趙宇哲，李 健，馬天寶

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

1 引 言

作為導(dǎo)彈的有效載荷，戰(zhàn)斗部是對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)終端毀傷的核心組成部分，其毀傷效率決定著武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。隨著現(xiàn)代航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，固定翼飛機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和武裝直升機(jī)等空中目標(biāo)的威脅不斷升級(jí)。由于這些目標(biāo)均具有速度高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、無(wú)重型裝甲防護(hù)的特點(diǎn)[1]，因此，為了彌補(bǔ)導(dǎo)彈命中精度方面的不足，提高殺傷面積，空空導(dǎo)彈通常使用破片殺傷為主的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)。另一方面，將定向毀傷技術(shù)和破片殺傷模式相配合，可以進(jìn)一步提高對(duì)空導(dǎo)彈的終端威力[2]。定向戰(zhàn)斗部可以根據(jù)具有識(shí)別目標(biāo)或目標(biāo)要害部位脫靶方位能力的引信選定方位，通過轉(zhuǎn)動(dòng)、形變戰(zhàn)斗部或者對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥起爆實(shí)施定向控制等方式控制其威力諸元在彈體徑向和周向上的集中飛散，從而提高戰(zhàn)斗部的殺傷威力和毀傷概率[3]。定向戰(zhàn)斗部技術(shù)的研究起源于20世紀(jì)60年代末，20世紀(jì)70年代初期Talley[4]提出了多列雷管偏心引爆定向戰(zhàn)斗部，通過導(dǎo)線與控制盒來(lái)連接近炸裝置進(jìn)行起爆雷管的選擇，來(lái)實(shí)現(xiàn)定向殺傷；Kempton[5]首次采用二次起爆技術(shù)，提出了外裝藥內(nèi)殼體的設(shè)計(jì)方案，以此增加目標(biāo)方向的破片密度；1991年Menz等人[6]提出爆轟成型定向戰(zhàn)斗部，同樣利用二次起爆技術(shù)，獲得了較大的定向飛散破片流，增強(qiáng)了對(duì)目標(biāo)的攻擊威力。到目前為止，偏心起爆式、破片芯式、可變形和隨動(dòng)式等類型的定向戰(zhàn)斗部在國(guó)外已經(jīng)得到了應(yīng)用[7-8]，已經(jīng)服役的型號(hào)包括俄羅斯的P-77、美國(guó)的AIM-120C-5/7以及歐洲國(guó)家的“天閃”、“西北風(fēng)”、“米卡”等空空導(dǎo)彈[1]。我國(guó)對(duì)定向戰(zhàn)斗部技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，直到20世紀(jì)80年代末才陸續(xù)開始，20世紀(jì)90年代初馮順山等人[9]對(duì)偏軸心起爆破片初速的徑向分布規(guī)律進(jìn)行了研究；龔柏林等人[10]采用Lagrange算法研究了D型雙層殼體預(yù)制破片戰(zhàn)斗部的破片飛散特性，并于2009年至2010年間利用變形面理論模型，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了分析彈體的變形型面[11]。然而，這些研究主要集中在偏心起爆和爆炸變形定向戰(zhàn)斗部方面，破片數(shù)目增益也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)外水平[12-13]，關(guān)于新型定向戰(zhàn)斗部的研究則較少。近年來(lái)，李向東等人[14]提出了滑塊式定向戰(zhàn)斗部技術(shù)，通過驅(qū)動(dòng)火藥引燃產(chǎn)生氣體，推動(dòng)破片滑塊向目標(biāo)方向集中，從而增加目標(biāo)方向上的破片數(shù)目增益。其實(shí)早在1976年，David等人[15]便提出了一種可變形戰(zhàn)斗部，通過機(jī)械展開動(dòng)作使破片全部位于目標(biāo)方向上，我們稱之為展開式定向戰(zhàn)斗部，其較高的破片利用率正是解決空空導(dǎo)彈在結(jié)構(gòu)尺寸與質(zhì)量等限制條件下提高終端毀傷威力的有效技術(shù)，對(duì)縮小我國(guó)與國(guó)外在定向戰(zhàn)斗部技術(shù)上的差距有著重要的意義。

