串聯(lián)戰(zhàn)斗部最佳隔爆參數(shù)研究

陳 闖,王曉鳴,沈曉軍,2,李文彬,李偉兵

(1.南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,南京 210094;2.63961部隊(duì),北京 100012)

近年來(lái),隨著先進(jìn)裝甲技術(shù)的發(fā)展,串聯(lián)戰(zhàn)斗部成為成型裝藥技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]利用X光試驗(yàn)研究了一種逆序起爆式串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)的毀傷元形成及對(duì)目標(biāo)的毀傷過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝甲目標(biāo)的同軸接力侵徹。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種高速桿流與低速桿流相結(jié)合的串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)用于反鋼筋混凝土目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋混凝土的擴(kuò)孔作用。文獻(xiàn)[3]提出了一種串聯(lián)EFP裝藥結(jié)構(gòu),用于毀傷硬目標(biāo),該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了前后級(jí)的侵徹能力。但是,關(guān)于串聯(lián)戰(zhàn)斗部最佳隔爆參數(shù)的研究還比較少。

本文針對(duì)順序起爆式串聯(lián)戰(zhàn)斗部,設(shè)計(jì)了研究前后級(jí)影響的串聯(lián)裝藥試驗(yàn)裝置,利用沖擊波Hugoniot關(guān)系計(jì)算前、后級(jí)安全隔爆距離,建立延遲起爆時(shí)間計(jì)算模型,研究前級(jí)裝藥爆轟對(duì)后級(jí)射流成型及侵徹的影響,并分析了隔爆裝置對(duì)后級(jí)射流速度和侵徹能力的消耗。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)布置

本文設(shè)計(jì)的串聯(lián)戰(zhàn)斗部試驗(yàn)裝置如圖1(a)所示,該裝置包括了前級(jí)裝藥、后級(jí)裝藥、前級(jí)殼體、后級(jí)殼體、隔爆裝置與起爆裝置。對(duì)串聯(lián)戰(zhàn)斗部進(jìn)行裝配,先將前、后級(jí)裝藥分別裝于前、后級(jí)殼體內(nèi),利用端蓋進(jìn)行定位,并將導(dǎo)爆索連接到前、后級(jí)裝藥的頂部;然后將隔爆裝置放入前級(jí)殼體內(nèi),用螺釘將殼體與隔爆件聯(lián)接保證隔爆裝置的位置;前、后級(jí)殼體通過(guò)螺紋聯(lián)接;前、后級(jí)裝藥的導(dǎo)爆索利用膠布進(jìn)行粘結(jié)固定,前級(jí)導(dǎo)爆索通過(guò)前級(jí)殼體的開(kāi)孔導(dǎo)出,開(kāi)孔還起到泄爆的作用。利用導(dǎo)爆索的長(zhǎng)度控制延遲時(shí)間。利用X光拍攝前級(jí)爆轟對(duì)后級(jí)射流成型的影響,并同時(shí)驗(yàn)證后級(jí)射流的侵徹能力,X光試驗(yàn)靶場(chǎng)布置如圖1(b)所示。

圖1 試驗(yàn)布置圖

為了研究前級(jí)裝藥爆轟對(duì)后級(jí)射流成型及侵徹的影響,前級(jí)裝藥只需采用一定裝藥量的裸藥柱,后級(jí)選擇基準(zhǔn)彈(60°錐角單錐罩裝藥)形成頭部速度較高的射流,前、后級(jí)裝藥直徑Dk=56 mm。首先對(duì)單錐罩形成射流的過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算與X光攝像試驗(yàn),獲得了射流的成型形態(tài)與頭部速度vj,見(jiàn)表1。

表1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比(40 μs)

隔爆裝置采用金屬與非金屬組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)[4],一方面可以降低戰(zhàn)斗部的質(zhì)量,另一方面可以大幅度地衰減爆炸沖擊波。

隔爆裝置選擇45#鋼和聚氨酯2種材料,結(jié)構(gòu)如圖2所示。與前級(jí)裝藥相鄰的為聚氨酯,用于吸收前級(jí)裝藥爆炸產(chǎn)生的能量[5]。45#鋼的厚度較薄,這是為了降低隔爆裝置對(duì)后級(jí)射流的消耗;隔爆裝置設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形,是為了給后級(jí)射流留出成型空間。

圖2 隔爆裝置結(jié)構(gòu)

1.2 前、后級(jí)裝藥間距的確定

2級(jí)裝藥的間距是判定后級(jí)裝藥能否殉爆的重要條件。通過(guò)計(jì)算前級(jí)裝藥爆炸沖擊波在隔爆裝置中的衰減過(guò)程,可以得出由聚氨酯、45#鋼、空氣共同作用下2級(jí)裝藥的間距。為了給前級(jí)起爆裝置留出一定空間,前級(jí)裝藥應(yīng)與隔爆件有一定距離,同時(shí)后級(jí)射流需要一定的成型空間,所以初定2級(jí)間距為2倍裝藥口徑。下面利用不同界面處反射波與透射波Hugoniot關(guān)系曲線計(jì)算到達(dá)后級(jí)裝藥的沖擊波壓力[6],見(jiàn)圖3。

