EFP戰(zhàn)斗部破片場(chǎng)復(fù)合技術(shù)研究

龔柏林,王可慧,初哲,吳海軍,耿寶剛,吳崇欣

(西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

摘要:為提高破片模式的毀傷效能,提出了一種將預(yù)制破片群與藥型罩破片群相結(jié)合的復(fù)合破片場(chǎng)成型技術(shù),給出了復(fù)合破片戰(zhàn)斗部的彈體結(jié)構(gòu),對(duì)破片場(chǎng)的成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:采用該技術(shù)的戰(zhàn)斗部,可形成中心區(qū)域?yàn)樗幮驼制破?、外環(huán)為預(yù)制破片群的復(fù)合破片場(chǎng),且形成的破片場(chǎng)密度均勻,徑向散布角達(dá)22.5°;該復(fù)合破片場(chǎng)成型技術(shù)可應(yīng)用于巡飛彈戰(zhàn)斗部。

關(guān)鍵詞:爆炸力學(xué);預(yù)制破片群;藥型罩破片群;聚能裝藥

收稿日期:2014-03-05

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金青年

作者簡(jiǎn)介:龔柏林(1982- ),男,博士,助理研究員,研究方向?yàn)槌Ｒ?guī)戰(zhàn)斗部技術(shù)。E-mail:gongbolin@nint.ac.cn。

中圖分類號(hào):O383文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

ResearchonFormingTechnologyofCompositeFragmentsFieldofEFP

GONGBai-lin,WANGKe-hui,CHUZhe,WUHai-jun,GENGBao-gang,WUChong-xin

(NorthwesternInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)

Abstract:In order to enhance the damage ability and effect of fragments mode,a forming technology of composite fragments field was proposed,and the preformed fragments were combined with the liner fragments.The projectile structure of composite fragments warhead was presented.The progress of forming the composite fragments field was simulated,and the forming effects were validated by experiments.The results show that a composite fragments field can be formed by the technology.Liner fragments are in the central region of the field,and the preformed fragments are distributed in the outside ring region.Fragments are distributed equally in the field,and the radial dispersion angle of fragments reaches to 22.5°.The forming technology of composite fragments field can be used in warhead of loitering missile.

Keywords:explosionmechanics;preformedfragments;linerfragments;shapedcharge

巡飛彈是打擊地面裝甲目標(biāo)的利器。但隨著地面戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)概念的變化,新目標(biāo)不斷產(chǎn)生,機(jī)動(dòng)防空系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)雷達(dá)站和機(jī)動(dòng)指揮系統(tǒng)已成為重點(diǎn)打擊的高附加值地面目標(biāo)。因此,現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)彈藥的對(duì)地毀傷能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),要求彈藥既能有效打擊重裝甲目標(biāo),又能對(duì)付輕防護(hù)的面目標(biāo)。地面裝甲目標(biāo)是爆炸成型彈丸(EFP)首選的打擊要素。對(duì)于機(jī)動(dòng)雷達(dá)等面目標(biāo),往往以預(yù)制破片群或藥型罩破片群進(jìn)行覆蓋式打擊[1,2]。參考國(guó)內(nèi)外對(duì)雷達(dá)毀傷等級(jí)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),要實(shí)施對(duì)其Ⅰ級(jí)致命毀傷,要求擊毀其50%以上的天線陣饋元。這對(duì)破片的密度和侵徹能力均提出了更高的要求。若完全依靠預(yù)制破片群進(jìn)行打擊,就無法與EFP集成,不能滿足打擊裝甲目標(biāo)的需求。而藥型罩破片群在破片的數(shù)量和密度上往往受限[4-8],難以對(duì)目標(biāo)實(shí)施致命毀傷。

為了克服上述問題,提出了一種將預(yù)制破片群與藥型罩破片群相結(jié)合的復(fù)合破片場(chǎng)成型技術(shù),并對(duì)破片場(chǎng)的成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真,最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1彈體結(jié)構(gòu)

