伍驚濤,朱 磊,許汝耀

(1.陸軍炮兵防空兵學(xué)院,安徽 合肥 230000;2.中國人民解放軍73096部隊,江蘇 南京 210000)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,裝甲類目標(biāo)面臨敵末敏彈等攻頂打擊武器的威脅越來越大,為有效應(yīng)對該類武器對裝甲目標(biāo)的攻擊,各國都在加強裝甲車輛主動防護(hù)系統(tǒng)的研究。即通過發(fā)射柔性網(wǎng)彈在空中解爆彈體并拋撒捕獲網(wǎng),對末敏子彈等目標(biāo)進(jìn)行包裹和纏繞,從而破壞其工作姿態(tài)使其無法正常作用。這種方案因具有發(fā)射成本低、命中概率高、機動性強等特點,受到越來越高的重視[1-5]。在柔性網(wǎng)彈設(shè)計中,彈體結(jié)構(gòu)方案及其擴爆開艙可靠性直接影響彈丸的正常作用和捕獲網(wǎng)的釋放。本文主要對柔性網(wǎng)彈彈體結(jié)構(gòu)方案及其擴爆開艙可靠性進(jìn)行研究,為柔性網(wǎng)彈的整體設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 柔性網(wǎng)彈總體設(shè)計

柔性網(wǎng)彈采用彈體擴爆式開艙結(jié)構(gòu),由引信、裝配彈體、攔截網(wǎng)組件、擴爆裝置和穩(wěn)定裝置等組成,柔性網(wǎng)彈結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

引信采用指令起爆的方式引燃擴爆裝置,從而實現(xiàn)彈體擴爆開艙。裝配彈體主要由彈底片和固定環(huán)構(gòu)成,用于可靠分解彈體。攔截網(wǎng)組件由捕獲網(wǎng)和牽引塊組成,牽引塊在彈體擴爆開艙后,利用擴爆能量向四周分散,帶動捕獲網(wǎng)迅速張開,對目標(biāo)形成纏繞和包裹,從而達(dá)到作戰(zhàn)目的,擴爆裝置用于破碎彈體,并使擴爆能量徑向集中擴散,帶動捕獲網(wǎng)張開,穩(wěn)定裝置采用后張式翼片,由扭簧提供展開動力,在彈丸飛出炮口后自動張開,確保彈丸飛行穩(wěn)定[6]。

系統(tǒng)作用過程為:當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)后,探測系統(tǒng)對目標(biāo)位置進(jìn)行探測跟蹤,火控單元實時解算射擊諸元、引導(dǎo)發(fā)射裝置對目標(biāo)進(jìn)行跟瞄并適時發(fā)射彈丸,彈丸出膛后,穩(wěn)定翼片在扭簧的作用下自動張開,彈丸到達(dá)目標(biāo)附近后,地面探測系統(tǒng)發(fā)送起爆指令引信接收到指令后引爆彈丸,擴爆裝置產(chǎn)生的高溫高壓火藥氣體使彈體破碎,同時帶動捕獲網(wǎng)迅速張開形成攔截網(wǎng)幕對末敏子彈實施攔截[7]。

2 柔性網(wǎng)彈裝配彈體與擴爆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 柔性網(wǎng)彈裝配彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮柔性網(wǎng)彈輕量化要求,裝配彈體各組成部件均采用低密度材質(zhì)。其中，彈底片為鋁合金材質(zhì),可以實現(xiàn)在較低擴爆能量下可靠均勻地分解彈體、釋放攔截網(wǎng)組件功能,同時,將六塊縱向的彈體片預(yù)制為薄壁圓筒狀,裝配彈體內(nèi)的彈體固定環(huán)為尼龍材質(zhì),這樣擴爆時僅需較少能量即可破壞固定環(huán),從而完整、均勻地分解彈體、可靠釋放捕獲網(wǎng),其裝配彈體如圖2所示。

圖2 裝配彈體示意圖

捕獲網(wǎng)外形采用正六邊形結(jié)構(gòu),選用高強度、防燒灼、密度小的聚乙烯絲繩編織而成。牽引塊配置在六邊形捕獲網(wǎng)的各頂點,通過捕獲網(wǎng)軸線與其相連,并在連接處套上防灼套管,防止擴爆產(chǎn)生的火藥氣體燒蝕網(wǎng)繩。其攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 擴爆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

擴爆裝置由擴爆藥盒、藥盒螺栓和擴爆藥包等組成。結(jié)構(gòu)如圖4所示。擴爆藥盒由高輕度鋁合金加工而成,為可靠且均勻地分解擴爆藥盒側(cè)壁,在側(cè)壁縱向預(yù)制六條凹槽,從而形成應(yīng)力集中,藥盒螺栓裝配時限制擴爆藥盒位移,起爆后,藥盒側(cè)壁向外飛散,螺栓限制殘存的擴爆藥盒底,阻止火藥氣體向上運動,使擴爆能量沿彈丸徑向集中擴散,同時防止火藥氣體燒蝕捕獲網(wǎng),擴爆藥包采用黑火藥,用于形成擴爆能量。

