耿恒恒,向 召,沈 飛,張廣華,王 叢,屈可朋,陳鵬萬,劉 睿

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081;2.北京海鷹科技情報研究所, 北京 100074; 3.西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065;4.中科信工程咨詢(北京)有限責(zé)任公司, 北京 100039)

0 引言

隨著高超聲速飛行器的快速發(fā)展,對以此為平臺的戰(zhàn)斗部技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。由于高超聲速飛行器獨(dú)特的氣動外形,需要發(fā)展與之相匹配的異形截面戰(zhàn)斗部,例如橢圓形、D形、梯形、三角形等[1]。戰(zhàn)斗部作為武器平臺的核心部件,利用炸藥爆炸能量釋放,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物高效毀傷。因此,異形截面戰(zhàn)斗部由于其非對稱形,導(dǎo)致其爆炸能量輸出具有一定的方向性,研究其能量輸出特性及調(diào)控方法,提升爆炸能量利用率,對戰(zhàn)斗部設(shè)計具有重要意義。

目前,異形截面戰(zhàn)斗部研究主要集中在D形截面、多邊形截面和橢圓形截面戰(zhàn)斗部。研究結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)圓形截面,D形截面和多邊形截面裝藥結(jié)構(gòu)具有明顯的定向能量輸出特征,且能量輸出增益有所增加[2]。通過設(shè)計不同截面形狀,調(diào)控異形截面戰(zhàn)斗部裝藥能量分布,進(jìn)一步提升其能量利用率。王馬法等[3-4]對內(nèi)凹、外凸和D形等3種裝藥結(jié)構(gòu)下的破片飛散特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究,利用斜激波理論得到了破片飛散角的計算模型,獲得了破片的空間分布特性和初速隨方位角的分布規(guī)律。Ding等[5-7]分別對形面寬度為90°、 120°和150°三種D形戰(zhàn)斗部的破片飛散規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,研究了形面寬度和起爆模式對破片威力場的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,李翔宇等[8]擬合出快速計算D形結(jié)構(gòu)破片威力場的計算公式。對于三角形截面,Ning[9]等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對三棱柱形裝藥結(jié)構(gòu)在炸藥內(nèi)爆作用下的破片飛散特性及破片對目標(biāo)毀傷特性進(jìn)行了研究,提出了一種基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的破片初始速度修正公式。方形裝藥結(jié)構(gòu)在主動防護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛,Loiseau等[10]對方形截面裝藥結(jié)構(gòu)的殼體破片形成機(jī)理進(jìn)行了理論分析及實(shí)驗(yàn)研究。Panowicz等[11]采用數(shù)值模擬的方法,分析了一種方形裝藥結(jié)構(gòu)的破片飛散特性。楊洋等[12]針對具有不同長短軸比例的橢圓截面形狀,基于SPH數(shù)值模擬方法,得到了橢圓截面戰(zhàn)斗部殼體破片初速沿周向分布規(guī)律和破片初速計算公式。在此基礎(chǔ)上,姜斌等[13]建立了橢圓截面預(yù)制破片戰(zhàn)斗部模型,系統(tǒng)分析了不同橢圓形裝藥結(jié)構(gòu)對破片加速過程的影響,并基于一維等熵流體理論,對橢圓形截面長軸和短軸方向破片的驅(qū)動過程進(jìn)行了分析。上述研究工作,表明異形截面殼體在炸藥爆炸驅(qū)動過程能量分布具有非均勻性,對于爆炸能量利用率有待進(jìn)一步提升。

通過設(shè)計不同的起爆方式,有望改善異形截面戰(zhàn)斗部能量利用率。李振鐸等[14]以含預(yù)制破片的D形戰(zhàn)斗部為研究對象,通過實(shí)驗(yàn)和模擬對比,獲得了端部偏心和中心起爆方式條件下破片能量分布規(guī)律。李元等[15-17]研究了面偏心一線、面偏心兩線、面偏心三線、棱偏心一線及棱偏心兩線起爆下六棱柱裝藥結(jié)構(gòu)的破片速度飛散特性和威力特性。鄧宇軒等[18]分析了端面中心、短軸雙點(diǎn)偏心、長軸雙點(diǎn)偏心和長短軸4點(diǎn)偏心起爆下橢圓截面戰(zhàn)斗部徑向破片速度分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)短軸雙點(diǎn)偏心起爆對橢圓截面戰(zhàn)斗部破片徑向速度的增益效果最好,而長軸雙點(diǎn)偏心起爆的增益效果最差。為更加準(zhǔn)確地描述D形截面戰(zhàn)斗部爆炸過程中破片的飛散行為,Guo等[19-22]基于高速脈沖X光攝影技術(shù)及SPH數(shù)值計算方法,研究了中心起爆以及偏心起爆條件下D形裝藥結(jié)構(gòu)的破片速度分布特性,獲得了D形截面戰(zhàn)斗部的爆炸驅(qū)動載荷特性及其破片形成機(jī)理,并進(jìn)一步探討了多層破片D形裝藥結(jié)構(gòu)的破片群速度分布特性及飛散特點(diǎn)。

