結(jié)構(gòu)參數(shù)對爆炸成型彈丸性能影響的研究＊

段 建，周 剛，王可慧，初 哲，王金海，李 明

（西北核技術(shù)研究所，西安 710024）

0 引言

利用爆炸成型彈丸（expl osively f or med pr ojectile，EFP）原理設(shè)計的聚能裝藥戰(zhàn)斗部爆炸形成的“彈丸”具有穿孔直徑大、飛行距離長、抗旋轉(zhuǎn)及侵徹后效大等特點而在軍事上得到廣泛應(yīng)用，用來貫穿和破壞諸如車輛、裝甲、指揮所、控制和通訊掩體、橋墩、潛艇修藏塢、飛機(jī)庫及機(jī)場跑道等目標(biāo)。尤其隨著一些重要的地下防護(hù)工程增設(shè)遮彈層來提高抗沖擊侵徹能力，使彈體侵徹過程面臨跳彈、偏轉(zhuǎn)和破壞效應(yīng)，利用前級聚能裝藥對目標(biāo)進(jìn)行預(yù)先破壞和穿孔的串聯(lián)型鉆地彈受到各國的重視和青睞，成為對付帶有遮彈層目標(biāo)的有效武器。

隨著聚能裝藥的軍事應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對聚能裝藥爆炸形成的EFP研究顯得尤為必要。EFP的成型受多種因素的影響，如炸藥性能、裝藥結(jié)構(gòu)、外殼材料和結(jié)構(gòu)以及藥型罩材料和結(jié)構(gòu)等。文中采用三維非線性動力有限元程序?qū)勰苎b藥的EFP成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了裝藥長徑比、裝藥密度、藥型罩材料、起爆方式以及殼體性質(zhì)及厚度對EFP性能的影響規(guī)律。并根據(jù)研究結(jié)果，設(shè)計了一種較優(yōu)化的EFP聚能裝藥，開展了EFP侵徹混凝土靶板實驗。

1 計算模型

計算模型如圖1所示，藥型罩為變壁厚的錐形罩，底部直徑90 mm，罩錐角150°，頂部采用半徑為50 mm的圓弧過渡，頂端厚度5 mm；裝藥采用聚黑-15高能炸藥。藥型罩采用Steinber g材料模型和Gr uneisen狀態(tài)方程，材料為紫銅；高能炸藥采用High－Explosive－Bur n模型和J WL狀態(tài)方程；殼體采用Johnson－Cook材料模型和Gr uneisen狀態(tài)方程，材料選用A3鋼。

圖1 爆炸成型彈丸計算模型

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，文中采用四分之一模型進(jìn)行計算，炸藥、藥型罩和殼體均采用拉格朗日六面實體單元。炸藥和藥型罩之間采用＊CONTACT＿SLIDING＿ONLY＿PENALTY滑移接觸算法，炸藥和殼體采用＊CONTACT＿AUTOMATIC＿SURFACE＿TO＿SURFACE接觸算法。在對稱邊界面上施加對稱約束，采用c m-g μs建模。由于30μs后炸藥基本爆轟結(jié)束，其后對EFP的成型影響很小，所以在30μs時刻暫停計算，刪除炸藥部件以及炸藥和藥型罩的接觸，并使用小型重啟動功能對其后時間的EFP成型過程進(jìn)行計算。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 裝藥長徑比對EFP性能的影響

分別對長徑比 為0.60、0.80、1.00、1.25、1.50和2.00情況下的聚能裝藥爆炸形成EFP的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對比最終形成EFP的速度、動能和形狀，分析了裝藥長徑比對其速度、動能和形狀的影響，以及EFP速度、動能和形狀隨裝藥長徑比增加的變化規(guī)律。表1給出了不同長徑比下EFP速度和動能的計算結(jié)果，圖2和圖3分別給出了EFP速度和動能隨裝藥長徑比的變化關(guān)系曲線。

表1 不同裝藥長徑比下的EFP速度與動能計算結(jié)果

圖2 EFP速度隨裝藥長徑比變化的關(guān)系曲線

圖3 EFP動能隨裝藥長徑比變化的關(guān)系曲線

由計算結(jié)果可以看出，隨著裝藥長徑比的增加，EFP的速度和動能也相應(yīng)增加，但其增加幅度隨著裝藥長徑比的變大而逐漸變小。當(dāng)長徑比達(dá)到1.50時，如果再繼續(xù)增加裝藥長徑比，EFP的速度和動能增加并不明顯。考慮到實際情況中，有時降低一點裝藥高度可以帶來裝藥量的大量減少，而且不會給EFP速度和動能帶來較大變化，同時裝藥高度小，對減小整個裝藥結(jié)構(gòu)的質(zhì)量均有著明顯的好處。因此，炸藥裝藥的長徑比設(shè)計成1.50時較為合適。如果戰(zhàn)斗部沒有足夠的空間，根據(jù)研究經(jīng)驗［1］，長徑比設(shè)計成0.75亦已夠用。