本工作根據(jù)展開式定向戰(zhàn)斗部的作用原理及結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計(jì)加工實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)，并進(jìn)行戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)研究，利用高速攝影技術(shù)記錄主裝藥部分在爆炸載荷作用下的定向展開過程，研究驅(qū)動(dòng)藥加載量對(duì)戰(zhàn)斗部展開時(shí)間的影響以及不同驅(qū)動(dòng)藥加載方式與主裝藥部分展開狀態(tài)的關(guān)系，驗(yàn)證展開式定向戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，以期為展開式定向戰(zhàn)斗部實(shí)現(xiàn)定向展開與破片毀傷一體化設(shè)計(jì)和進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)藥加載方案提供參考。

2 展開式定向戰(zhàn)斗部的作用原理

圖1 展開式定向戰(zhàn)斗部毀傷原理Fig.1 Damage principle of spreadable aimed warhead

展開式定向戰(zhàn)斗部由主裝藥、固連裝置、破片層及上下端蓋等部分構(gòu)成，其作用原理如圖1所示，毀傷過程可以概述如下：4個(gè)主裝藥由4組固連裝置連接為一體，引信確定目標(biāo)方位后，起爆控制系統(tǒng)引爆固連裝置中小型裝藥，切斷與目標(biāo)方向相反方向的一組固連裝置，使相鄰戰(zhàn)斗部斷開位置呈無(wú)約束自由端，同時(shí)引爆控制主裝藥展開動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)藥，推動(dòng)4個(gè)主裝藥以剩余3組固連裝置為軸朝目標(biāo)方向定向展開，當(dāng)主裝藥展開角度到達(dá)90°時(shí)起爆主裝藥驅(qū)動(dòng)破片集中朝目標(biāo)方向高速飛散，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效毀傷。通過對(duì)展開式定向戰(zhàn)斗部毀傷原理的分析，可以看出，主裝藥在爆炸載荷作用下能否實(shí)現(xiàn)定向展開以及在展開過程中結(jié)構(gòu)是否完整是影響戰(zhàn)斗部終端毀傷效果的關(guān)鍵因素。

3 展開式定向戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方法

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(a) 2D model (b) 3D model圖2 展開式定向戰(zhàn)斗部模型Fig.2 Spreadable aimed warhead model

設(shè)計(jì)的展開式定向戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。主裝藥部分為不規(guī)則五邊形殼體，殼體兩直角邊設(shè)計(jì)有片狀驅(qū)動(dòng)藥裝藥槽，內(nèi)部掏空作為主裝藥槽。為了避免驅(qū)動(dòng)藥起爆時(shí)引起主裝藥殉爆，驅(qū)動(dòng)藥裝藥槽與主裝藥槽之間的殼體具有一定厚度。殼體上、下端面以端蓋密封，殼體外側(cè)為金屬破片。作為戰(zhàn)斗部展開過程中的主要連接控制部件，固連裝置不僅要保證主裝藥部分在展開過程中的連貫性與完整性，而且還要限制展開角度。因此固連裝置設(shè)計(jì)為雙頁(yè)片鉸鏈機(jī)構(gòu)，兩頁(yè)片軸向分別刻以凹槽與凸槽，并由鉸鏈軸串聯(lián)，以限制軸向位移；并且凹凸頁(yè)片固連于相鄰殼體同側(cè)，當(dāng)主裝藥部分展開角度達(dá)到90°時(shí)，兩頁(yè)片發(fā)生碰撞，實(shí)現(xiàn)角度控制功能。