本文以含預(yù)制破片的類D形截面戰(zhàn)斗部為研究對象,利用AUTODYN有限元程序,設(shè)計并優(yōu)化多點(diǎn)起爆方式,調(diào)整炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波波形,研究爆轟波驅(qū)動破片過程,分析裝藥能量輸出特性,并進(jìn)一步研究了不同截面形狀及長徑比對優(yōu)化后爆炸驅(qū)動的影響。

1 計算模型

1.1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及幾何模型

為了優(yōu)化類D形截面戰(zhàn)斗部裝藥能量輸出,設(shè)計多點(diǎn)起爆方式,控制炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波波形。類D形截面戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由外殼、預(yù)制破片、內(nèi)襯、B炸藥組成,其中,外殼殼體厚度為3 mm,預(yù)制破片尺寸為5 mm×5 mm×6 mm,內(nèi)襯厚度為2 mm。

圖1 類D形截面戰(zhàn)斗部裝藥幾何模型

設(shè)計3種起爆方式,即端面單點(diǎn)起爆、端面兩點(diǎn)起爆及端面三點(diǎn)起爆,如圖2所示。單點(diǎn)起爆的起爆點(diǎn)為截面上下圓弧中部連線的中心點(diǎn),兩點(diǎn)起爆的起爆點(diǎn)為到殼體表面所有點(diǎn)的最大距離和最小距離之差最小即min(Δd)=Δdmax-Δdmin,三點(diǎn)起爆的起爆點(diǎn)為上述2種起爆點(diǎn)的疊加。

圖2 3種起爆方式

此外,為了考察類D形截面戰(zhàn)斗部的截面形狀和長徑比對裝藥能量輸出均勻性的影響,設(shè)計了5種類D形戰(zhàn)斗部截面,即戰(zhàn)斗部截面一側(cè)外徑為55 mm的半圓,截面另一側(cè)圓弧外徑具有不同半徑,分別為70、80、90、100 mm和傳統(tǒng)D形截面,如圖3所示。對應(yīng)命名為R70、R80、R90、R100以及傳統(tǒng)D形裝藥,同時,考慮3種不同的裝藥長徑比,分別為0.5、1.0、1.5。

圖3 5種類D形戰(zhàn)斗部截面

圖4 類D形戰(zhàn)斗部有限元模型

1.2 有限元模型及材料參數(shù)

采用AUTODYN有限元軟件,對不同起爆方式、截面形狀和長徑比的類D形戰(zhàn)斗部裝藥爆轟波波形、破片速度及飛散進(jìn)行數(shù)值模擬。為提高計算效率,建立了三維1/2模型,取代三維全模型。考慮炸藥爆炸以及殼體膨脹,采用流固耦合算法,消除單元畸變問題,其中,殼體、內(nèi)襯及與破片采用Lagrange算法,炸藥及空氣域采用Euler算法?？諝庥蜻吔鐥l件為壓力流出邊界條件。設(shè)置戰(zhàn)斗部中部環(huán)向破片觀測點(diǎn)41～50。

殼體材料選取STEEL 1006,選用Johnson Cook模型和Shock狀態(tài)方程,失效模型為Principal Stress,預(yù)制破片材料選取STEEL 4340,選用Johnson Cook模型和Linear 狀態(tài)方程,材料參數(shù)[23]如表1所示。內(nèi)襯材料選取AL1100-O,其狀態(tài)方程為Shock,強(qiáng)度模型為Steinberg-Guinan,失效模型為Principal Stress,服從隨機(jī)失效準(zhǔn)則,材料參數(shù)[24]如表2所示。炸藥選取COMP B,采用JWL狀態(tài)方程描述炸藥爆轟做功過程,材料參數(shù)[25]如表3所示。

