基于前級(jí)爆轟過(guò)載的串聯(lián)攻堅(jiān)彈后級(jí)計(jì)時(shí)起點(diǎn)

徐蓬朝，黃惠東，聶 崢

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西西安710065）

基于前級(jí)爆轟過(guò)載的串聯(lián)攻堅(jiān)彈后級(jí)計(jì)時(shí)起點(diǎn)

徐蓬朝，黃惠東，聶 崢

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西西安710065）

針對(duì)串聯(lián)攻堅(jiān)彈前級(jí)戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)開(kāi)孔，后級(jí)戰(zhàn)斗部沿孔洞繼續(xù)侵徹時(shí)受到的沖擊過(guò)載較小，不利于引信實(shí)時(shí)識(shí)別碰靶信息的問(wèn)題，提出了基于前級(jí)爆轟過(guò)載信息的串聯(lián)攻堅(jiān)彈后級(jí)引信計(jì)時(shí)起爆起點(diǎn)。該方法利用前級(jí)聚能裝藥戰(zhàn)斗部起爆產(chǎn)生的爆轟場(chǎng)環(huán)境，后級(jí)引信以爆轟過(guò)載信息作為計(jì)時(shí)起爆的計(jì)時(shí)起點(diǎn)，在識(shí)別此過(guò)載信息時(shí)可設(shè)置較高的閾值，當(dāng)后級(jí)引信識(shí)別到過(guò)載信息大于設(shè)置的閾值后啟動(dòng)計(jì)時(shí)起爆，并按照預(yù)定時(shí)間延時(shí)，延時(shí)時(shí)間結(jié)束發(fā)出起爆信號(hào)。仿真計(jì)算表明，前級(jí)爆轟過(guò)載脈寬142μs，峰值4.0×104g，遠(yuǎn)大于后級(jí)戰(zhàn)斗部侵徹過(guò)載，前級(jí)爆轟過(guò)載信息可作為后級(jí)引信計(jì)時(shí)起爆的起點(diǎn)，后級(jí)引信識(shí)別過(guò)載信息可以設(shè)定較高的閾值，提高彈道安全性；外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明前級(jí)爆轟過(guò)載信息作為后級(jí)計(jì)時(shí)起爆的計(jì)時(shí)起點(diǎn)設(shè)計(jì)合理。

攻堅(jiān)彈；串聯(lián)戰(zhàn)斗部；爆轟；引信；計(jì)時(shí)起爆

0 引言

串聯(lián)攻堅(jiān)彈前級(jí)戰(zhàn)斗部起爆形成高速射流對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的侵徹，后級(jí)動(dòng)能戰(zhàn)斗部依靠前級(jí)開(kāi)出的孔洞繼續(xù)侵徹，并適時(shí)引爆后級(jí)裝藥［1］。前級(jí)戰(zhàn)斗部的射流必須穿透目標(biāo)，且開(kāi)孔的孔徑應(yīng)盡可能大，后級(jí)戰(zhàn)斗部直徑應(yīng)略小于前級(jí)戰(zhàn)斗部，以順利鉆入目標(biāo)內(nèi)部［2］。因此，后級(jí)戰(zhàn)斗部侵徹目標(biāo)過(guò)程中的沖擊過(guò)載較小。

前級(jí)戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的爆轟場(chǎng)會(huì)對(duì)后級(jí)戰(zhàn)斗部帶來(lái)較大的沖擊過(guò)載，一般設(shè)計(jì)后級(jí)引信時(shí)作為負(fù)面因素考慮。文獻(xiàn)［3］研究了利用前級(jí)爆轟場(chǎng)環(huán)境對(duì)后級(jí)戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的減加速度剪斷后級(jí)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)銅絲從而解除后級(jí)引信保險(xiǎn)，但未涉及后級(jí)起爆控制。引信在計(jì)時(shí)起爆控制時(shí)，一般把侵入目標(biāo)的時(shí)刻作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)［4］。對(duì)于串聯(lián)彈而言，前級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸形成射流對(duì)目標(biāo)進(jìn)行開(kāi)孔，后級(jí)戰(zhàn)斗部沿開(kāi)孔隨進(jìn)侵入目標(biāo)時(shí)的過(guò)載值較小，不利于后級(jí)引信識(shí)別過(guò)載信息。外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)后級(jí)引信識(shí)別到過(guò)載信息時(shí)，后級(jí)戰(zhàn)斗部卵形部已經(jīng)侵入目標(biāo)內(nèi)部，且侵徹深度具有一定的散布性，計(jì)時(shí)起爆的起點(diǎn)難以確定，不易控制炸點(diǎn)。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于前級(jí)爆轟過(guò)載信息的串聯(lián)攻堅(jiān)彈引信后級(jí)計(jì)時(shí)起爆起點(diǎn)。