此外，計算結(jié)果表明，裝藥長徑比對EFP形狀也有重要影響。隨著裝藥長徑比的增加，EFP的長度增加，直徑減小，圖4給出了200μs時刻最終形成的EFP形狀。長徑比為0.60的聚能裝藥爆炸形成的EFP短粗，其最大直徑約8.0c m，最小直徑約4.5c m，長度約9.0c m；長徑比為1.00的聚能裝藥爆炸形成的EFP最大直徑約9.4c m，最小直徑約3.0c m，長度約13.5c m；而長徑比2.00的聚能裝藥形成的EFP細(xì)長，其最大直徑約9.6c m，最小直徑1.5c m，長度約19.5c m。

圖4 不同裝藥長徑比的聚能裝藥在200μs時刻的EFP形狀

2.2 炸藥密度對EFP性能的影響

炸藥是形成爆炸成型彈丸的能源，炸藥爆轟后將能量傳遞給藥型罩，藥型罩在爆炸載荷驅(qū)動下閉合，被擠壓而形成EFP。從炸藥性能方面，炸藥的爆轟壓力是影響EFP性能的主要因素。由爆轟理論［2］可知，炸藥爆壓是炸藥爆速和裝填密度的函數(shù)，即pCJ＝／4。所以為提高侵徹威力，應(yīng)盡量選取高爆速炸藥，而當(dāng)炸藥選定后，盡可能提高裝填密度。

對于同一聚能裝藥，采用不同的裝藥方式會帶來裝藥密度的不同，進(jìn)一步導(dǎo)致裝藥量的不同，最終會對EFP的性能造成一定的影響。文中研究了長徑比為1、不同裝藥密度的聚能裝藥爆炸對EFP性能的影響，炸藥密度分別取值為1.60g／c m3、1.78 g／c m3和1.90 g／c m3。計算結(jié)果如表2所示。

計算結(jié)果表明，提高裝藥密度，可提高 EFP的速度和動能，但由于裝藥密度的提高有限，一般不會很大，因此，裝藥密度對EFP的速度和動能的影響并不十分明顯。

表2 不同裝藥密度下的EFP速度和動能計算結(jié)果

2.3 藥型罩材料對EFP性能的影響

紫銅是聚能裝藥戰(zhàn)斗部常用的藥型罩材料，這是因為紫銅具備優(yōu)良的綜合性能，即塑性好，密度（8.9g／c m3）和聲速（4.7k m／s）較高，最終獲得理想的EFP。隨著材料技術(shù)的發(fā)展以及人們對聚能裝藥技術(shù)的研究，一些高性能的藥型罩材料被運用，這些材料包括鎢、鎳、貧鈾等合金材料。尤其是鎢合金、貧鈾合金作為藥型罩材料，使得聚能裝藥有了更廣的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。鎢合金、貧鈾合金材料的密度高達(dá)18.0～19.0g／c m3，采用該材料的聚能裝藥對裝甲和硬介質(zhì)目標(biāo)有極強(qiáng)的破甲和侵徹毀傷效果。

針對藥型罩材料對EFP性能的影響，文中研究了藥型罩材料分別為鋁合金、紫銅和鎢合金的EFP成型性能。三種材料的主要差別在于密度（鋁合金2.7g／c m3、紫銅8.9g／c m3、鎢合金17.6g／c m3），其次表現(xiàn)為聲速及其它力學(xué)性能。圖5給出了鋁合金、紫銅和鎢合金藥型罩形成的EFP速度隨時間的變化關(guān)系曲線。計算結(jié)果表明，同一種結(jié)構(gòu)的聚能裝藥，密度小的鋁合金罩形成的EFP速度最高，密度大的鎢合金罩形成的EFP速度最低。分析認(rèn)為：對于同一種裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥爆炸作用于藥型罩上的能量基本相同，對于鋁合金藥型罩，由于其密度低，導(dǎo)致罩的質(zhì)量小，而鎢合金藥型罩密度高，罩的質(zhì)量相應(yīng)也大。因此，在同一能量的驅(qū)動作用下，必將導(dǎo)致密度小的鋁合金藥型罩形成的EFP速度高，密度大的鎢合金藥型罩產(chǎn)生的EFP速度低。但三者形成EFP的動能接近。此外，模擬結(jié)果顯示，鋁合金罩形成的EFP速度梯度大，不能形成連續(xù)的EFP，這將大大降低EFP的侵徹效果，因此，一般不選擇鋁作為藥型罩材料。