表1 預(yù)制破片和殼體Johnson Cook材料參數(shù)Table 1 The Johnson Cook material parameters of the prefabricated fragment and shell

表2 內(nèi)襯Steinberg-Guinan材料參數(shù)

表3 B炸藥JWL參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 起爆方式對裝藥能量輸出均勻性的影響

圖5給出了長徑比0.5的R80截面戰(zhàn)斗部裝藥條件下3種起爆方式爆轟波傳播云圖。對于單點(diǎn)起爆方式,球形爆轟波沿著各方向均勻傳播,當(dāng)傳播至內(nèi)襯弧面頂端后,逐漸向圓弧相交處傳播,并在相交處形成2個高壓區(qū)。對于兩點(diǎn)起爆方式,2個球形爆轟波傳播,匯聚成具有“8”字形特征的爆轟波,并向周圍傳播,與內(nèi)襯相互作用,形成4個高壓區(qū)。對于三點(diǎn)起爆方式,3個球形爆轟波傳播,匯聚成類環(huán)形跑道形的爆轟波,并向周圍傳播,與內(nèi)襯相互作用,同樣形成4個高壓區(qū)。計算結(jié)果表明,同一時刻下,單點(diǎn)起爆方式產(chǎn)生的爆轟波率先驅(qū)動戰(zhàn)斗部頂端單元,導(dǎo)致殼體膨脹并發(fā)生破碎,存在側(cè)向破片加速不均勻的問題。而三點(diǎn)起爆的爆轟波傳播至內(nèi)襯并發(fā)生相互作用區(qū)域最大,即大部分破片同時發(fā)生加速,達(dá)到有效利用爆轟波能量的目的。

圖5 3種起爆方式下爆轟波傳播云圖

圖6給出了3種起爆方式下破片速度分布云圖。計算結(jié)果表明,兩段圓弧交接處由于應(yīng)力集中,最先發(fā)生破裂。而圓弧頂點(diǎn)區(qū)域由于破裂過程較晚,驅(qū)動加速比較充分,破片速度最大。根據(jù)圖5給出的爆轟波演化過程,破片速度較高的區(qū)域是由于局部高壓導(dǎo)致破片獲得較高的驅(qū)動能量,且爆轟產(chǎn)物膨脹作用時間較長。

圖6 3種起爆方式下破片速度分布云圖

圖7給出了3種起爆方式下戰(zhàn)斗部中部破片速度分布。沿著圓弧R55頂端向圓弧R80頂端,破片速度均呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢,其中,在兩段圓弧交接處破片速度最小,圓弧R55頂端破片速度最大。

圖7 3種起爆方式下戰(zhàn)斗部中部破片速度分布

表4給出了3種起爆方式下長徑比0.5戰(zhàn)斗部中部環(huán)形預(yù)制破片速度平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,標(biāo)準(zhǔn)差可以反映破片速度分布的均勻性。顯而易見,起爆方式對破片速度的影響較為明顯,其中,單點(diǎn)起爆速度破片速度平均值為593 m/s,兩點(diǎn)起爆速度破片速度平均值為612 m/s,而三點(diǎn)起爆破片速度平均值為615 m/s。盡管三點(diǎn)起爆破片速度標(biāo)準(zhǔn)差為66 m/s,相比與其他起爆方式略高,但是,三點(diǎn)起爆下能量利用率是最高的。

表4 裝藥中部環(huán)形預(yù)制破片平均速度及標(biāo)準(zhǔn)差

圖8給出了3種起爆方式下戰(zhàn)斗部中部破片飛散初始速度曲線。單點(diǎn)起爆條件下,戰(zhàn)斗部中部不同位置的破片飛散的最大間隔時間為1.5 μs,而兩點(diǎn)起爆和三點(diǎn)起爆條件下,最大間隔時間分別為0.7 μs和0.6 μs。相對于單點(diǎn)起爆而言,多點(diǎn)起爆可以明顯縮短不同位置破片受到爆轟驅(qū)動的初始響應(yīng)時間的差異,破片驅(qū)動同步性提高60%。驅(qū)動破片飛散先后順序和爆轟波作用先后順序有關(guān),通過設(shè)計多點(diǎn)起爆,控制爆轟波波形,使波陣面到達(dá)內(nèi)襯時間差異降低。根據(jù)圖5所示爆轟波傳播過程,多點(diǎn)起爆下,爆轟波瞬時接觸面積遠(yuǎn)大于單點(diǎn)起爆爆轟波接觸面積,進(jìn)而同時驅(qū)動更多的破片。