主裝藥殼體與上、下端蓋的加工材料選用LY12高強(qiáng)度鋁合金。由于該材料具有密度較低、韌性好、且易加工的特性，不僅可以降低戰(zhàn)斗部總質(zhì)量，避免導(dǎo)彈質(zhì)量超載，而且還可以通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)有效地降低驅(qū)動(dòng)藥起爆引起的主裝藥的殉爆幾率。作為主要的連接部件，鉸鏈結(jié)構(gòu)需要選擇強(qiáng)度大、硬度高且不易變形的材料，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用45鋼，以保證鉸鏈結(jié)構(gòu)在剪切或拉伸狀態(tài)下不發(fā)生斷裂。傳統(tǒng)的預(yù)制破片一般選用高強(qiáng)度的鎢合金球或鋼球，但是，由于本實(shí)驗(yàn)不考慮破片的毀傷效果，故可以采用一定厚度的45鋼板代替。材料的主要參數(shù)見表1，其中σ0.2為有效屈服極限，σb為拉伸強(qiáng)度，δ為伸長(zhǎng)率。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

展開式定向戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)中使用的原理樣機(jī)如圖3所示。由于實(shí)驗(yàn)主要研究主裝藥部分的定向展開過程，因此只裝配有3組鉸鏈，剩余一端設(shè)置為自由端，上、下端蓋與鉸鏈通過螺釘與殼體緊固。主裝藥以等效質(zhì)量的木粉、沙子和石蠟加熱混合而成的配重替代。驅(qū)動(dòng)藥填充于圖3(a)中左右兩個(gè)裝藥槽中(實(shí)驗(yàn)過程中上下裝藥槽未填充驅(qū)動(dòng)藥)，并且裝藥量可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了表述方便，定義靠近自由端的裝藥槽為外部裝藥槽，另一端為內(nèi)部裝藥槽。驅(qū)動(dòng)藥由導(dǎo)爆索連接8號(hào)雷管同步起爆。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的直徑為160 mm，軸向高度為220 mm，裝配完成后的總質(zhì)量為14.7 kg。

(a) Horizontal (b) Vertical圖3 展開式定向戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)Fig.3 Prototype of spreadable aimed warhead

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖4 實(shí)驗(yàn)布局Fig.4 Experimental setup

高速攝影技術(shù)是爆炸撞擊等實(shí)驗(yàn)研究中最常用的診斷方法之一。與一般攝影技術(shù)相比，高速攝影技術(shù)具有較高的時(shí)間分辨本領(lǐng)，能夠?qū)ε臄z目標(biāo)的快速變化過程進(jìn)行跟蹤和記錄[16-17]。由于高速攝影技術(shù)在攝影頻率、曝光時(shí)間等方面的優(yōu)越性，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種常規(guī)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)中，如常規(guī)戰(zhàn)斗部的穿甲、彈道和飛行姿態(tài)的研究，并獲得了良好的效果[18]。為了準(zhǔn)確地觀察與分析展開式定向戰(zhàn)斗部的動(dòng)態(tài)展開過程，實(shí)驗(yàn)中使用奧林巴斯I-speed 3高速攝影儀進(jìn)行觀測(cè)。該攝影儀的最高分幅率為150 000幅/秒，實(shí)驗(yàn)中分幅率設(shè)定為10 000幅/秒，即拍攝精度為0.1 ms。所錄制畫面以數(shù)據(jù)文件格式儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)內(nèi)，可以通過專門的軟件對(duì)圖像進(jìn)行讀取和分析。實(shí)驗(yàn)裝置布局如圖4所示，高速攝影儀放置于一定高度的支撐平臺(tái)上，與戰(zhàn)斗部的間距為10 m。這種布局一方面可以保證主裝藥部分的展開方向與鏡頭保持水平，另一方面也可以避免由于地面摩擦而引起的結(jié)果失真。此外，為了保證拍攝過程中圖像的清晰度，在距離戰(zhàn)斗部2 m處還放置了高速鼓風(fēng)機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)內(nèi)、外裝藥槽中裝藥質(zhì)量的不同，共進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中mtotal為驅(qū)動(dòng)藥總質(zhì)量，t為展開時(shí)間。可以看出，實(shí)驗(yàn)中戰(zhàn)斗部的展開時(shí)間均在15 ms內(nèi)，并且隨著驅(qū)動(dòng)藥質(zhì)量的增加而減小，最短的展開時(shí)間為8.7 ms。根據(jù)戰(zhàn)斗部引信延遲時(shí)間的要求[19]，迎頭攻擊狀態(tài)下，展開時(shí)間需控制在0.461～13.484 ms；追尾攻擊狀態(tài)下，展開時(shí)間需控制在0.657～21.521 ms。由此可見，3組實(shí)驗(yàn)均滿足引信對(duì)展開式定向戰(zhàn)斗部延遲時(shí)間的一般要求。

