梁安定，黃靜，何勇，孫興昀

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

殺傷增強裝置技術(shù)是防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)的前沿技術(shù)之一，通過拋撒低速破片形成破片幕，依靠彈目相對動能攔截高超聲速飛行的導(dǎo)彈目標。殺傷增強裝置技術(shù)屬于動能碰撞攔截殺傷的防空反導(dǎo)模式[1-8]。

根據(jù)資料[9]顯示，國外用于反導(dǎo)和反飛機目的的攔截方式主要是動能碰撞攔截殺傷和戰(zhàn)斗部破片殺傷。相比戰(zhàn)斗部破片殺傷方式，動能碰撞攔截殺傷的優(yōu)點主要是：減少了導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合的難度，減少了彈上部件，可以增加導(dǎo)彈作戰(zhàn)空域，費效比也較低。美軍對帶有殺傷增強裝置的動能碰撞攔截殺傷反導(dǎo)進行了試驗，試驗表明動能碰撞攔截殺傷在2 m內(nèi)脫靶量情況下具有良好的反導(dǎo)效果[10]。

殺傷增強裝置是動能碰撞攔截反導(dǎo)導(dǎo)彈的主要功能件，如何實現(xiàn)大質(zhì)量破片的低速拋撒是主要研究難題之一。本文提出了一種以炸藥為驅(qū)動能源的大質(zhì)量破片低速拋撒結(jié)構(gòu)，對其拋撒速度進行了理論分析和實驗驗證。

1 國內(nèi)外研究概況

根據(jù)資料調(diào)研，國內(nèi)外已經(jīng)有研究機構(gòu)開展了以火藥作為驅(qū)動能源的殺傷增強裝置研究。美國專利[11]公開了一種由推進裝置、網(wǎng)和多個桿組成的殺傷增強裝置，推進裝置包括有燃氣發(fā)生器，通過推進裝置將裝有多個桿的網(wǎng)推開，當(dāng)網(wǎng)撞擊到導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標上時，利用桿的動能可將目標摧毀。國內(nèi)一些單位也開展了以火藥為驅(qū)動能源的破片拋撒殺傷增強裝置，主要的技術(shù)特點是每個破片下具有獨立的活塞式推動結(jié)構(gòu)，通過活塞大小調(diào)節(jié)驅(qū)動力大小，實現(xiàn)破片的不同拋撒速度，拋撒后破片將在空間分布形成破片幕[8,10,12]。

然而，火藥驅(qū)動拋撒過程中，火藥的反應(yīng)時間處于毫秒級，對于導(dǎo)彈來說反應(yīng)慢往往導(dǎo)致系統(tǒng)精度的降低，甚至脫靶。而采用炸藥進行破片加載，炸藥的反應(yīng)時長為微秒級，能夠很好地滿足導(dǎo)彈系統(tǒng)的啟動需要[12-13]。因此，采用炸藥作為殺傷增強裝置破片的驅(qū)動能源成為了研究熱點。

2 理論分析

殺傷增強裝置要在空間形成破片幕，常用的破片幕分布為同心圓環(huán)節(jié)點式，如圖1所示。通常破片通過機械連接固定在裝置本體上，破片下端布置炸藥，圖2是一種簡化的殺傷增強裝置結(jié)構(gòu)單元。由于破片為低速加載，因此單個破片驅(qū)動所需的炸藥的裝藥量很少。

從結(jié)構(gòu)上講，殺傷增強裝置結(jié)構(gòu)單元可以簡化成如圖3的一維形式。對于這種一維模型，可以采用Gurney模型進行分析。Gurney模型通常進行如下的假設(shè)[14-15]：

(1) 裝藥瞬時爆轟，所釋放出的能量完全轉(zhuǎn)換成爆轟產(chǎn)物的動能和殼體的動能；

(2) 爆轟產(chǎn)物的速度沿軸線線性分布；

(3) 爆轟產(chǎn)物均勻膨脹，忽略端部稀疏，密度處處相等，壓力也是均勻的。

根據(jù)上述假設(shè)建立動量守恒和能量守恒方程[14-16]：

(1)

