趙長(zhǎng)嘯, 冉東岳, 劉 凱, 曹宏安, 徐建國(guó), 趙東華， 秦向生

(1. 陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校, 湖北 武漢 430075; 2. 陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210014; 3. 武漢軍代局駐鄧州地區(qū)軍代室, 河南 鄧州 425024； 4. 中國(guó)人民解放軍62101部隊(duì)， 湖北 武漢 430010)

1 引 言

多爆炸成型彈丸(Multiple Explosively Formed Projectile, MEFP)是在單個(gè)爆炸成型彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效毀傷戰(zhàn)斗部,該戰(zhàn)斗部爆炸后可生成多個(gè)彈丸,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行密集攻擊,造成大面積的毀傷,從而極大提高對(duì)空中目標(biāo)打擊毀傷的概率,相對(duì)于傳統(tǒng)的切割式MEFP[1]、組合式MEFP[2],整體式MEFP[3]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,彈丸侵徹能力強(qiáng),由此成為國(guó)內(nèi)外戰(zhàn)斗部技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

對(duì)于整體式MEFP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),Blache等[4]在戰(zhàn)斗部徑向上放置多個(gè)EFP子裝藥,采用專(zhuān)門(mén)的起爆系統(tǒng),使各子裝藥同時(shí)起爆以形成多個(gè)彈丸; 吳小蓉等[5]設(shè)計(jì)了一種整體式變形罩MEFP裝藥結(jié)構(gòu)以提高M(jìn)EFP的毀傷能力; 楊偉苓等[6]則研究了飛片起爆系統(tǒng)對(duì)整體式MEFP成型參數(shù)的影響; 范斌[7]等數(shù)值仿真研究了多點(diǎn)起爆方式對(duì)整體式MEFP戰(zhàn)斗部成型過(guò)程的影響; 本課題組前期研究了藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)和起爆方式對(duì)整體式MEFP成型參數(shù)的影響也開(kāi)展了相應(yīng)的研究[8-9]; 然而裝藥參數(shù)的改變必然影響藥型罩的成型過(guò)程,從而對(duì)生成的MEFP成型參數(shù)產(chǎn)生影響,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究則較少。

基于此,為分析裝藥參數(shù)對(duì)整體式MEFP成型的影響,本研究利用LS-DYNA軟件,數(shù)值模擬了裝藥參數(shù)對(duì)整體式MEFP成型的影響,從而得到彈丸成型參數(shù)隨裝藥間距及長(zhǎng)徑比等的變化規(guī)律,以期為優(yōu)化整體式MEFP戰(zhàn)斗部工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與仿真模型建立

2.1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體式MEFP毀傷元戰(zhàn)斗部典型裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由藥型罩、炸藥和起爆裝置組成。其中炸藥為整塊圓柱形裝藥; 7枚藥型罩均勻分布在裝藥頂端,其具體分布為: 1枚藥型罩位于裝藥結(jié)構(gòu)中央,其余6枚均勻分布在中央藥型罩的四周。藥型罩采用球缺罩,材料為紫銅,采用文獻(xiàn)[8]中優(yōu)化所得藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù); 裝藥為圓柱形裝藥,材料為B炸藥,裝藥直徑隨著藥型罩間距改變,具體為184～232 mm,裝藥高度為60 mm; 采用裝藥底部中心起爆方式。

2.2 仿真模型及材料模型

計(jì)算模型中的各部分均采用拉格朗日網(wǎng)格和Solid 164實(shí)體單元固體單元。由于戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的幾何形狀具有軸對(duì)稱性,因此根據(jù)對(duì)稱性選取1/2結(jié)構(gòu)部分建立三維模型進(jìn)行計(jì)算,具體如圖2所示。