1 串聯(lián)攻堅(jiān)彈及LS-DYNA有限元軟件

1.1 串聯(lián)攻堅(jiān)彈簡(jiǎn)介

串聯(lián)攻堅(jiān)彈的戰(zhàn)斗部主要由前級(jí)戰(zhàn)斗部、前級(jí)引信、后級(jí)戰(zhàn)斗部、后級(jí)引信等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)攻堅(jiān)彈戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The model of structure of tanderm warhead

1.2 前級(jí)爆轟應(yīng)力計(jì)算方法

前級(jí)裝藥爆轟后產(chǎn)生的爆轟波作用于隔層，通過(guò)隔層材料向后級(jí)戰(zhàn)斗部透射沖擊波。隔層入射波的動(dòng)力學(xué)參量可由下式進(jìn)行計(jì)算［5］：

式中，P1為隔層入射波壓力，PH為炸藥爆壓，ρ01為隔層初始密度，γ為多方指數(shù)，u1為隔層質(zhì)點(diǎn)速度，a1、b1為常數(shù)。

沖擊波在隔層材料中的衰減規(guī)律都比較復(fù)雜，一般采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，即沖擊波在隔層中的衰減規(guī)律近似符合指數(shù)衰減規(guī)律如下：

式中，Px為隔層中x處的壓力，α為隔層衰減系數(shù)。

在隔板（Ⅰ）與后級(jí)殼體（Ⅱ）界面相互作用中，界面處的動(dòng)力學(xué)參量可根據(jù)阻抗匹配原理，結(jié)合界面連續(xù)條件，在“u-p平面內(nèi)作圖求解［6］。后級(jí)殼體的u-p曲線方程為：

由式（1）和式（3）做出隔層和后級(jí)戰(zhàn)斗部殼體的沖擊Hugoniot曲線［7］，求得殼體的初始入射波動(dòng)力學(xué)參量。

1.3 LS-DYNA有限元軟件

LS-DYNA仿真軟件是世界上著名的通用顯式動(dòng)力學(xué)分析程序，它能夠較好地模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜性問(wèn)題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸以及金屬成型等非線性動(dòng)力沖擊問(wèn)題，同時(shí)它還可以求解傳熱、流體及流固耦合問(wèn)題。在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，它被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件之一，與試驗(yàn)結(jié)果的無(wú)數(shù)次對(duì)比證實(shí)了其計(jì)算分析的可靠性［8］。

2 基于前級(jí)爆轟過(guò)載的串聯(lián)攻堅(jiān)彈后級(jí)計(jì)時(shí)起點(diǎn)

2.1 前級(jí)爆轟沖擊過(guò)載

串聯(lián)攻堅(jiān)彈按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)1∶1條件下進(jìn)行試驗(yàn)，前級(jí)聚能裝藥為聚奧炸藥，其爆速為8 878 m/s，爆壓為32.2 GPa，代入式（1）可以算出隔層初始入射波動(dòng)力學(xué)參量，p1=36.6 GPa，u1=1 722.0 m/s。

隔層選用LY12鋁，根據(jù)式（2）可以算得pN= 36.6exp（—0.019×60）=0.3 GPa，代入式（3）可以算得隔層輸出粒子速度uN=20 m/s。作出隔層的Hugoniot曲線Ⅰ，曲線Ⅰ′是曲線Ⅰ關(guān)于點(diǎn)N（pN，uN）的鏡像對(duì)稱(chēng)線，如圖2所示。