式中：M1，M2分別為殼體和破片質(zhì)量；v1，v2分別為殼體和破片的速度；ρ和u分別為炸藥爆轟產(chǎn)物密度和粒子速度；C為炸藥的質(zhì)量；E為炸藥的Gurney能；X1，X2分別為炸藥的前后位置。

根據(jù)Gurney假設(shè)，可以推導(dǎo)出

求解方程組(1)～(4)，可以得到

式中：

從公式(5)可以看出，破片的速度v2可通過炸藥的Gurney能E、殼體質(zhì)量M1、破片質(zhì)量M2和炸藥質(zhì)量C而求得。公式(5)可以用于低速拋撒破片的速度計算，滿足殺傷增強裝置方案設(shè)計需求。

3 方案設(shè)計

殺傷增強裝置需要在空間形成動態(tài)的破片幕，為了有效攔截目標，需要破片幕能夠有效覆蓋導(dǎo)彈的脫靶距離，且破片的間隙小于目標的特征尺寸，保證具有巨大相對動能的破片至少1枚撞擊到目標。從技術(shù)上講，需要破片幕內(nèi)的破片呈現(xiàn)同心多層，每層破片具有等梯度的拋撒速度，不同速度的破片呈同心圓環(huán)形式分布，組成分層形式的破片幕。殺傷增強裝置可以分解為不同的破片拋撒環(huán)結(jié)構(gòu)，一層拋撒環(huán)實現(xiàn)一種速度的破片的拋撒，分層拋撒結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)殺傷增強裝置的組合化和模塊化[12-13]。

破片拋撒環(huán)的截面形式類似于圖2結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進行了破片連接形式和結(jié)構(gòu)緊固件的設(shè)計，破片環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖4。破片拋撒環(huán)采用了圓環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)，即破片拋撒環(huán)的本體為鋁制中心管，其外圓面嵌入環(huán)形裝藥，在環(huán)形裝藥的外側(cè)等圓心角裝配破片。圓環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)連續(xù)，裝藥連續(xù)，工藝容易實現(xiàn)。若在每個破片下單獨裝藥，則需要復(fù)雜的傳爆結(jié)構(gòu)設(shè)計，工藝復(fù)雜，可靠性低。在破片拋撒環(huán)側(cè)設(shè)計卡環(huán)，并通過凹形缺口等角分度分布實現(xiàn)破片的等圓心角布置。破片拋撒環(huán)設(shè)計方案見圖4。

為了實現(xiàn)不同速度的拋撒，首先計算出了單枚破片下的裝藥質(zhì)量，并根據(jù)單枚破片下裝藥質(zhì)量計算出圓環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)的總裝藥量后進行破片拋撒環(huán)的裝藥裝配。為了對不同速度的破片環(huán)結(jié)構(gòu)進行驗證，共設(shè)計了5種破片速度的破片拋撒環(huán)。設(shè)計的實驗拋撒環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 實驗破片拋撒環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Table 1 Structural design parameters of the experimental fragment dispersal ring

4 數(shù)值模擬分析

為了驗證方案設(shè)計的可行性，對破片加載單元開展了數(shù)值模擬工作。數(shù)值模擬是基于ANSYS/LS-DYNA非線性仿真軟件進行。采用流固耦合方法進行計算，拉格朗日材料間定義自動面—面接觸算法。計算建模中僅對破片拋撒環(huán)當(dāng)中的一個破片加載單元進行三維建模。破片材料選用STEEL 4340鋼，中心管結(jié)構(gòu)選用AL-2024-T4硬鋁。因撓性炸藥與B炸藥的爆轟參數(shù)基本相近，故裝藥采用COMP B炸藥的參數(shù)進行數(shù)值計算。以上材料及狀態(tài)方程參數(shù)均是AUTODYN軟件材料庫中給定的[17]。數(shù)值仿真的模型見圖5。仿真得到了破片的不同速度曲線見圖6。

