串聯(lián)侵徹戰(zhàn)斗部前級裝藥設(shè)計及試驗研究

王利俠,袁寶慧,孫 建,谷鴻平,景青波

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

引 言

現(xiàn)役侵徹戰(zhàn)斗部有動能侵徹型和串聯(lián)復(fù)合型兩種類型。串聯(lián)復(fù)合型侵徹彈一般由前后兩級構(gòu)成,前級裝藥先爆炸形成高速聚能侵徹體,首先對混凝土類目標(biāo)和其覆土層預(yù)先開孔,后級侵爆戰(zhàn)斗部沿此孔進(jìn)入內(nèi)部爆炸以達(dá)到有效摧毀目標(biāo)[1-3]。動能侵徹彈(KE)主要依靠彈體末段飛行動能侵徹到目標(biāo)內(nèi)部一定深度后,引爆彈頭內(nèi)的高爆裝藥毀傷目標(biāo);缺點是受著速等影響大,且大著角時容易發(fā)生跳彈。為克服上述缺點,一些國家先后提出串聯(lián)復(fù)合攻堅戰(zhàn)斗部概念,如英國皇家軍械部的布諾奇(Broach)侵徹戰(zhàn)斗部及法國和德國TDA/TDW公司聯(lián)合研制的米菲斯特(Mephisto)多級侵徹戰(zhàn)斗部,對堅固混凝土侵徹深度高達(dá)6.1m 。

對復(fù)合侵徹戰(zhàn)斗部而言,前級預(yù)先開孔的質(zhì)量和孔道性能,如孔徑大小和開孔深度直接關(guān)系到后級能否順利隨進(jìn),而前級開孔大小和侵徹深度,又與前級裝藥結(jié)構(gòu)、所形成的侵徹體特性密切相關(guān)。因此在串聯(lián)復(fù)合型侵徹戰(zhàn)斗部研究中,前級裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要[4-8]。

本研究在前級裝藥的結(jié)構(gòu)設(shè)計時,引入桿式聚能侵徹體的設(shè)計思路,將銅、鋁兩種材料作為桿式聚能裝藥的藥型罩,通過數(shù)值模擬和試驗驗證,獲得了穿深能力和穿孔直徑均可滿足后級需求的前級裝藥結(jié)構(gòu),為串聯(lián)侵徹戰(zhàn)斗部前級裝藥的設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 前級裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

研究認(rèn)為,低密度的金屬鋁在對混凝土作用時可能與混凝土材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起對混凝土的附加破壞;還有人認(rèn)為鋁材料與混凝土之間有較好的阻抗匹配,可以更有效地把動能轉(zhuǎn)換成混凝土目標(biāo)破壞能使之毀壞[9],因此在前級裝藥設(shè)計時,把金屬鋁材料考慮在藥型罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗方案中。

本研究設(shè)計了3 種藥型罩結(jié)構(gòu)的前級裝藥方案,每個方案分別采用銅、鋁兩種藥型罩材料,形成銅、鋁桿式聚能侵徹體。所設(shè)計的3 種藥型罩結(jié)構(gòu)為:變壁厚球缺形長桿式EFP 的藥型罩裝藥;曲線組合K 形桿式射流的藥型罩裝藥;變壁厚90°錐角的錐形藥型罩裝藥。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示,結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1。前級裝藥均由藥型罩、炸藥、殼體等部分組成,裝藥長徑比為0.85 ～1.0。裝藥均在與藥型罩相對的頂端面上,采用不同起爆方式起爆。

圖1 3 種前級裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the precursory shaped charge

表1 前級裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of precursory shaped charge of the tandem warhead

1.2 前級裝藥計算模型及參數(shù)

采用LS-DYNA3D 程序計算時使炸藥種類、裝藥幾何形狀、裝藥長徑比等基本參數(shù)保持不變,只改變藥型罩形狀及材料、裝藥起爆方式等,對銅、鋁兩種藥型罩材料6 個裝藥模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計算。前級裝藥K 型射流結(jié)構(gòu)計算模型見圖2,其余兩個結(jié)構(gòu)除藥型罩形狀外建模方式相同。計算模型中包含藥型罩、炸藥、鋼殼體、空氣流動介質(zhì)4 部分,其中藥型罩、炸藥、空氣單元采用多物質(zhì)Euler 算法,且Euler 網(wǎng)格范圍覆蓋爆轟產(chǎn)物和射流流動的整個區(qū)域;殼體單元采用Lagrange 算法。所有網(wǎng)格單元選用Solid164 八節(jié)點六面體單元。

