與分析

為了獲得2種戰(zhàn)斗部在定向方向的破片數(shù)目、戰(zhàn)斗部周向的破片初速以及它們的飛散規(guī)律,根據(jù)上述有限元模型及材料參數(shù)對2種戰(zhàn)斗部的爆炸過程進行了模擬。設靠近起爆點的位置為0°方向,逆時針方向為正,方位角用θ表示,分別在戰(zhàn)斗部周向位置0°,45°,90°,135°,180°設置5個觀察點,如圖4所示。

圖4　2種戰(zhàn)斗部破片初速觀測點

圖5為2種戰(zhàn)斗部的預制破片飛散俯視圖,由圖可以明顯地看出,滑塊式定向戰(zhàn)斗部的預制破片基本上分布在0°和180°方向各90°范圍內(nèi),而普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部在周向均有預制破片。在定向方向90°范圍內(nèi),滑塊式定向戰(zhàn)斗部的預制破片數(shù)目為170枚,而普通偏心起爆戰(zhàn)斗部的預制破片數(shù)目為124枚,故滑塊式定向戰(zhàn)斗部在定向方向90°范圍內(nèi)的破片數(shù)目增益為37%。圖6為通過計算得到的2種戰(zhàn)斗部5個觀測點的破片初速,由圖可知,滑塊式定向戰(zhàn)斗部在90°方向上沒有預制破片,其它4個方位角的破片初速均小于普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部對應方位角的破片初速,在180°方向上破片初速減小11%。

圖5　2種戰(zhàn)斗部預制破片飛散俯視圖

圖6為通過計算得到的2種戰(zhàn)斗部5個觀測點的破片初速,由圖可知,滑塊式定向戰(zhàn)斗部在90°方向上沒有預制破片,其它4個方位角的破片初速均小于普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部對應方位角的破片初速,在180°方向上破片初速減小11%。

圖6　2種戰(zhàn)斗部5個觀測點的破片初速計算結果

2試驗驗證

2.1　試驗方案

為了檢驗滑塊式定向戰(zhàn)斗部相對于普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部在定向方向的破片數(shù)目及速度增益能力,分別對2種戰(zhàn)斗部進行了靜爆試驗,試驗共進行了4發(fā),其中2發(fā)為滑塊式定向戰(zhàn)斗部,2發(fā)為普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部,2種戰(zhàn)斗部實物照片如圖7所示。采用松木靶和測速靶測試定向方向的破片密度和周向的速度分布。試驗布置及現(xiàn)場照片如圖8、圖9所示。圖8中的(1),(2),……,(7)為組成扇形計數(shù)靶的各松木靶。

圖7　2種戰(zhàn)斗部實物照片

圖9　試驗現(xiàn)場照片

2.2　試驗結果

根據(jù)上述試驗方案,進行了靜爆試驗,測得2種戰(zhàn)斗部在定向方向45°角度范圍內(nèi)的破片數(shù)目N,結果如表5所示,其中括號內(nèi)是異常值,松木靶上的破片穿孔如圖10、圖11所示。

表5　2種戰(zhàn)斗部破片數(shù)目對比

圖10　滑塊式定向戰(zhàn)斗部破片穿孔照片

圖11　普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部的破片穿孔照片

由表5可知,滑塊式定向戰(zhàn)斗部在定向方向45°角度范圍內(nèi)破片的平均數(shù)為93枚,而普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部只有67枚。分別將2種戰(zhàn)斗部在定向方向45°角度范圍內(nèi)統(tǒng)計的破片數(shù)目乘以2就可得出這2種戰(zhàn)斗部在定向方向90°角度范圍內(nèi)的破片數(shù)目,由此得出滑塊式定向戰(zhàn)斗部在定向方向90°角度范圍內(nèi)的破片數(shù)目增益為38.8%。

圖12為試驗測得的2種戰(zhàn)斗部5個方位角的破片初速,由圖可知,滑塊式定向戰(zhàn)斗部在90°方位沒有預制破片,其它4個方位角的破片初速均小于普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部對應方位角的破片初速,在180°方向即定向方向破片初速減小3%。

圖12　2種定向戰(zhàn)斗部5個方位角的破片初速試驗結果

為了驗證定向戰(zhàn)斗部的增益能力,將計算結果與試驗結果比較,并進行誤差分析,結果見表6～表8,表中,eN,ev分別為破片數(shù)目和速度誤差。

表6　2種戰(zhàn)斗部定向方向破片數(shù)目計算值與試驗值的比較

表7　滑塊式戰(zhàn)斗部破片初速計算值與試驗值的比較

表8　普通偏心起爆戰(zhàn)斗部破片初速計算值與試驗值的比較

由表6～表8可知,計算結果與試驗結果吻合較好,2種戰(zhàn)斗部在定向方向90°角度范圍內(nèi)的破片數(shù)目數(shù)值模擬結果比試驗結果小13%,這是由于計算值中只統(tǒng)計的是預制破片的數(shù)目,而試驗值中包含了殼體產(chǎn)生的破片;在180°方向上破片初速計算結果誤差最大,為11%;其它方向破片初速計算誤差均小于10%。

3結論

①普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部爆炸后破片在周向均勻分布,而滑塊式定向戰(zhàn)斗部的破片只分布在定向和其相對的2個方向,破片利用率高。

②所設計的滑塊式定向戰(zhàn)斗部在定向方向90°角度范圍內(nèi)的破片數(shù)目比普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部高38.8%,高密度破片區(qū)分布范圍大,增益高。

③所設計的滑塊式定向戰(zhàn)斗部在定向方向的破片初速比普通偏心起爆定向戰(zhàn)斗部低3%,在后續(xù)的工作中將研究同時提高目標方位的速度增益。

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