圖8 3種起爆方式下戰(zhàn)斗部中部破片飛散初始速度曲線

進(jìn)一步圖9給出了3種起爆方式下破片沿著軸向飛散角分布,其中,破片相對位置代表了破片沿軸向坐標(biāo)與戰(zhàn)斗部高度的比值。計算結(jié)果表明,3種起爆方式下,飛散角分布規(guī)律大致相同,靠近中心位置處的飛散角接近0°,兩端位置的飛散角最大約70°。

圖9 3種起爆方式下破片飛散角

2.2 截面形狀對裝藥能量輸出均勻性的影響

考慮三點(diǎn)起爆方式裝藥能量輸出均勻性的效果優(yōu)于其他2種起爆方式,針對長徑比0.5情況,進(jìn)一步分析三點(diǎn)起爆方式下5種截面形狀(見圖3)對裝藥能量輸出均勻性的影響。圖10給出了同一時刻下不同截面形狀爆轟波傳播演化過程。計算結(jié)果表明,三點(diǎn)起爆下,R70～R100截面爆轟波均匯聚形成類環(huán)形跑道形波陣面,與內(nèi)襯接觸時形成多個高壓區(qū)。隨著圓弧半徑的減小,與圓弧R55越接近,形成的高壓區(qū)越均勻地作用于內(nèi)襯,使破片加速更充分。針對傳統(tǒng)D形裝藥而言,三點(diǎn)起爆條件并未在內(nèi)襯接觸表面形成高壓區(qū)域。

圖10 不同截面形狀下爆轟波傳播云圖

圖11給出了三點(diǎn)起爆下不同截面戰(zhàn)斗部破片速度分布云圖。計算結(jié)果表明,隨著圓弧半徑的減小,與圓弧R55越接近,破片空間分布均勻性越好。對于傳統(tǒng)D形戰(zhàn)斗部而言,其破片空間分布均勻性最差。

圖11 三點(diǎn)起爆下不同截面戰(zhàn)斗部破片速度分布云圖

圖12給出了三點(diǎn)起爆下5種裝藥構(gòu)型中部環(huán)型預(yù)制破片速度分布。沿著圓弧R55頂端向另一側(cè)圓弧頂端,破片速度均呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢,其中,圓弧R55頂端破片速度最高,圓弧交接處破片速度最低。

圖12 三點(diǎn)起爆下5種裝藥構(gòu)型中部環(huán)型預(yù)制破片速度分布

表5給出了三點(diǎn)起爆下長徑比0.5的戰(zhàn)斗部中部環(huán)形預(yù)制破片平均速度及標(biāo)準(zhǔn)差。在5種裝藥構(gòu)型中,R70裝藥構(gòu)型破片平均速度最高,達(dá)到653 m/s,而傳統(tǒng)D形裝藥構(gòu)型破片平均速度最低,僅為438 m/s,且速度分散性最大,標(biāo)準(zhǔn)差為143 m/s。此外,盡管R80裝藥構(gòu)型破片平均速度低于R70的裝藥構(gòu)型,但標(biāo)準(zhǔn)差最小,破片速度分布較為均勻?？傮w而言,類D形界面形狀對戰(zhàn)斗部裝藥能量輸出特征具有明顯的影響,截面形狀越對稱,多點(diǎn)起爆下能量輸出效果越好。

表5 戰(zhàn)斗部中部環(huán)形預(yù)制破片平均速度及標(biāo)準(zhǔn)差

2.3 長徑比對裝藥能量輸出均勻性的影響

選取R80截面戰(zhàn)斗部裝藥構(gòu)型,進(jìn)一步分析三點(diǎn)起爆條件下,長徑比對裝藥能量輸出均勻性的影響。圖13給出了三點(diǎn)起爆下具有不同長徑比的戰(zhàn)斗部破片速度分布云圖。隨著長徑比的增加,破片周向分布無明顯差異,破片軸向空間分布更加均勻。