紫銅、純鋁藥型罩用Steinberg 材料模型和G runeisen 狀態(tài)方程描述;炸藥裝藥為Octol,采用HIGH_EXPLOSIV E_BU RN 材料模型和JW L 狀態(tài)方程描述;空氣介質(zhì)用N ULL 材料模型和LINEAR_POLYNOM IAL 狀態(tài)方程;殼體45#鋼用理想彈塑性模 型和G runeisen 狀態(tài)方程描述。計算時同一結(jié)構(gòu)鋁罩根據(jù)炸藥與藥型罩質(zhì)量匹配特性加厚3 ～5 mm;同一結(jié)構(gòu)分別采用點起爆、環(huán)形起爆及面起爆3 種起爆方式模擬計算。

圖2 K 形裝藥計算模型Fig.2 Calculation model of K-charge

1.3 計算結(jié)果及分析

表2 為3 種前級設(shè)計方案在環(huán)形起爆和面起爆時的計算結(jié)果。由于銅、鋁材料密度、強度、聲速等特性參數(shù)存在明顯差異,當(dāng)裝藥結(jié)構(gòu)及起爆時間相同時,用不同藥型罩材料所獲得的侵徹體長度、頭/尾部直徑、頭部形狀等存在顯著差別。圖3 為環(huán)形起爆狀態(tài)下所形成的侵徹體形態(tài)。

表2 3 種前級設(shè)計方案在起爆260μs 時獲得的聚能侵徹體相關(guān)計算參數(shù)Table 2 Numerical calculation parameters of penetrator at 260μs based on three schemes for the shaped charge structural design

圖3 環(huán)形起爆條件260μs 時刻不同藥型罩形成的聚能侵徹體形態(tài)Fig.3 Shapes of the penetrators with different liners under the condition of being initiated circumferentially at 260μs

由圖3可看出,當(dāng)藥型罩為球缺形時,形成了大長徑比爆炸成型彈丸,即長桿式EFP ,其頭尾速度梯度小,侵徹彈質(zhì)量大,氣動性能好,適于對遠(yuǎn)距離處混凝土目標(biāo)侵徹開孔;K 形罩裝藥形成聚能桿狀侵徹體,速度梯度比EFP 彈丸大,其連續(xù)性較好,長徑比大;90°錐角裝藥形成的桿式侵徹體,速度梯度比最大,長徑比也更大。由表2可看出,上述3 種結(jié)構(gòu)的不同藥型罩材料裝藥,采用面起爆時,所形成的聚能侵徹體長度、直徑和速度參數(shù)均高于點起爆和環(huán)形起爆方式的侵徹體相應(yīng)參數(shù)。環(huán)形起爆方式的球缺形、K 形和錐形銅藥型罩裝藥,在起爆后260 μs 時刻形成銅侵徹體頭部速度分別為3 521 ～4 344 m/s,從球缺罩至K 形罩再到錐形罩計算侵徹體的速度依次相差約400 m/s;相同條件下鋁侵徹體頭部速度在5 000 ～6 389 m/s,速度依次相差大于500 m/s;裝藥結(jié)構(gòu)相同時不同材質(zhì)侵徹體的頭部形狀、直徑等狀態(tài)參數(shù)稍有差異。同結(jié)構(gòu)不同材料的藥型罩,鋁侵徹體射流速度比銅侵徹體高40%,鋁射流長度比銅射流長20%(由于成型機理不同球缺罩EFP 彈丸例外)以上,即鋁桿式侵徹體速度和長度比銅侵徹體優(yōu)勢明顯得多。從形成侵徹體的形狀、速度來看,K 形裝藥桿狀射流的頭尾速度差比球缺形彈丸高約50%,因此同一時刻桿式侵徹體比EFP 彈丸長約50%,且桿狀射流連續(xù)性和均勻性均比錐形射流好,抗拉斷能力應(yīng)比錐形射流強,能否適合串聯(lián)侵徹戰(zhàn)斗部對前級裝藥的大孔徑、高穿深的侵徹要求,將通過試驗進(jìn)行驗證。

2 試驗驗證

2.1 試驗條件

試驗彈鋼殼體厚4 mm,裝藥直徑142 mm;藥型罩采用紫銅、鋁合金材料;注裝Octol 炸藥(74%HM X,26%TNT),裝藥密度1.79 ～1.81 g/cm3,裝藥量2500 ～2 850kg 。