圖3 反射波與透射波Hugoniot關(guān)系計(jì)算曲線

圖3中曲線1、曲線2、曲線3分別為不同介質(zhì)的雨果尼奧關(guān)系曲線(曲線1、曲線2和曲線3分別代表聚氨酯、45#鋼和空氣),曲線橫坐標(biāo)為質(zhì)點(diǎn)速度v,縱坐標(biāo)為介質(zhì)中沖擊波壓力p,3種介質(zhì)的阻抗從高到低分別為介質(zhì)2、介質(zhì)1、介質(zhì)3。介質(zhì)1中的沖擊波傳播到介質(zhì)1、介質(zhì)2分界面處的壓力為pb,入射沖擊波在分界面處發(fā)生反射。由于分界面處兩側(cè)的壓力和質(zhì)點(diǎn)速度是連續(xù)的,因此分界面處的狀態(tài)既在反射波雨果尼奧曲線1′上,又在介質(zhì)2的右傳透射波雨果尼奧曲線2上,即a點(diǎn)的狀態(tài),其中曲線1和曲線1′呈鏡像對(duì)稱(chēng)關(guān)系。同理,當(dāng)沖擊波傳播至介質(zhì)1、介質(zhì)3分界面處,介質(zhì)狀態(tài)由b點(diǎn)變化到c點(diǎn)。沖擊波在固體介質(zhì)中呈指數(shù)衰減,計(jì)算式為[7]

px=pie-αx

(1)

式中:px為沖擊波傳播到距離x處的介質(zhì)壓力,pi為沖擊波在介質(zhì)中的初始?jí)毫?x為沖擊波傳播的距離,α為衰減系數(shù)。

空氣中沖擊波的衰減按照如下方法計(jì)算[8]:

Δp=Δpk(1-t/t+)n

(2)

式中:Δp為空氣中沖擊波傳播到時(shí)間t時(shí)的超壓;Δpk為沖擊波進(jìn)入空氣中的超壓;t為沖擊波傳播所用的時(shí)間;t+為爆炸沖擊波正壓區(qū)作用時(shí)間。

通過(guò)選定的2級(jí)間距,利用不同界面處反射波與透射波Hugoniot關(guān)系曲線以及不同介質(zhì)沖擊波衰減規(guī)律計(jì)算出到達(dá)后級(jí)裝藥的沖擊波壓力為1.67 GPa,小于8701炸藥的起爆閾值壓力。因此,前、后級(jí)間距為2倍裝藥口徑時(shí),采用的隔爆裝置能夠有效隔爆。

1.3 延遲時(shí)間的計(jì)算

延遲起爆時(shí)間與前、后級(jí)裝藥的設(shè)計(jì)密切相關(guān),延遲時(shí)間選擇不當(dāng)將直接導(dǎo)致前后級(jí)射流發(fā)生相互干擾,反而會(huì)降低破甲威力[9]。合理的延遲時(shí)間必須保證前級(jí)射流侵徹完靶板前,后級(jí)射流的頭部不能趕上前級(jí)射流的尾部。所以只需要研究前級(jí)射流尾部與后級(jí)射流頭部的位置關(guān)系。

串聯(lián)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,由時(shí)間原點(diǎn)起,經(jīng)過(guò)時(shí)間t1爆轟波傳到前級(jí)藥型罩最后一個(gè)微元;又經(jīng)過(guò)t2,最后一個(gè)微元閉合;經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間t3,后級(jí)裝藥起爆;再經(jīng)過(guò)t4,爆轟波傳至后級(jí)藥型罩第一個(gè)微元;后級(jí)射流頭部形成到穿過(guò)隔板經(jīng)歷了時(shí)間t5。其中,H1為前級(jí)裝藥的高度;h1為前級(jí)藥型罩的高度;s為前級(jí)炸高;P為前級(jí)的侵徹深度。延遲時(shí)間計(jì)算模型中的前級(jí)裝藥采用能完成大開(kāi)孔并兼顧穿深的K裝藥?；谇捌贙裝藥成型及侵徹研究,下面給出計(jì)算模型中需要的各參數(shù)值。

圖4 串聯(lián)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

按照合理延遲時(shí)間數(shù)學(xué)模型的計(jì)算方法,并且考慮后級(jí)射流速度的損失,延遲時(shí)間計(jì)算模型為

式中:X1=h1+h1tan2α1,v1為后級(jí)射流頭部速度,v2為前級(jí)射流尾部速度,α1為前級(jí)裝藥藥型罩的半錐角。

將H1=60 mm,s=112 mm,P=186 mm,v1=4 760 m/s,t4=5 μs,t5=35 μs,h1=30 mm,v2=1 520 m/s,α1=36°,t1=10 μs,t2=6 μs代入式(4),計(jì)算得t3=85 μs。