圖2 隔板、后級(jí)殼體的u- p曲線Fig.2 Theu- p curves of separator&following proiectile

后級(jí)戰(zhàn)斗部材料為鎢合金，作出戰(zhàn)斗部的Hugoniot曲線Ⅱ，曲線Ⅱ與曲線Ⅰ′相交于點(diǎn)M，M點(diǎn)即為后級(jí)戰(zhàn)斗部初始入射波動(dòng)力學(xué)參量，由圖2可以得出入射壓力pM為510 MPa。

2.2 計(jì)時(shí)起點(diǎn)

前級(jí)戰(zhàn)斗部開(kāi)孔后，后級(jí)戰(zhàn)斗部隨進(jìn)沿孔洞侵徹殺傷，此時(shí)后級(jí)戰(zhàn)斗部受到的侵徹過(guò)載值較小，不利于引信識(shí)別。

由上文計(jì)算可知，前級(jí)爆轟場(chǎng)對(duì)后級(jí)彈沖擊過(guò)載峰值較高，超過(guò)1.5×104g，遠(yuǎn)大于后級(jí)戰(zhàn)斗部沿開(kāi)孔侵徹過(guò)載。因此，后級(jí)引信起爆控制部件可以充分利用前級(jí)聚能裝藥爆轟過(guò)載沖擊信息作為計(jì)時(shí)起爆的起點(diǎn)，后級(jí)引信識(shí)別爆轟過(guò)載可以設(shè)置較高的閾值，可控制在1.0×104～1.5×104g之間。后級(jí)引信加速度傳感器剛性貼在引信殼體上，當(dāng)傳感器實(shí)時(shí)識(shí)別到過(guò)載信號(hào)大于此值后開(kāi)始計(jì)時(shí)，并按照預(yù)定時(shí)間延時(shí)，延時(shí)時(shí)間結(jié)束發(fā)出起爆信號(hào)。

3 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真計(jì)算

仿真計(jì)算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，數(shù)值模型由前級(jí)聚能裝藥、藥型罩、空氣、混凝土、隔層、后級(jí)戰(zhàn)斗部、引信等部分組成，由于模型結(jié)構(gòu)、沖擊載荷具有對(duì)稱(chēng)性，為節(jié)減計(jì)算時(shí)間，彈體和靶板均采取1/4模型建模。模型的建立和簡(jiǎn)化基于以下原則：對(duì)前級(jí)聚能裝藥、藥型罩、后級(jí)戰(zhàn)斗部等進(jìn)行詳細(xì)建模，保持力學(xué)特征的真實(shí)性，其他部分簡(jiǎn)化、配重處理。后級(jí)引信殼體和彈體采用通螺紋連接，仿真計(jì)算時(shí)近似認(rèn)為剛性連接。

仿真計(jì)算采用流固耦合方法，前級(jí)聚能裝藥、藥型罩、空氣采用ALE算法，炸藥和藥型罩用空氣層包裹起來(lái)，并建立了射流的空氣通道，其余材料均采用Largrange算法。網(wǎng)格單元是六面體SOLID 164單元，靶板中心區(qū)域進(jìn)行加密劃分網(wǎng)格，有限元模型如圖3所示。

圖3 串聯(lián)彈有限元模型Fig.3 Numerical model of tanderm warhead

其中，前級(jí)聚能裝藥采用HIGH-EXPLOSIVE -BURN模型，狀態(tài)方程為JWL；藥型罩采用STEINBERG模型，狀態(tài)方程為GRUNEISEN；空氣采用NULL模型，狀態(tài)方程為GRUNEISEN；隔層、引信采用PLASTIC-KINEMATIC模型；后級(jí)戰(zhàn)斗部、引信殼體采用JOHNSON-COOK模型，狀態(tài)方程為GRUNEISEN；混凝土尺寸為1 600 mm× 1 600 mm×500 mm，抗壓強(qiáng)度為35 Mpa，采用JHC模型。材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料的主要參數(shù)Tab.1 Material parameters of model