計(jì)算中假設(shè)炸藥和藥型罩均為連續(xù)均勻介質(zhì),裝藥起爆后的整個(gè)爆炸過(guò)程為等熵絕熱過(guò)程。在彈丸的形成過(guò)程中均不考慮空氣阻力及重力作用的影響。炸藥采用B炸藥,密度1.717 g·cm-3,爆速8160 m·s-1; 藥型罩材料為紫銅,密度8.96 g·cm-3; 靶板為45#鋼,密度7.83 g·cm-3.計(jì)算中炸藥與藥型罩之間采用滑動(dòng)罰函數(shù)算法[10]。單個(gè)藥型罩則定義了自動(dòng)單面接觸,模擬藥型罩翻轉(zhuǎn)后自身外表面的接觸,從而可以有效避免網(wǎng)格之間發(fā)生穿透,仿真計(jì)算模型及參數(shù)已經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,具體參數(shù)及驗(yàn)證試驗(yàn)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

圖1 整體式MEFP戰(zhàn)斗部試驗(yàn)照片

Fig.1 Experiment picture of integral MEFP warhead

圖2 1/2整體式MEFP戰(zhàn)斗部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 Mesh of numerical model of 1/2 integral MEFP warhead

3 裝藥參數(shù)的影響

3.1 裝藥間距對(duì)整體式MEFP成型參數(shù)的影響

戰(zhàn)斗部裝藥具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

裝藥間距包括藥型罩間距d和周邊裝藥間距L。隨著裝藥間距的變化,爆轟波作用于周邊藥型罩入射角發(fā)生變化,同時(shí)藥型罩兩邊裝藥量也隨之發(fā)生改變,對(duì)毀傷元的成型參數(shù)產(chǎn)生影響,因此,為確定合理的裝藥間距,提高炸藥利用率及毀傷元對(duì)目標(biāo)的打擊毀傷能力,根據(jù)裝藥間距對(duì)其影響設(shè)置了不同的仿真研究方案,裝藥間距1.0～13 mm(每個(gè)方案增加1.5 mm)。另由圖3可知對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥間距主要分為兩種情況: (1)藥型罩間距與周邊裝藥間距相等; (2)藥型罩間距與周邊裝藥間距不相等。文中主要針對(duì)第一種情況進(jìn)行。其中藥型罩統(tǒng)一采用球缺罩,口徑為60 mm,內(nèi)曲率半徑82 mm,壁厚2.3 mm,如圖4所示。

圖3 戰(zhàn)斗部1/4結(jié)構(gòu)橫截面示意圖

Fig.3 Structure of cross section of 1/4 warhead

圖4 藥型罩結(jié)構(gòu)圖

Fig.4 Structure of liner

圖5為不同裝藥間距下周邊彈丸成型結(jié)果。由圖5可以看出,隨著裝藥間距的增加,周邊彈丸拉伸長(zhǎng)度逐漸降低,由長(zhǎng)桿型向“球形”彈丸發(fā)展。另由圖5可知,彈丸長(zhǎng)度的變化主要是因靠近裝藥邊緣的藥型罩部分微元的速度低于靠近裝藥中心部分微元,從而導(dǎo)致彈丸被拉長(zhǎng),造成上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)? 周邊藥型罩裝藥量不對(duì)稱,靠近裝藥中心一側(cè)的藥量明顯大于裝藥邊緣一側(cè),從而導(dǎo)致靠近裝藥邊緣一側(cè)的藥型罩微元所受到的爆轟壓力低于藥型罩其它微元,彈丸邊緣被拉長(zhǎng),形成不規(guī)則長(zhǎng)桿型彈丸。當(dāng)間距增大時(shí),裝藥不對(duì)稱造成的影響逐漸降低,因此,彈丸被拉伸長(zhǎng)度也隨之降低。同時(shí)由Blachel等[1]的研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于長(zhǎng)桿型彈丸,球形彈丸的飛行穩(wěn)定性更好,幾乎不受飛行姿態(tài)影響,因此,要選取適當(dāng)?shù)难b藥間距,在提高裝藥利用率的同時(shí)盡可能生成“球形”彈丸從而有效提高戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)的打擊能力。

a.d=1 mm b.d=2.5 mm c.d=4 mm

d.d=5.5 mm e.d=7 mm f.d=8.5 mm

g.d=10 mm h.d=11.5 mm i.d=13 mm

圖5 不同裝藥間距下周邊彈丸形狀

Fig.5 Shapes of surrounding projectiles under different charge spacing

為進(jìn)一步分析裝藥間距的變化對(duì)彈丸成型各參數(shù)的具體影響,對(duì)各彈丸成型參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),具體如圖6所示。