彈體結(jié)構(gòu)主要包括主裝藥、外殼體、藥型罩、預(yù)制破片、預(yù)制破片層蓋板、內(nèi)殼體、端蓋和切割裝置等,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。彈體的整體長(zhǎng)徑比為0.67。采用船尾形裝藥,主裝藥選用某含鋁炸藥;藥型罩為3mm厚球缺形紫銅罩,口部直徑76mm;殼體、端蓋及切割裝置均由45#鋼材料制成,其中殼體、預(yù)制破片蓋板和切割裝置厚3 mm,端蓋的高度為15mm;預(yù)制破片為φ6mm的93鎢合金珠。

圖1　戰(zhàn)斗部彈體結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)對(duì)主裝藥上端面中心實(shí)施單點(diǎn)起爆時(shí),藥型罩首先被壓垮,當(dāng)接近呈平板狀時(shí)與網(wǎng)狀切割裝置發(fā)生作用。藥型罩被破壞、分割,并繼續(xù)沿軸向飛散,形成藥型罩破片群。 而藥型罩周圍的預(yù)制破片在主裝藥的爆轟驅(qū)動(dòng)作用下直接沿軸向飛散,形成預(yù)制破片群。2類破片群互相補(bǔ)充,相互結(jié)合,最終形成一個(gè)覆蓋目標(biāo)一定區(qū)域的復(fù)合破片場(chǎng)。該破片場(chǎng)既包含具有較多破片數(shù)的預(yù)制破片群,又包含具有較強(qiáng)侵徹能力的藥型罩破片群。另外,針對(duì)重裝甲目標(biāo),只有形成單個(gè)EFP才能對(duì)其進(jìn)行有效打擊。此時(shí),可以首先破壞切割裝置,為EFP的成型留出通道,一定延時(shí)后再起爆主裝藥,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)EFP模式。

2復(fù)合破片場(chǎng)成型過程的數(shù)值仿真

對(duì)復(fù)合破片場(chǎng)的成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真。仿真工具選用大型有限元計(jì)算軟件LS-DYNA3D,采用ALE算法。計(jì)算中,主裝藥、藥型罩和空氣被剖分為歐拉網(wǎng)格,外殼體、預(yù)制破片、預(yù)制破片蓋板、內(nèi)殼體、端蓋和切割裝置被剖分為拉格朗日網(wǎng)格,并置入歐拉網(wǎng)格中。各結(jié)構(gòu)之間采用自動(dòng)面-面接觸,預(yù)制破片間采用單面接觸。主裝藥采用高能燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述,藥型罩采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述,殼體、端蓋及切割裝置均采用流體彈塑性材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述,預(yù)制破片采用彈塑性材料模型描述。計(jì)算中采取的材料模型及參數(shù)分別如表1～表4所示。表中,ρ為材料密度;D為爆速;pC-J為C-J壓力;e0為初始比內(nèi)能;A,B,R1,R2,ω均為材料常數(shù);V0為初始相對(duì)體積;G為剪切模量;A′,B′,N,C,M為常數(shù);Tm為熔化溫度;σs為失效應(yīng)力;c為聲速;S1,S2,S3,γ0為常數(shù);EY為楊氏模量;μ為泊松比;Etan為切線模量。

表1　主裝藥的材料參數(shù)

表2　藥型罩的材料參數(shù)

表3　殼體、端蓋及切割裝置的材料參數(shù)

表4　預(yù)制破片的材料參數(shù)

圖2　復(fù)合破片場(chǎng)成型過程數(shù)值仿真結(jié)果

起爆點(diǎn)位于裝藥上端面中心。復(fù)合破片場(chǎng)的成型過程數(shù)值仿真結(jié)果如圖2所示。數(shù)值仿真結(jié)果表明,彈體能夠?qū)崿F(xiàn)2類破片場(chǎng)的復(fù)合成型。藥型罩破片群和預(yù)制破片群能先、后實(shí)施對(duì)目標(biāo)中心區(qū)和外環(huán)區(qū)的覆蓋。

基于數(shù)值仿真結(jié)果,統(tǒng)計(jì)了預(yù)制破片的徑向散布角θ和軸向(目標(biāo)方向)速度vz的分布情況,分別如圖3、圖4所示,圖中,n為預(yù)制破片數(shù)。由圖可見,受爆轟波形及有效裝藥量影響,越靠近軸心的預(yù)制破片其飛散速度越高。