圖13 三點(diǎn)起爆下具有不同長徑比的戰(zhàn)斗部破片速度分布云圖

圖14(a)給出了三點(diǎn)起爆下具有不同長徑比的戰(zhàn)斗部中部環(huán)向破片速度分布以及沿軸向破片速度分布。對于環(huán)向破片速度,不同長徑比下環(huán)向破片速度分布趨勢相似,R55圓弧頂端破片速度最大,兩段圓弧交接處速度最小。如圖14(b)所示,裝藥中部軸向破片速度標(biāo)準(zhǔn)差小于25 m/s的區(qū)域從28.57%提高到62.96%,長徑比的增加能夠明顯提高裝藥中部軸向破片的速度均勻性。

圖14 三點(diǎn)起爆下具有不同長徑比的戰(zhàn)斗部破片速度對比

表6給出了3種長徑比下裝藥中部環(huán)形預(yù)制破片速度平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。長徑比的提高能夠顯著提高破片速度,隨著長徑比的增加,破片平均速度從615 m/s增加到1 030 m/s,提高約67.4%。而對于軸向破片速度,隨著破片相對位置增加,軸向破片速度先增加后降低。且隨著長徑比的增加,破片平均速度從612 m/s增加到1 020 m/s,提高約66.6%。

表6 裝藥中部環(huán)形預(yù)制破片平均速度及標(biāo)準(zhǔn)差

圖15給出了三點(diǎn)起爆下具有不同長徑比戰(zhàn)斗部中部環(huán)向破片飛散初始速度曲線。計算結(jié)果表明,當(dāng)長徑比從0.5增長到1.5時,破片飛散時間差異從0.6 μs縮短到0.26 μs,飛散同步性提升56.6%。破片飛散時間差異性降低意味著大部分破片均同時受到爆炸產(chǎn)物膨脹作用,獲得更高的驅(qū)動能量,提升了裝藥能量的利用率。

圖15 三點(diǎn)起爆下具有不同長徑比戰(zhàn)斗部中部環(huán)向破片飛散初始速度曲線

圖16給出了三點(diǎn)起爆具有不同長徑比戰(zhàn)斗部軸向破片飛散角分布。計算結(jié)果表明,靠近戰(zhàn)斗部軸線中間區(qū)域的破片飛散角接近于0°,隨著長徑比的提高,破片飛散角接近0°的比例從10%提高到40%。這是由于隨著長徑比的提高,裝藥中部不受軸向稀疏波影響的區(qū)域變大,破片驅(qū)動過程不斷加速,速度不斷提高。

圖16 三點(diǎn)起爆具有不同長徑比戰(zhàn)斗部軸向破片飛散角分布

3 結(jié)論

本文針對類D形截面戰(zhàn)斗部的毀傷元能量分布均勻性差的問題,通過設(shè)計多點(diǎn)起爆方式,控制裝藥爆炸波形,優(yōu)化能量輸出,系統(tǒng)研究了不同起爆方式、裝藥截面以及長徑比對裝藥能量輸出的影響規(guī)律。具體研究結(jié)論為:

1) 同一裝藥構(gòu)型下,單點(diǎn)起爆、兩點(diǎn)起爆和三點(diǎn)起爆的初始爆轟波形分別為球形、8字形和類環(huán)形跑道形。相對于單點(diǎn)起爆,三點(diǎn)起爆下爆轟波同時接觸內(nèi)襯區(qū)域最大,進(jìn)而破片驅(qū)動同步性提升60%,破片速度最高,且均勻性最好。

2) 在長徑比0.5條件下,采用三點(diǎn)起爆,R70裝藥構(gòu)型破片平均速度最高,達(dá)到653 m/s。而R80裝藥構(gòu)型破片平均速度低于R70裝藥構(gòu)型,但其分布較為均勻。隨著戰(zhàn)斗部截面對稱性增加,形成的高壓區(qū)越均勻地作用于內(nèi)襯,使破片加速更充分。

3) 在三點(diǎn)起爆下,隨著長徑比的提高,戰(zhàn)斗部中部破片飛散同步性提高56.6%,平均速度提高67.4%,裝藥能量利用率提高。裝藥中部軸向破片速度標(biāo)準(zhǔn)差小于25 m/s的區(qū)域從28.57%提高到62.96%,長徑比的增加能夠明顯提高裝藥中部軸向破片的速度均勻性。