圖4 擴爆裝置

裝配時,將牽引體塊調(diào)整置于調(diào)整氈圈上的擴爆藥盒外周,擴爆時,火藥氣體沖開擴爆藥盒側(cè)壁,推動牽引塊破壞彈體固定環(huán),驅(qū)動彈體片,釋放捕獲網(wǎng),并由牽引塊帶動展開捕獲網(wǎng)。

3 柔性網(wǎng)彈開艙擴爆受力分析

3.1 柔性網(wǎng)彈擴爆藥盒應(yīng)力分析

柔性網(wǎng)彈擴爆藥盒承受內(nèi)壓時,一般認(rèn)為軸向、環(huán)向和徑向為其主應(yīng)力方向?？紤]實際情況,采用薄壁圓筒模型對其進(jìn)行應(yīng)力分析[8-9],主應(yīng)力方向為軸向、環(huán)向和徑向三個方向,則其受力可以表示如下。

1)擴爆藥盒軸向應(yīng)力

式中：P為內(nèi)壓；D為薄壁圓筒直徑；δ為薄壁圓筒厚度。

2)擴爆藥盒環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力

3.2 彈體應(yīng)力分析

由于彈體厚度相對其長度不可忽略,故需采用厚壁圓筒模型對彈體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,同樣認(rèn)為主應(yīng)力方向為軸向、環(huán)向和徑向三個方向。

1)彈體軸向應(yīng)力

彈體的兩端封閉受內(nèi)壓時,在遠(yuǎn)離端部的橫截面中,其軸向應(yīng)力用截面法求得,將彈體沿任一橫截面切開,考慮其中一部分軸向力平衡,則

式中：σφ為軸向應(yīng)力；R0、R1為彈體的外半徑和內(nèi)半徑；k為彈體外半徑和內(nèi)半徑之比；P為內(nèi)壓。

2)彈體環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力

由于各材料變形的相互約束和限制,環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力沿壁厚非均勻分布,即隨半徑r(壁厚)變化而變化,考慮其平衡條件及變形條件進(jìn)行分析[10]。

根據(jù)彈性失效準(zhǔn)則,彈體的承壓能力是根據(jù)內(nèi)壁的強度條件決定的。應(yīng)力最大部位的應(yīng)力達(dá)到極限值時,失去承載能力。按照第四強度理論,建立內(nèi)壁強度條件為

其中，彈體固定環(huán)尼龍材料的屈服極限σs,代入彈體參數(shù)及擴爆壓力P,即可以求出σd。

當(dāng)σd>σs時,彈體可以實現(xiàn)擴爆。

4 柔性網(wǎng)彈擴爆開艙和起爆方式模擬仿真

4.1 柔性網(wǎng)彈擴爆開艙模擬仿真

通過以上理論分析,柔性網(wǎng)彈在上述薄壁圓筒和厚壁圓筒理論前提下能否正確可靠地擴爆[11-13],擴爆裝置是否能完全釋放捕獲網(wǎng),其直接決定了柔性網(wǎng)彈性能的發(fā)揮,故使用LS-DYNA軟件對柔性網(wǎng)彈擴爆過程進(jìn)行模擬仿真。在仿真過程中,為簡化計算步驟,擴爆裝置簡化為圓柱體,在擴爆藥盒側(cè)壁預(yù)制六條凹槽,擴爆裝置的有限元模型具體如圖5。

圖5 擴爆裝置的有限元模型圖

模型采用Johnson-cook模型,自定義接觸,材料選用鋁材質(zhì),采用中心爆炸點方式,參數(shù)如表1、2所示。

表1 JOHNSON_COOK模型參數(shù)

表2 Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

其具體仿真結(jié)果見圖6～8。

圖6 擴爆過程模擬圖

從圖6可以看出,擴爆裝置在上述結(jié)構(gòu)條件下,在應(yīng)力集中處能夠完全擴爆展開,從藥盒側(cè)壁向外飛散,從而帶動捕獲網(wǎng)的張開。

從圖7可以看出，柔性網(wǎng)彈的擴爆裝置在炸藥爆炸后,擴爆能量迅速變大,在15 μs左右達(dá)到最大,后趨于緩和,擴爆裝置在上述能量值的情況下,側(cè)壁因為開有六片凹槽,從而形成六片彈底片,釋放捕獲網(wǎng)。其側(cè)壁在柔性網(wǎng)彈擴爆的過程中距離變化見圖8。

圖7 擴爆裝置擴爆能量變化曲線圖

圖8 擴爆裝置側(cè)壁位置距離變化曲線圖

從圖8可以看出,擴爆裝置的側(cè)壁位置隨著時間的變化是不斷加大的,說明在上述擴爆條件下,柔性網(wǎng)彈能夠完全擴爆,仿真結(jié)果與理論分析是比較符合的。