分析圖6中不同裝藥間距下整體式MEFP彈丸成型參數(shù),可得到各方案彈丸成型參數(shù)隨裝藥間距的變化規(guī)律。由圖6a可知,隨著裝藥間距(d)的增加,中心與周邊彈丸速度(v1,v2)隨之發(fā)生變化; 當(dāng)裝藥間距從1 mm增至13 mm時(shí),中心彈丸速度降低了4.3%,而周邊彈丸速度則增加了1.6%,變化幅度較小。中心彈丸長(zhǎng)徑比(L1/D1)隨著裝藥間距的變化,在1左右波動(dòng)影響較小。周邊彈丸長(zhǎng)度(L2)與彈丸發(fā)散角(α)則隨著裝藥間距的增加分別降低了63.7%和11.7%,因此,裝藥間距對(duì)整體式MEFP戰(zhàn)斗部的影響主要體現(xiàn)在周邊彈丸成型形態(tài)與發(fā)散角的變化。

由圖6c可知,周邊彈丸長(zhǎng)度(L2)隨裝藥間距的增加呈雙曲線減小規(guī)律變化,當(dāng)裝藥間距從1 mm增至13 mm時(shí),周邊彈丸長(zhǎng)度降低了63.7%,變化較大。但隨著間距的增大,周邊彈丸長(zhǎng)度減小速度逐漸降低,當(dāng)裝藥間距大于10 mm時(shí),裝藥間距的變化對(duì)彈丸長(zhǎng)度的影響已微乎其微。當(dāng)裝藥間距從1 mm增至13 mm時(shí),周邊彈丸發(fā)散角降低11.7%。且發(fā)散角隨著藥型罩間距呈雙曲線減小規(guī)律,通過(guò)擬合得到其相應(yīng)的變化方程如下:

α=8.055-0.183d+0.011d2-2.145×10-4d3

(1)

彈丸發(fā)散角的大小將直接對(duì)整體式MEFP打擊面積產(chǎn)生影響。就100 m距離上,裝藥間距分別為1 mm和13 mm兩種情況下整體式MEFP彈丸打擊面積仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表1所示。

a. velocity

b. length-diameter ratio of central projectile

c. length of surrounding projectiles and radial dispersion angle

圖6 整體式MEFP成型參數(shù)隨裝藥間距變化曲線

Fig.6 Variation curves of forming parameter of integral MEFP under different charge spacing

表1 不同裝藥間距下整體式MEFP打擊面積(100 m)

Table 1 Range area of integral MEFP under different charge spacing (100 m)

chargespacing/mmradialdispersionangle/(°)rangearea/m217．98617．38137．06481．87

由表1可知,兩種情況下,戰(zhàn)斗部打擊面積相差較大,達(dá)到28%。說(shuō)明裝藥間距對(duì)整體式MEFP戰(zhàn)斗部打擊面積影響較大,從而影響了對(duì)目標(biāo)的打擊概率。因此,實(shí)際運(yùn)用中可針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)速度的具體目標(biāo),選擇合適的打擊面積,從而提高對(duì)目標(biāo)的打擊概率。

3.2 裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)整體式MEFP成型參數(shù)的影響

戰(zhàn)斗部裝藥長(zhǎng)徑比的優(yōu)化其實(shí)就是有效裝藥問(wèn)題的研究,該研究對(duì)提高炸藥的能量利用率及減輕戰(zhàn)斗部重量具有重要的意義。因此,研究在裝藥直徑不變的情況下,裝藥高度的變化對(duì)整體式MEFP彈丸成型的影響規(guī)律,其中裝藥直徑為220 mm,裝藥間距為10 mm,裝藥高度為30～110 mm(每種方案增加10 mm)。不同方案下彈丸成型數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)彈丸成型形態(tài)影響較大。隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加,中心彈丸長(zhǎng)徑比逐漸增加,彈丸逐漸由球形向細(xì)長(zhǎng)型發(fā)展,彈丸氣動(dòng)性增強(qiáng); 周邊彈丸長(zhǎng)度則逐漸增加,彈丸氣動(dòng)性能降低。彈丸具體成型參數(shù)詳見(jiàn)圖8。