表2 戰(zhàn)斗部展開時(shí)間Table 2 Spread time of the warhead

圖5為第1組展開實(shí)驗(yàn)中高速攝影設(shè)備記錄的圖象，記錄總時(shí)長(zhǎng)為17 ms。取中間鉸鏈為中軸線，并將4個(gè)主裝藥體分別標(biāo)定為1、2、3、4號(hào)，如圖5(i)所示。實(shí)驗(yàn)過程中，驅(qū)動(dòng)藥起爆后產(chǎn)生大量能量并發(fā)出強(qiáng)烈黃光，在爆轟產(chǎn)物的作用下，主裝藥部分關(guān)于中軸線對(duì)稱展開。在6 ms之前，2、3號(hào)主裝藥的展開動(dòng)作較為明顯，而1、4號(hào)主裝藥則基本保持初始位置，展開動(dòng)作并不明顯，如圖5(a)～5(b)所示；在6～17 ms，1、4號(hào)主裝藥發(fā)生明顯的展開，而2、3號(hào)主裝藥則基本保持穩(wěn)定，如圖5(d)～5(i)所示；最后，戰(zhàn)斗部完全展開，殼體外側(cè)的破片層處于同一平面，展開動(dòng)作停止。由此可見，4個(gè)主裝藥部分的展開動(dòng)作是相互協(xié)調(diào)進(jìn)行的，爆轟載荷下戰(zhàn)斗部的定向展開是一個(gè)復(fù)雜的過程。

(a) t=2 ms (b) t=4 ms (c) t=6 ms (d) t=8 ms (e) t=10 ms

(f) t=12 ms (g) t=13 ms (h) t=15 ms (i) t=17 ms圖5 展開式定向戰(zhàn)斗部定向展開過程Fig.5 Directed spread process of spreadable aimed warhead

觀察自驅(qū)動(dòng)藥起爆到戰(zhàn)斗部完全展開整個(gè)過程，各組成部件沒有發(fā)生分離，且在一定時(shí)間內(nèi)保持了完全展開狀態(tài)，由圖6中的實(shí)驗(yàn)回收結(jié)構(gòu)也可以看出，殼體與鉸鏈機(jī)構(gòu)沒有發(fā)生破壞，各個(gè)主裝藥部分之間的展開角度控制在90°左右，說明鉸鏈機(jī)構(gòu)不僅保證了戰(zhàn)斗部在展開過程中的完整性，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)展開角度進(jìn)行控制的功能。

3組實(shí)驗(yàn)分別采用了3種不同的驅(qū)動(dòng)藥加載方式，將1號(hào)與2號(hào)主裝藥的夾角定義為α，2號(hào)與3號(hào)主裝藥的夾角定義為β，由于對(duì)稱關(guān)系，3號(hào)與4號(hào)主裝藥的夾角也為α。因此，1、4號(hào)主裝藥的展開狀態(tài)由α決定，而2、3號(hào)主裝藥的展開狀態(tài)由β決定。圖7為戰(zhàn)斗部一般空間位置，由于各主裝藥關(guān)于x軸對(duì)稱，故只需分析y軸正方向即可，其中L1為兩相鄰鉸鏈軸之間的直線距離，L2為鉸鏈軸到上端蓋標(biāo)定點(diǎn)的距離，這兩個(gè)數(shù)據(jù)通過對(duì)原理樣機(jī)測(cè)量得到；a、b分別為L(zhǎng)1、L2在y軸上的投影長(zhǎng)度，相關(guān)數(shù)據(jù)通過高速攝影記錄圖像獲取。根據(jù)圖7中的幾何關(guān)系，可以得到α和β的表達(dá)式如下