圖3　預(yù)制破片徑向散布角分布數(shù)值仿真結(jié)果

圖4　預(yù)制破片軸向速度分布數(shù)值仿真結(jié)果

計(jì)算中藥型罩被剖分為歐拉單元,因此無法給出藥型罩破片群的數(shù)量和質(zhì)量的分布統(tǒng)計(jì)。但從仿真結(jié)果可以看出,藥型罩被切割裝置破壞后,能形成多個(gè)小的藥型罩破片,并較好地填補(bǔ)了預(yù)制破片群在中心區(qū)域的空白。由于存在速度梯度并受切割裝置影響,該破片群由前、后兩部分藥型罩破片組成。前部分主要來自球缺形藥型罩的中間部位,速度較高(約1 600～1 890m/s);后部分主要來自藥型罩的外圍部位,速度略低(約1 100～1 600m/s)。圖5為藥型罩破片群在140μs時(shí)刻的軸向速度vz分布圖(單位:cm/μs)。

圖5　藥型罩破片群軸向速度分布數(shù)值仿真結(jié)果

3復(fù)合破片場(chǎng)成型靶效實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該成型技術(shù)方案的可行性,在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上,開展了戰(zhàn)斗部靜爆打靶實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)彈體結(jié)構(gòu)參數(shù)如前所述,彈體實(shí)物如圖6所示。其中,端蓋的圓盤部分主要用于彈體的懸吊。起爆方式為主裝藥上端面中心單點(diǎn)起爆。

實(shí)驗(yàn)時(shí)炸高設(shè)為1m。參考數(shù)值仿真結(jié)果中破片場(chǎng)的徑向散布范圍,采用尺寸為1 000mm×1 000mm×10mm的45#鋼板作為效應(yīng)靶板。靶板平置于地面,通過靶架將彈體懸吊于靶板上方,彈體垂直向下,彈體中心與靶板中心對(duì)正。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)彈靶布局如圖7所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)彈體實(shí)物

圖7　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)彈靶布局

實(shí)驗(yàn)回收的靶板如圖8所示。在復(fù)合破片場(chǎng)的作用下,靶板嚴(yán)重毀傷。整個(gè)破片落點(diǎn)場(chǎng)呈規(guī)則圓形分布,密度均勻,無明顯的覆蓋盲區(qū)。靶板中心區(qū)的破片落點(diǎn)基本均為貫穿,且越靠近瞄準(zhǔn)中心,靶板落點(diǎn)的侵深越深。根據(jù)靶板上穿孔或彈坑的形狀,以及落點(diǎn)邊緣有無殘留紫銅痕跡,可以判斷對(duì)應(yīng)的破片為預(yù)制破片或藥型罩破片。觀察發(fā)現(xiàn),藥型罩破片主要分布在破片場(chǎng)中心區(qū)域,而預(yù)制破片分布于外圍。這些現(xiàn)象均與數(shù)值仿真結(jié)果比較一致。

圖8　實(shí)驗(yàn)回收的靶板

落區(qū)中心為藥型罩破片落點(diǎn),落點(diǎn)穿孔或彈坑形狀不規(guī)則。貫穿靶板的有效藥型罩破片有34枚,其中最小穿孔直徑3mm,最大穿孔直徑50mm。藥型罩破片群中有效破片落點(diǎn)區(qū)直徑為205mm,徑向散布角約為11.7°。