2 前級(jí)爆轟對(duì)后級(jí)射流成型及侵徹的影響

為了驗(yàn)證所計(jì)算的延遲時(shí)間的合理性,利用Autodyn軟件對(duì)5種延遲時(shí)間下射流的形成進(jìn)行仿真分析,并結(jié)合X光試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真模型如圖5所示,仿真中炸藥、藥型罩、空氣采用Euler算法,隔爆裝置與殼體采用Lagrange算法,并采用Euler/Lagrange耦合。各材料模型及參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。延遲時(shí)間分別為45 μs、65 μs、85 μs、105 μs、125 μs。通過(guò)改變延遲時(shí)間考察后級(jí)射流形狀的變化情況。5種延遲時(shí)間的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖5 仿真模型

從圖6中可以看出,按照延遲時(shí)間模型計(jì)算出的方案的射流成型效果較其余4種延遲時(shí)間的好。短延遲時(shí)間下射流頭部發(fā)生彎曲與斷裂,說(shuō)明短延遲時(shí)間下后級(jí)射流頭部受前級(jí)爆轟場(chǎng)影響較大。長(zhǎng)延遲下射流整體成型效果較差,變形較嚴(yán)重,這是由于長(zhǎng)延遲時(shí)間下后級(jí)藥型罩在形成射流前發(fā)生了變形,這將對(duì)最終的侵徹產(chǎn)生不利的影響,這說(shuō)明延遲時(shí)間對(duì)串聯(lián)戰(zhàn)斗部后級(jí)射流的成型有較大的影響。

5種延遲時(shí)間條件下后級(jí)射流的形狀有較大的差別,這將直接影響最終的毀傷效果。5種延遲時(shí)間方案下的侵徹效果如圖6所示。從圖中可以看出延遲時(shí)間85 μs時(shí)侵徹孔型很均勻,而其余4種延遲時(shí)間的后級(jí)射流侵徹的孔形出現(xiàn)異常,其中延遲時(shí)間為65 μs和105 μs方案出現(xiàn)2個(gè)入孔,延遲時(shí)間為45 μs和125 μs方案入孔呈長(zhǎng)條形。5種延遲時(shí)間條件下后級(jí)射流侵徹深度分別為63 mm,94 mm,170 mm,82 mm,55 mm,綜合圖6與侵徹深度試驗(yàn)結(jié)果,延遲時(shí)間為85 μs時(shí)毀傷效果最佳。

圖6 5種延遲時(shí)間條件下后級(jí)射流成型及侵徹效果

3 隔爆裝置對(duì)后級(jí)射流的消耗

3.1 考慮隔爆裝置的后級(jí)射流成型性能

隔爆裝置會(huì)降低后級(jí)裝藥的侵徹作用,盡可能降低隔爆部件對(duì)后級(jí)射流的消耗和干擾,才能使第2級(jí)裝藥作用得到正常發(fā)揮。本節(jié)利用仿真和試驗(yàn)研究在不考慮前級(jí)裝藥的情況下隔爆裝置對(duì)后級(jí)聚能射流形成及侵徹的影響。為了給后級(jí)射流留出一定的成型空間,選取后級(jí)裝藥與隔爆裝置的距離為1.5Dk。

為了得到穿過(guò)隔爆件后射流形狀的變化以及頭部速度降低的百分比,利用X光拍攝穿過(guò)隔爆件前后后級(jí)射流的成型效果圖,仿真與試驗(yàn)的對(duì)比如圖7所示。仿真與試驗(yàn)得到的后級(jí)射流穿過(guò)隔爆件的頭部速度分別為4 620 m/s和4 760 m/s,兩者的誤差為3%。與表1中射流的頭部速度相比,在不考慮前級(jí)裝藥的條件下,穿過(guò)隔爆裝置后射流頭部速度降低了15%,但仍然具有一定的侵徹能力。

圖7 后級(jí)射流試驗(yàn)與仿真的成型效果圖

3.2 考慮隔爆裝置的后級(jí)射流侵徹能力

考慮到隔爆裝置的后級(jí)射流侵徹能力會(huì)有所降低,對(duì)比有無(wú)隔爆裝置下后級(jí)射流的侵徹能力,分析隔爆裝置對(duì)后級(jí)射流侵徹的影響。圖8給出了2種情況下的侵徹試驗(yàn)結(jié)果照片,2種情況的炸高均取3.6Dk。入口孔形在沒(méi)有隔爆裝置的情況下較均勻,這說(shuō)明隔爆裝置對(duì)后級(jí)射流造成了一定的影響。2種情況的侵徹深度分別為205 mm和142 mm,侵徹深度降低了30%。圖9給出了試驗(yàn)后回收的隔爆件45#鋼部分與仿真隔爆件的對(duì)比,隔爆件的穿孔孔徑為25 mm。