由圖8可知,隨著裝藥長(zhǎng)徑比(H/D)的增加,中心彈丸速度(v1)和長(zhǎng)徑比(L1/D1)、周邊彈丸速度(v1)與長(zhǎng)度(L2)隨之增加,而彈丸發(fā)散角則隨之先增大后減小。當(dāng)裝藥長(zhǎng)徑比由0.14增至0.50,中心彈丸速度增加了63.2%,長(zhǎng)徑比提高了94.8%; 周邊彈丸速度增加了52.0%,彈丸長(zhǎng)度則提高了95.3%; 彈丸發(fā)散角則最大變化為13.5%,從而說(shuō)明裝藥長(zhǎng)徑比是影響戰(zhàn)斗部彈丸成型的重要因素之一。

由圖8b可知,隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加,中心與周邊彈丸速度均先快速增加,然后增加趨勢(shì)逐漸趨于平緩,從而說(shuō)明炸藥質(zhì)量的增加與其對(duì)藥型罩的作用大小不成正比。

由圖8c可知,隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加,彈丸發(fā)散角先增大,再減小,當(dāng)裝藥長(zhǎng)徑比為0.26時(shí)彈丸發(fā)散角達(dá)到最大為7.07°; 當(dāng)長(zhǎng)徑比為0.5時(shí)彈丸發(fā)散角最小為6.23°,兩種情況下彈丸打擊面積相差29.1%,變化較大,因此可根據(jù)具體目標(biāo)選擇合適的長(zhǎng)徑比裝藥,以提高對(duì)目標(biāo)的命中概率。

a.H/D=0.136 b.H/D=0.182 c.H/D=0.228

d.H/D=0.273 e.H/D=0.318 f.H/D=0.364

g.H/D=0.409 h.H/D=0.455 i.H/D=0.500

圖7 不同裝藥長(zhǎng)徑比下彈丸形狀

Fig.7 Shapes of surrounding projectiles under different length-diameter ratio of charge

a. length-diameter ratio of central projectile and length of surrounding projectile

b. velocity

c. radial dispersion angle

圖8 整體式MEFP成型參數(shù)隨裝藥長(zhǎng)徑比變化曲線

Fig.8 Variation curves of forming parameter of integral MEFP under different length-diameter ratio of charge

4 結(jié) 論

(1)裝藥間距對(duì)整體式MEFP的影響主要體現(xiàn)在周邊彈丸成型形態(tài)與發(fā)散角變化上。當(dāng)裝藥間距由1 mm增至13 mm時(shí),彈丸速度變化幅度較小,中心彈丸長(zhǎng)徑比始終在1左右波動(dòng),而周邊彈丸長(zhǎng)度則隨著裝藥間距的變化降低了63.7%,彈丸外形由長(zhǎng)桿形逐漸向“球形”發(fā)展,彈丸氣動(dòng)性增強(qiáng),飛行穩(wěn)定性提高,當(dāng)裝藥間距大于10 mm時(shí),其裝藥間距對(duì)彈丸長(zhǎng)度的影響已微乎其微; 彈丸發(fā)散角隨著裝藥間距的增大逐漸減小,最大變化為11.7%。

(2)裝藥長(zhǎng)徑比是影響整體式MEFP成型的重要參數(shù)。隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加,中心彈丸速度增加了63.2%,長(zhǎng)徑比提高了94.8%,中心彈丸侵徹能力增強(qiáng); 周邊彈丸速度則隨著長(zhǎng)徑比的增加提高了52.0%,彈丸長(zhǎng)度增加了95.3%,彈丸外形由“球形”逐漸向長(zhǎng)桿形發(fā)展,彈丸氣動(dòng)性減弱; 彈丸發(fā)散角則隨著裝藥長(zhǎng)徑比先增大后減小,最大變化為13.5%,因此,實(shí)際運(yùn)用中可根據(jù)具體目標(biāo)選擇合適的長(zhǎng)徑比裝藥,以提高對(duì)目標(biāo)的打擊毀傷概率。

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