圖5 不同材料藥型罩的EFP速度隨時間的變化關(guān)系曲線

2.4 起爆方式對EFP性能的影響

數(shù)值模擬了聚能裝藥中心點起爆、多點起爆和環(huán)形起爆對EFP性能的影響。多點起爆采用4點起爆方式，其中的一個起爆點為中心點，另外3個起爆點為距離中心點2.5c m的圓周上的3個等間隔點；環(huán)形起爆為以中心點為圓點、半徑1.5c m的圓形環(huán)起爆。

表3 不同起爆方式下的EFP速度和EFP動能計算結(jié)果

表3給出了中心點起爆、多點起爆和環(huán)形起爆下的同一聚能裝藥最終形成的EFP速度和EFP動能計算結(jié)果。

結(jié)果表明，多點起爆和環(huán)形起爆后的EFP速度和動能明顯高于中心點起爆，而多點起爆和環(huán)形起爆的EFP速度和動能相差不是很大［3］。這是因為中心點起爆形成球面爆轟波，球面爆轟波具有散心效應(yīng)；而多點起爆和環(huán)形起爆形成喇叭形爆轟波，此類型波具有聚心效果。因此，多點起爆和環(huán)形起爆所產(chǎn)生的爆轟波陣面與罩壁的夾角相對于中心點起爆有所減小，增大了炸藥對罩體的作用效果，使得形成的EFP具有更大的速度。

多點起爆和環(huán)形起爆產(chǎn)生的EFP彈丸長度比中心點起爆產(chǎn)生的EFP彈丸長度更大。各起爆方式下EFP速度不同，中心起爆的EFP頭尾速度都較小，多點起爆和環(huán)形起爆的EFP頭尾速度較大。多點起爆和環(huán)形起爆所形成的EFP形狀、長度和速度及速度分布都相差不大，各方面性能都優(yōu)于中心點起爆。因此，在戰(zhàn)斗部設(shè)計中，一般都采用環(huán)形起爆方式以提高戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)效能。此外，環(huán)形起爆還能降低主裝藥長度，提高炸藥利用率，這對戰(zhàn)斗部設(shè)計是極其重要的。

2.5 殼體壁厚對EFP性能的影響

聚能裝藥戰(zhàn)斗部一般都帶有殼體，如何選擇和設(shè)計殼體才能使形成的EFP性能最優(yōu)，是設(shè)計者們非常關(guān)心和考慮的問題。文中研究了裝藥長徑比為1的聚能裝藥的不同殼體厚度（0 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、10 mm、15 mm）對EFP速度及形狀的影響，得出了殼體厚度對EFP性能的影響規(guī)律。

圖6為EFP速度隨殼體厚度變化的關(guān)系曲線。由計算結(jié)果可以看出，裝藥殼體厚度由0至15mm變化時，EFP速度首先降低，在殼體厚度為3 mm時，EFP速度降到最低，約1547m／s。其后EFP速度隨殼體厚度增加而增大，并且EFP速度與殼體厚度基本呈線性關(guān)系。分析認(rèn)為，殼體厚度在0至3 mm變化時，由于殼體的存在，使得炸藥的能量部分用于殼體膨脹做功而消耗，殼體厚度愈大，消耗的炸藥能量愈高，從而導(dǎo)致驅(qū)動藥型罩的炸藥能量降低，使得爆炸形成的EFP速度降低。當(dāng)繼續(xù)增加殼體厚度，由于殼體對炸藥的約束作用，延長了炸藥對藥型罩的作用時間，使得更多的爆轟能量轉(zhuǎn)化為罩的動能，導(dǎo)致最終形成的EFP速度增加。并且相對于無殼體的聚能裝藥，EFP速度更高。但考慮到戰(zhàn)斗部的經(jīng)濟(jì)性及重量限制，殼體厚度不可能很大，因此，對于EFP聚能裝藥，殼體設(shè)計有一個最佳厚度。不同的裝藥結(jié)構(gòu)、不同的炸藥類型將會導(dǎo)致殼體的最佳厚度不同。對于文中設(shè)計的聚能裝藥，殼體的最佳厚度約為4 mm。殼體厚度設(shè)計為4mm時，聚能戰(zhàn)斗部既能有較高的EFP速度，又能達(dá)到降低設(shè)計成本和減小戰(zhàn)斗部重量的目的。

圖6 EFP速度隨殼體厚度變化的關(guān)系曲線

此外，殼體厚度的變化對EFP的形狀也有一定的影響。圖7給出了聚能裝藥最終形成的EFP長度與殼體厚度的關(guān)系。從圖中可以看出，EFP長度隨殼體厚度的變化與EFP速度隨殼體厚度的變化趨勢相反，即EFP長度先隨殼體厚度的增加而增大，當(dāng)殼體達(dá)到某一厚度，EFP長度隨殼體厚度的增加反而減小。