圖8 侵徹試驗(yàn)照片

圖9 侵徹后隔爆裝置

4 結(jié)論

①設(shè)計(jì)了一種順序起爆式串聯(lián)戰(zhàn)斗部,利用沖擊波Hugoniot關(guān)系計(jì)算了前級(jí)裝藥爆轟產(chǎn)生的沖擊波在隔爆材料中的衰減,結(jié)果表明,在2倍裝藥口徑間距下隔爆性能可靠;建立了延遲起爆時(shí)間計(jì)算模型,計(jì)算得到最佳的延遲起爆時(shí)間為85 μs。

②試驗(yàn)研究了串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥爆轟對(duì)后級(jí)射流的影響,對(duì)比了5種不同延遲時(shí)間條件下后級(jí)射流的成型及侵徹效果,最佳延遲時(shí)間方案的毀傷效果最佳,結(jié)果表明計(jì)算的延遲時(shí)間是合理的。

③研究了隔爆裝置對(duì)后級(jí)射流的消耗及最終侵徹結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)后級(jí)射流頭部速度降低了15%,侵徹深度較無(wú)隔爆裝置降低了30%,后級(jí)射流的破甲威力滿足串聯(lián)戰(zhàn)斗部增大穿深的需求。

[1] MALYGIN A V,PROSKURYAKOV E V,SOROKIN M V.Matching of operation of “base-head” composite shaped-charge stages[J].Journal of Applied Mechanics and Technical Physics,2012,53(1):136-139.

[2] 張先鋒,陳惠武,何勇,等.反鋼筋混凝土串聯(lián)聚能裝藥技術(shù)研究[J].爆炸與沖擊,2008,28(3):207-212.

ZHANG Xian-feng,CHEN Hui-wu,HE Yong,et al.Study on a tandem shaped charge technique to reinforce concrete[J].Explosion and Shock Waves,2008,28(3):207-212.(in Chinese)

[3] 徐浩銘,顧文彬,劉建青,等.串聯(lián)聚能裝藥隔爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2014,35(2):170-175.

XU Hao-ming,GU Wen-bin,LIU Jian-qing,et al.Numerical simulation and experimental study on explosion-proof structure design of tandem shaped charge[J].Acta Armamentarii,2014,35(2):170-175.(in Chinese)

[4] 石少卿,劉仁輝,汪 敏.鋼板-泡沫鋁-鋼板新型復(fù)合結(jié)構(gòu)降低爆炸沖擊波性能研究[J].振動(dòng)與沖擊,2008,27(4):143-146.

SHI Shao-qing,LIU Ren-hui,WANG Min.Shock wave reduction behaviour of a new compound structure composed of a foam aluminum layer between two steel plates[J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(4):143-146.(in Chinese)

[5] 陳網(wǎng)樺,彭金華,葛桂蘭,等.聚氨酯泡沫塑料抗沖擊性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].彈道學(xué)報(bào),1997,9(4):84-88.

CHEN Wang-hua,PENG Jin-hua,GE Gui-lan,et al.The experimental investigation of the shock-resistant properties of polyurethane foam plastics[J].Journal of Ballistics,1997,9(4):84-88.(in Chinese)

[6] 王海福,馮順山.爆炸載荷下聚氨酯泡沫材料中沖擊波壓力特性[J].爆炸與沖擊,1999,19(1):78-83.

WANG Hai-fu,FENG Shun-shan.Properties of shock pressure caused by explosion loads in polyurethane foam[J].Explosion and Shock Waves,1999,19(1):78-83.(in Chinese)

[7] 徐森,劉大斌,彭金華,等.藥柱沖擊波在有機(jī)玻璃中的衰減特性研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2010,24(6):431-437.

XU Sen,LIU Da-bin,PENG Jin-hua,et al.Study on the shock wave attenuation of the booster charge in the PMMA gap[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2010,24(6):431-437.(in Chinese)

[8] 孫承緯.爆炸物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

SUN Cheng-wei.Explosion physics[M].Beijing:Science Press,2011.(in Chinese)

[9] 郎明君,徐學(xué)華.多級(jí)串聯(lián)聚能裝藥隔爆時(shí)間的計(jì)算與測(cè)試[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,26(6):625-627.

LANG Ming-jun,XU Xue-hua.Calculation and test on flame proof time of multistage series shaped charge[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2002,26(6):625-627.(in Chinese)

[10] Century Dynamic Ltd.Interactive non-linear dynamic analysis software theory manual[M].Ramon,USA:Century Dynamics Incorporated,2001.