試驗?zāi)繕?biāo)靶為Ф1.5 m ×1.0m 和Ф1.5m ×1.3 m兩種規(guī)格的鋼筋混凝土圓柱靶墩,產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)符合GJBz20419.2-1998,其抗壓強度為35M Pa,體積配筋率約2%;目標(biāo)靶養(yǎng)護周期為一個月。彈靶作用距離約2 倍裝藥直徑。

2.2 穿靶試驗結(jié)果

聚能侵徹體對鋼筋混凝土穿孔形狀如圖4 所示,穿孔深度主要由漏斗形孔和錐形孔組成,靶后受稀疏波拉應(yīng)力的作用,有一層裂崩落層(只在靶柱穿透情況下),因此前級聚能裝藥對目標(biāo)靶的穿靶孔道深度由左邊大漏斗形孔和右邊錐型孔組成,試驗結(jié)果見表3。

試驗彈與鋼筋混凝土作用試驗結(jié)果見圖5,所有侵徹體作用的靶面裂紋區(qū)域大小為Ф1.5m 。其中圖5(d)和圖5(e)試驗裝藥和試驗條件相同,只是試驗效果不同。

圖4 侵徹體對鋼筋混凝土穿孔孔形圖Fig.4 Perforation shape of the penetrator againstreinforced concrete target

表3 不同藥型罩前級裝藥對鋼筋混凝土的作用孔形參數(shù)結(jié)果Table 3 Perforation parameters of the penetrators w ith different liners against reinforced concrete target

圖5 不同聚能侵徹體對鋼筋混凝土靶試驗的結(jié)果Fig.5 Damage effects of different penetrators against reinforced concrete targets

2.3 結(jié)果分析

由圖5可看出,鋼筋混凝土模擬靶在聚能侵徹體的強沖擊載荷作用下,靶以脆性而不是延性方式產(chǎn)生靶面破壞;從圖5(a)～(e)看到靶體表面毀傷效應(yīng)明顯,受入射壓縮波及自由邊界反射波的共同作用,混凝土靶面產(chǎn)生了不規(guī)則的數(shù)條輻射狀徑向裂紋,開坑處均有嚴(yán)重的崩落,EFP 彈丸沖擊時裂紋數(shù)比桿射流產(chǎn)生的裂紋數(shù)多30%。

由圖4 及圖5可見,開孔的錐形部分孔道直徑小,深度占整個穿孔的60%～70%,它是影響主孔道大小的主要尺寸,是決定串聯(lián)侵徹戰(zhàn)斗部后級能否順利進(jìn)入目標(biāo)內(nèi)層爆炸的“瓶頸”通道。

從表3 和圖5可知,球缺罩結(jié)構(gòu)和曲線K 形罩結(jié)構(gòu)對鋼筋混凝土靶的穿深能力相近,但K 形罩桿射流的穿深要深一些,入孔孔徑大一些,且主孔型為均勻的錐型孔。所有裝藥對目標(biāo)靶作用時,加固鋼板的鋼筋混凝土靶墩其靶面裂紋破壞區(qū)域達(dá)10倍彈徑;且球缺罩對混凝土靶面的破壞力好于K 形罩,其靶面裂紋、疏松區(qū)域大小和崩落程度顯著增強,銅EFP 彈丸對靶面形成的裂紋數(shù)目比銅桿射流多達(dá)30%以上,靶面崩落區(qū)域比桿射流作用的靶面崩落區(qū)域范圍大約20%,其破壞區(qū)域的疏松程度明顯優(yōu)于桿射流。

由上述試驗結(jié)果可見,所有銅聚能侵徹體的穿深能力均大于鋁聚能侵徹體,這可能是由于鋁材料密度比銅低所致;但是鋁侵徹體的穿孔孔徑、靶面破壞疏松區(qū)和疏松度優(yōu)勢明顯比銅侵徹體大得多,可以認(rèn)為金屬鋁能與混凝土材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生對混凝土的附加破壞;而且鋁與混凝土阻抗匹配特性好于銅材料,有利于侵徹體動能的有效轉(zhuǎn)化[9],使鋁侵徹體產(chǎn)生優(yōu)異的靶面綜合毀傷效果。需要說明的是,圖5(d)K 型鋁罩裝藥試驗,在同樣炸高條件下靶墩產(chǎn)生沖毀垮塌,可能由于爆炸作用失常,低炸高時炸藥爆炸后直接作用于靶;或者是因為鋁射流與混凝土發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)和強烈膨脹效應(yīng),有待以后的研究觀察。