4.2 起爆方式對網(wǎng)彈擴爆開艙的數(shù)值仿真

在起爆方式上,分析對柔性網(wǎng)彈擴爆的影響,同樣利用上述模型進(jìn)行仿真研究,在材料參數(shù)和算法上定義炸藥選用8701型號,采用High-Explosive-Burn材料模型和JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程,部分參數(shù)見表3,ρ為炸藥密度,VD為炸藥爆速,PCJ為炸藥C-J壓力,JWL狀態(tài)方程其常用系數(shù)為A,B,R1,R2。材料選用鋁合金材質(zhì),參數(shù)見表4,A,B,n,C,m是材料對應(yīng)的常數(shù),為更好地模擬網(wǎng)彈擴爆過程,仿真采用拉格朗日算法,接觸同樣采用自定義接觸,起爆方式分別采用中心點起爆、頂點起爆、底端起爆和軸起爆四種方式,研究其對網(wǎng)彈擴爆張開的影響。

表3 炸藥材料參數(shù)

表4 材料參數(shù)

4.2.1 結(jié)果與分析

不同的起爆位置對網(wǎng)彈的擴爆結(jié)果是不盡相同的,首先對于頂點起爆和底端起爆這兩種方式,其起爆后由于爆炸點不在擴爆機構(gòu)的中心位置上,所以，造成彈體片向外擴散時受力不均勻,其后影響了攔截網(wǎng)組件的釋放,造成柔性網(wǎng)彈性能不穩(wěn)定,其具體擴爆狀態(tài)如圖9和圖10。

圖9 頂點起爆仿真結(jié)果

圖10 底端起爆仿真結(jié)果

相對于上兩種起爆方式,軸起爆和中心點起爆的方式其優(yōu)點較為明顯,彈體分散時受力較為均勻,攔截網(wǎng)組件可以正確釋放,擴爆裝置也可以完全擴爆,其具體擴爆狀態(tài)如圖11和圖12。

圖11 中心點起爆仿真結(jié)果

圖12 軸起爆仿真結(jié)果

圖13 不同起爆方式起爆擴爆能量變化曲線圖

通過以上四種起爆方式仿真,可以看出其擴爆機構(gòu)能量在不同的起爆方式下變化是不相同的,其集體變化如圖13。從圖中可以看出,底端起爆和頂點起爆其擴爆能量變化基本相同,但中心點起爆和軸起爆變化速率快,尤其是軸起爆方式,因為是多點起爆,其能量變化迅速,在最短的時間內(nèi)能量達(dá)到最大值,所以相對于底端起爆和頂點起爆,優(yōu)勢較為明顯。

圖14是不同起爆方式擴爆裝置側(cè)壁位置距離變化曲線,從圖中明顯可以看出，采用軸起爆和中心點起爆的方式其擴爆裝置的側(cè)壁位置變化較為明顯,而頂點起爆和底端起爆其側(cè)壁變化變化相差不大,但明顯小于另外兩種起爆方式。

圖14 不同起爆方式擴爆裝置側(cè)壁位置距離變化曲線圖

綜合各個方面性能指標(biāo),通過模擬仿真,可以認(rèn)為中心點起爆和軸起爆相對于另外兩種起爆方式優(yōu)勢明顯,考慮擴爆裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點,減少彈體重量等指標(biāo),采用中心點起爆的方式因為彈體結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟效益明顯,應(yīng)為柔性網(wǎng)彈的擴爆裝置的起爆方式。

4.2.2 開艙擴爆實驗驗證

通過以上分析,為檢驗仿真是否正確,對柔性網(wǎng)彈能否在實驗條件下完全擴爆開艙進(jìn)行驗證,進(jìn)行攔截網(wǎng)彈靜爆實驗,見圖15。圖中展示了柔性網(wǎng)彈擴爆開艙的實驗。通過高速攝像機拍攝,進(jìn)行逐幀分析,觀察整個柔性網(wǎng)彈開艙擴爆的過程,可以看到，柔性網(wǎng)彈能擴爆開艙順利,柔性網(wǎng)能順利張開,實驗驗證了柔性網(wǎng)彈在擴爆開艙過程中具有較高的安全性和可靠性。

圖15 柔性網(wǎng)彈擴爆實驗圖

5 結(jié)束語

本文針對柔性網(wǎng)彈彈體的總體設(shè)計進(jìn)行分析,同時對裝配彈體和擴爆裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計分析,重點運用仿真軟件對柔性網(wǎng)彈擴爆開艙的過程進(jìn)行了仿真,結(jié)合柔性網(wǎng)彈的特點,驗證了柔性網(wǎng)彈擴爆開艙結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性,對實際運用具有重要的參考意義。