圖7 EFP長度隨殼體厚度變化的關(guān)系曲線

3 EFP侵徹混凝土靶板實驗

3.1 EFP裝藥結(jié)構(gòu)及靶板設(shè)計

設(shè)計的EFP聚能裝藥如圖8所示。裝藥底部直徑90 mm；藥型罩為變壁厚的錐形罩，罩錐角150°，頂部采用半徑為50 mm的圓弧平滑過渡，頂端厚度5 mm，材料為紫銅；裝藥殼體采用圓柱與截錐形組合式的殼體，材料采用30Cr MnSi A，厚度4 mm；裝藥采用聚黑 15高能炸藥，裝藥長徑比約為1.2。

實驗用混凝土靶板由水泥、水、骨料按《靶板施工設(shè)計說明和要求》［4］進(jìn)行設(shè)計、制作，其中骨料最大粒徑不得大于EFP彈丸直徑的1／4?；炷涟袨閳A柱形，無配筋，直徑800 mm，長度1000 mm，為減小邊界效應(yīng)的影響，圓柱靶板周圍固有6 mm厚的鋼圈套緊。加工的混凝土靶養(yǎng)護(hù)期為一個月，抗壓強(qiáng)度30 MPa。

3.2 實驗方案及實驗結(jié)果

EFP聚能裝藥侵徹混凝土靶實驗布置如圖9所示。它由聚能裝藥、起爆系統(tǒng)、混凝土靶板及支架組成。其中聚能裝藥是由殼體、高能炸藥、大錐角藥型罩構(gòu)成。聚能裝藥起爆方式采用藥柱后端面中心點起爆。

圖8 設(shè)計的EFP聚能裝藥

圖9 EFP聚能裝藥侵徹混凝土靶實驗布置圖

實驗炸高（藥型罩口部端面距離靶板表面的高度）為375 mm，約4.2倍裝藥口徑。EFP侵徹混凝土靶形成類似漏斗形的孔洞：孔洞上部有大體積混凝土破壞，形成一個大彈坑，彈坑最大長度約230 mm，深度約150 mm，彈坑周圍伴有大量的裂紋；彈坑下面形成近似圓柱形的孔洞，孔洞直徑為50 mm，約為0.56倍裝藥口徑，孔洞深575 mm，約為6.4倍裝藥口徑；孔洞長徑比約為11.5。

3.3 結(jié)果分析

EFP裝藥在混凝土靶板上的開坑效果理想：開坑孔徑接近裝藥口徑的0.6倍；開坑深度達(dá)到6倍以上裝藥口徑。并且由于EFP對目標(biāo)的沖擊作用，造成目標(biāo)一定深度的破壞，降低了目標(biāo)的抗侵徹能力。因此，EFP聚能裝藥可用于串聯(lián)鉆地戰(zhàn)斗部的前級裝藥，實現(xiàn)對目標(biāo)的開孔和預(yù)破壞功能，從而降低二級隨進(jìn)侵徹彈體的跳彈幾率和提高二級隨進(jìn)彈體的生存能力，達(dá)到對帶有遮彈層加固目標(biāo)的更好打擊效果。

4 結(jié)論

1）通過開展結(jié)構(gòu)參數(shù)對成型裝藥EFP性能影響的規(guī)律研究，結(jié)果表明，EFP聚能裝藥的裝藥長徑比、裝藥密度、藥型罩材料、起爆方式以及殼體性質(zhì)及厚度對EFP的性能都有一定的影響：增加裝藥長徑比和提高裝藥密度可以提高EFP的速度和動能；多點起爆和環(huán)形起爆比中心點起爆更有助于提高EFP性能；增加聚能裝藥戰(zhàn)斗部的殼體厚度也能提高EFP性能，考慮到戰(zhàn)斗部的經(jīng)濟(jì)性及重量限制等因素，EFP殼體設(shè)計存在一個最佳厚度。

2）EFP聚能裝藥對硬介質(zhì)目標(biāo)（混凝土等）有顯著的侵徹開坑效果以及預(yù)破壞功能，因此，EFP聚能裝藥用于串聯(lián)鉆地戰(zhàn)斗部的前級裝藥，可以實現(xiàn)對帶有遮彈層加固目標(biāo)的更有效的打擊毀傷效果。

［1］ 蔣建偉，楊軍，門建兵，等.裝藥長徑比對EFP動能影響的數(shù)值模擬研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2003，23（2）：134－136.

［2］ 張寶平，張慶明，黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

［3］ 李成兵，裴明敬，沈兆武，等.起爆方式對桿式彈丸成型和穿甲的影響［J］.火炸藥學(xué)報，2006，29（3）：47－51.

［4］ 李曉軍，張殿臣，等.靶板施工設(shè)計說明和要求［Z］.工程兵科研三所，2002.