落區(qū)外圍為預(yù)制破片落點(diǎn),落點(diǎn)穿孔或彈坑形狀呈規(guī)則圓形。有效預(yù)制破片落點(diǎn)區(qū)直徑為430mm,徑向散布角約22.5°。而數(shù)值仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)中破片最大徑向散布角為32°,散布角在0～22.5°之間的破片數(shù)占87%。出現(xiàn)這個(gè)偏差的原因是,數(shù)值仿真中統(tǒng)計(jì)了所有破片單元節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),而實(shí)驗(yàn)中僅統(tǒng)計(jì)了有效破片數(shù),即侵深在6mm以上的破片數(shù)量,外圍一些侵深較淺的破片數(shù)未統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。預(yù)制破片群中有20枚貫穿10mm靶板,主要分布在直徑為205～260mm的圓環(huán)區(qū)域,其余未貫穿。約92枚預(yù)制破片落點(diǎn)侵深8～10mm,主要分布在直徑為260～375mm的圓環(huán)區(qū)域。約41枚預(yù)制破片落點(diǎn)侵深6～8mm,主要分布在直徑為375～430mm的圓環(huán)區(qū)域。

4結(jié)論

提出了藥型罩破片群與預(yù)制破片群相結(jié)合的復(fù)合破片場(chǎng)成型技術(shù), 并得到了數(shù)值仿真和靶效實(shí)驗(yàn)

的初步驗(yàn)證。形成的破片場(chǎng)中心區(qū)域?yàn)樗幮驼制破?外環(huán)區(qū)域?yàn)轭A(yù)制破片群。破片場(chǎng)中的破片密度均勻,散布角達(dá)22.5°。該復(fù)合破片場(chǎng)成型技術(shù)可應(yīng)用于巡飛彈戰(zhàn)斗部。

參考文獻(xiàn)

[1]李學(xué)林,項(xiàng)鑫,黃廣炎,等.鎢球破片對(duì)相控陣?yán)走_(dá)典型部件的侵徹特性研究.兵工學(xué)報(bào),2010,31(1):51-54.

LIXue-lin,XIANGXin,HUANGGuang-yan,etal.Penetrationcharacteristicsoftungstenspherefragmenttotypicalcomponentsofphasedarrayradar.ActaArmamentarii,2010,31(1):51-54.(inChinese)

[2]徐文亮,吳俊斌,何春,等.破片殺傷型戰(zhàn)斗部對(duì)典型雷達(dá)目標(biāo)的毀傷研究.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2009(4):26-30.

XUWen-liang,WUJun-bin,HEChun,etal.Studyoffragmentationwarheaddamagetotypicalradartarget.TacticalMissileTechnology,2009(4):26-30.(inChinese)

[3]羅宇,黃風(fēng)雷,劉彥.反輻射導(dǎo)彈對(duì)某型雷達(dá)目標(biāo)毀傷能力的評(píng)估.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2005,25(1):139-141.

LUOYu,HUANGFeng-lei,LIUYan.Damageevaluationofanti-radiationmissileagainsttypicalradartarget.JournalofProjectiles,Rockets,MissilesandGuidance,2005,25(1):139-141.(inChinese)

[4]張洋溢,龍?jiān)?余道強(qiáng),等.切割網(wǎng)柵作用下EFP形成多破片的數(shù)值分析.彈道學(xué)報(bào),2009,21(2):90-94.

ZHANGYang-yi,LONGYuan,YUDao-qiang,etal.NumericalanalysisofEFPformingmulti-fragmentsduetocuttingreseau.JournalofBallistics,2009,21(2):90-94.(inChinese)

[5]李金鳳.爆炸載荷作用下藥型罩形成多破片的數(shù)值模擬.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,30(2):186-188.

LIJin-feng.Numericalsimulationoflinerformingmulti-fragmentsduetoexplosiveloading.JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnology,2006,30(2):186-188.(inChinese)

[6]周翔,龍?jiān)?余道強(qiáng),等.多彈頭爆炸成型彈丸數(shù)值仿真及發(fā)散角影響因素.兵工學(xué)報(bào),2006,27(1):23-26.

ZHOUXiang,LONGYuan,YUDao-qiang,etal.NumericalsimulationandeffectanalysisforradialdispersionofMEFP.ActaArmamentarii,2006,27(1):23-26.(inChinese)

[7]BENDERD,FONGR.Dualmodewarheadtechnologyforfuturesmartmunitions//19thInternationalSymposiumofBallistics.Interlaken,Switzerland:IBC,2001.

[8]FONGR.Selectableeffectsexplosivelyformedpenetratorwarhead:USP,5540156.1996-07-30.