從圖5 結(jié)果可知,針對C35 鋼筋混凝土靶標(biāo),銅桿式射流和球缺罩EFP 的穿深能力均達(dá)7倍裝藥直徑,但桿射流的穿孔孔徑大于EFP ,其入孔孔徑已達(dá)0.56 倍裝藥直徑,能滿足串聯(lián)侵徹戰(zhàn)斗部的前級裝藥對混凝土目標(biāo)預(yù)開大孔的技術(shù)需求。

3 結(jié) 論

(1)K 形銅罩桿式射流的穿孔效果較好,在穿孔深度相當(dāng)?shù)那闆r下,K 形桿式射流比銅球缺罩EFP 穿孔粗、孔徑大,適用于串聯(lián)侵徹戰(zhàn)斗部的前級裝藥對鋼筋混凝土標(biāo)靶開大孔和高穿深要求。

(2)盡管鋁藥型罩侵徹的孔徑比較大而孔淺,但是靶面破壞疏松區(qū)大而深,損傷裂紋數(shù)目多,其橫向膨脹作用對靶面的毀傷效果明顯?？蓪⑶蛉毙魏蚄 形鋁侵徹體前級方案用于打擊較薄的鋼混目標(biāo),如對工事或鋼混墻等防護目標(biāo),將會取得更大范圍的疏松區(qū)域和大穿孔的效果。

(3)若采用平面波起爆裝藥,可使前級侵徹體的速度、長度等比環(huán)形起爆的相關(guān)參數(shù)存在較明顯優(yōu)勢,應(yīng)對混凝土目標(biāo)產(chǎn)生更顯著穿孔效果。

致謝:參加本研究及試驗工作的還有劉豐旺、劉謙、賀海民、王親會、趙凱等同志,在此表示衷心感謝!

[1]劉永遠(yuǎn),江正平,張進(jìn).鉆地彈及其發(fā)展趨勢[J].飛航導(dǎo)彈,2006,(3):34-37.

LIU Yong-yuan,JIANG Zheng-ping,ZHANG Jin.Earth penetrator and its developing trends[J].Winged Missiles Journal,2006,(3):34-37.

[2]葉本治,楊貴紅,戴君全.聚能裝藥對混凝土侵徹的試驗研究[J].爆轟波與沖擊波,1993,9(3):1-7.

YE Ben-zhi,YANG Gui-hong,DAI Jun-quan.Experimental study of the shaped charge penetration against concrete target[J].Detonation and Shock Waves,1993,9(3):1-7.

[3]王樹有,趙有守,陳惠武.串聯(lián)攻堅戰(zhàn)斗部前級聚能裝藥研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2005,25(3):501-508.

WANG Shu-you,ZH AO You-shou,CH EN H ui-wu.S tudy of precursory shaped charge of tandem w arhead[J].Journal of Projectiles Rockets,Missiles and Guidance,2005,25(3):501-508.

[4]王利俠,孫建,劉豐旺,等.聚能侵徹體對混凝土作用的實驗研究[C]//第十屆學(xué)術(shù)年會論文集.綿陽:中國宇航學(xué)會,2007:366-369.

[5]孫建,袁寶慧,王利俠,等.緊湊型聚能裝藥的數(shù)值模擬及實驗研究[J].火炸藥學(xué)報,2009,32(5):46-49.

S UN Jian,YUAN Bao-hui,WANG Li-xia,et al.Numerical simulation and experimental research on compact shaped charge[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2009,32(5):46-49.

[6]Held M.The shaped charge potential[C]// 20th International Symposium on Ballistics.Orlando:[s.n.],2002.

[7]Resnyansky A D,Wildegger-Gaissmaier A E.Study of the borehole diameter in concrete due to the shaped charge jet penetration[C]//20th International Symposium on Ballistics.Orlando:[s.n.],2002.

[8]Resnyansky A D,Katselis G,Wildegger-Gaissmaier A E.Experimental and numerical study of the shaped charge jet perforation against concrete target[C]// 21th International Symposium on Ballistics.Adelaide:[s.n.],2004.

[9]Murphy M J,and Kuklo R M.Fundamentals of shaped charge penetration in concrete[C]// 18th International Symposium on Ballistic. Sanantonio:TX,1999:1057-1064.