式中 :θ=arcsin(a/L1)，γ=arcsin(b/L2)。

圖6 實(shí)驗(yàn)后回收的結(jié)構(gòu)Fig.6 Recycled experiment structure

圖7 戰(zhàn)斗部的一般位置Fig.7 General position of warhead

設(shè)minside和moutside分別為內(nèi)部和外部裝藥槽中的驅(qū)動(dòng)藥質(zhì)量，根據(jù)minside和moutside取值的不同可知，3組實(shí)驗(yàn)分別對(duì)應(yīng)于等藥量、外多內(nèi)少、外少內(nèi)多3種加載狀態(tài)。由(1)式和(2)式計(jì)算得出α和β的變化情況，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，如圖8所示。分析可得，不同加載方式下，戰(zhàn)斗部的展開過程如下。

(a) 等藥量加載

根據(jù)α、β曲線斜率的變化情況，可以將展開過程分為3個(gè)階段，并且兩曲線的階段劃分基本一致。3個(gè)階段α的增幅分別為37.2°、13.4°、42.4°，平均角速度分別為130、47、146 rad/s。β的角度增幅分別為21.3°、46.1°、22.6°，相應(yīng)的平均角速度分別為74、161與84 rad/s。等藥量加載下，α曲線呈“S”型，β曲線呈反“S”型，第1、第3階段與第2階段的角度變化差別較大。

(b) 內(nèi)多外少加載

仍然可以將展開過程劃分為3個(gè)階段，但是兩曲線的階段劃分不一致，如圖8(b)所示。3個(gè)階段α的增幅分別為63.9°、7.9°、18.2°，平均角速度分別為185、46及88 rad/s。β增幅分別為14.8°、72.1°、3.1°，相應(yīng)的平均角速度分別為80、171與34 rad/s。由此可知，相比于等藥量加載，該加載方式下第1階段的α角和第2階段β角的變化最明顯，使得主裝藥展開過程分段明顯。

(c) 外多內(nèi)少加載

可將展開過程分為兩個(gè)階段，其中α、β曲線分別以α=62°、β=88.8°為分界點(diǎn)。兩個(gè)階段中，α的平均角速度分別為180與162 rad/s；β的平均角速度分別為194和21 rad/s，且在第1階段基本線性增加。該加載方式下，兩條曲線上升趨勢(shì)基本一致且速度相差不大，即各主裝藥近似同步展開。

為了同時(shí)起爆主裝藥，降低起爆觸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)難度，理想展開方式應(yīng)為4個(gè)主裝藥部分同步展開，即α、β具有相同的增幅和角速度。根據(jù)上述分析，驅(qū)動(dòng)藥外多內(nèi)少的加載方式最好。

(a) minside=moutside=7.5 g (b) minside=10 g，moutside=6 g (c) minside=8 g，moutside=13 g圖8 角度變化曲線Fig.8 Variation curves of spreading angles

5 結(jié) 論

通過對(duì)展開式定向戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)的展開實(shí)驗(yàn)測(cè)試及高速攝影記錄數(shù)據(jù)分析，得到了以下結(jié)論：(1) 所設(shè)計(jì)的展開式定向戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)合理可靠，實(shí)現(xiàn)了在爆炸載荷作用下主裝藥部分的定向展開動(dòng)作，并且保證了良好的結(jié)構(gòu)完整性與角度限制功能；(2) 水平加載驅(qū)動(dòng)藥可以實(shí)現(xiàn)主裝藥部分的完整展開，且隨裝藥量增加展開時(shí)間不斷縮短；(3) 外部裝藥槽中驅(qū)動(dòng)藥多于內(nèi)部裝藥槽的加載方式更有利于各主裝藥的同步展開，還可以有效降低起爆觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

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