從數(shù)值仿真得到的破片速度曲線可以看出，不同的驅(qū)動裝藥結(jié)構(gòu)下破片的速度呈現(xiàn)梯度。數(shù)值仿真得到的破片速度最大值以及與理論計算速度的相對誤差見表2。

表2 數(shù)值模擬得到的破片速度計算結(jié)果Table 2 Results of fragment velocity calculated by numerical simulation

數(shù)值模擬結(jié)果校驗了驅(qū)動裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。數(shù)值模擬得到的破片速度與理論分析方法計算的速度相對誤差相比較小，5種破片拋撒環(huán)仿真計算的破片速度的相對誤差不大于9.8%。數(shù)值模擬結(jié)果說明理論分析方法合理可信。

5 實驗驗證

為了驗證破片拋撒環(huán)的性能，開展了實驗驗證工作。根據(jù)前面的理論分析結(jié)果，進行了不同拋撒速度的破片拋撒環(huán)的實驗設(shè)計。實驗中，采用高速攝影儀拍攝了破片拋撒環(huán)拋撒的破片拋撒過程，根據(jù)2個時刻拍攝圖像中破片位置和時間間隔計算出破片的平均速度。為了對破片的空間位置進行清晰判別，在破片拋撒環(huán)背部設(shè)置同心圓環(huán)組成的鋼架，鋼架后襯白布。鋼架上固定了半徑0.4，0.8，1.2和1.6 m的剛性圓環(huán)。實驗布置圖見圖7。實驗過程中典型時刻的破片分布照片見圖8～12。

高速攝影拍攝到了每個破片拋撒環(huán)的破片拋撒過程。從圖8～12可以看出，半徑0.4 m的鋼架剛性圓環(huán)由于爆炸火光影響，無法分辨，因此僅分析了破片在半徑0.8 m至1.6 m剛性圓環(huán)之間的飛行情況。經(jīng)過計算，各組破片拋撒環(huán)的速度統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 影像拍得的破片速度計算結(jié)果Table 3 Results of fragment velocity calculated by images

從影像拍得的破片平均速度與理論計算速度的數(shù)值對比發(fā)現(xiàn)，兩者相差較小，5件破片拋撒環(huán)的相對誤差不大于9.1%，說明理論分析方法較為準確。

靜爆實驗后實驗件殘骸以及回收到的破片照片見圖13所示。從實驗后中心管的殘骸和回收的破片可以看出，實驗后的破片拋撒環(huán)中心管上的炸藥裝藥爆炸痕跡整齊、均勻，說明裝藥均已穩(wěn)定爆轟。從回收到的破片可以看出，破片與炸藥裝藥接觸面有輕微變形，但破片形狀完整，沒有碎裂。加載前的破片質(zhì)量平均值為30.17 g,加載后的破片質(zhì)量平均值為30.14 g，破片質(zhì)量沒有明顯的差別，可見爆炸加載后破片無明顯的質(zhì)量損失。

通過實驗結(jié)果分析可以得出，采用炸藥加載方式可以實現(xiàn)質(zhì)量為30 g的破片的低速拋撒，實驗后破片完整，無質(zhì)量損失。炸藥加載方式能夠很好地實現(xiàn)殺傷增強裝置的功能。炸藥加載相比火藥方式更為迅速，加載結(jié)構(gòu)也更為簡潔，可行性好，也易于實現(xiàn)。

6 結(jié)束語

本文針對防空反導(dǎo)殺傷增強裝置技術(shù)需要，通過Gurney模型推導(dǎo)出了低速拋撒破片速度的理論計算公式，提出了采用炸藥驅(qū)動破片形式的殺傷增強裝置結(jié)構(gòu)方案。通過數(shù)值模擬校驗了裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和理論分析方法的可信性。同時，設(shè)計了殺傷增強裝置的破片拋撒環(huán)方案，并進行了5組實驗，實驗測得的破片速度與理論計算結(jié)果相比，相對誤差不大于9.1%。