整個(gè)建模過(guò)程采用cm-g-μs單位制，仿真每2 μs輸出一次計(jì)算結(jié)果文件。設(shè)定前級(jí)聚能裝藥起爆時(shí)刻為0μs，后級(jí)戰(zhàn)斗部初速度為250 m/s。射流開(kāi)坑情況及開(kāi)坑后靶板如圖4所示。

圖4 前級(jí)射流開(kāi)坑情況Fig.4 Target-piercing of shaped charge iet

由圖4可以看出混凝土靶在前級(jí)聚能射流作用下形成一個(gè)兩端漏斗狀的孔洞，最小孔徑為280 mm左右，略小于后級(jí)戰(zhàn)斗部口徑。開(kāi)孔后的靶板會(huì)對(duì)后級(jí)戰(zhàn)斗部沿開(kāi)孔侵徹造成一定的沖擊過(guò)載，但過(guò)載值較小，同時(shí)由于靶板崩落效應(yīng)造成的漏斗狀孔洞均不利于后級(jí)引信傳感器識(shí)別后級(jí)戰(zhàn)斗部碰靶信息，不適于作為設(shè)置計(jì)時(shí)起爆起點(diǎn)的環(huán)境因素。

前級(jí)戰(zhàn)斗部在開(kāi)坑的同時(shí)會(huì)對(duì)后級(jí)戰(zhàn)斗部造成較大的沖擊，一般在引戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，前級(jí)爆轟場(chǎng)環(huán)境作為負(fù)面因素考慮，通過(guò)機(jī)械濾波、灌封等手段對(duì)沖擊應(yīng)力進(jìn)行衰減。在后級(jí)引信識(shí)別戰(zhàn)斗部碰靶信息受到限制時(shí)，可充分利用前級(jí)爆轟場(chǎng)過(guò)載信息作為計(jì)時(shí)起爆的起點(diǎn)，適當(dāng)延時(shí)后起爆。

由于后級(jí)引信加速度傳感器剛性貼在引信殼體上，選取模型中引信殼體部分為研究對(duì)象，LS-DYNA仿真軟件得到加速度曲線及前級(jí)爆轟情況如圖5所示。

圖5 前級(jí)爆轟及引信殼體加速度曲線Fig.5 Precursorydetonation&time- history curves of overload of following fuze

由仿真結(jié)果得出，在170.0μs時(shí)刻隔層在前級(jí)爆轟場(chǎng)作用下已經(jīng)完全破碎，爆轟沖擊完全作用在后級(jí)戰(zhàn)斗部。由圖5可以看出引信殼體沖擊時(shí)刻為240.0μs，峰值過(guò)載4.0×104g，沖擊脈寬142μs。

該過(guò)載峰值高，具有較寬的脈寬，適于后級(jí)引信識(shí)別實(shí)時(shí)加速度信息。后級(jí)引信以此過(guò)載信息作為計(jì)時(shí)起爆的起點(diǎn)，并根據(jù)識(shí)別到爆轟信息時(shí)刻、應(yīng)力波在后級(jí)戰(zhàn)斗部傳播時(shí)間推算導(dǎo)彈前艙碰靶時(shí)刻，預(yù)設(shè)延時(shí)時(shí)間后起爆即可到達(dá)毀傷效果。此外，前級(jí)爆轟過(guò)載峰值較高，后級(jí)引信識(shí)別爆轟過(guò)載可以設(shè)置較高的閾值，提高了彈道安全性。

仿真值與理論計(jì)算值相差較大主要是由于后級(jí)引信位于戰(zhàn)斗部尾部，應(yīng)力波在此處疊加后造成的。此外，理論計(jì)算值是在隔層不失效的理想狀態(tài)下計(jì)算得出，由圖5可以看出在前級(jí)爆轟波作用下，隔層整體結(jié)構(gòu)在170.0μs時(shí)刻已經(jīng)完全失效、破碎，失去了反射、衰減應(yīng)力波的作用，此后爆轟沖擊直接作用于后級(jí)戰(zhàn)斗部，使后級(jí)引信受到的沖擊過(guò)載變大。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

外場(chǎng)試驗(yàn)嚴(yán)格按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)彈，其中后級(jí)引信為測(cè)試引信。根據(jù)3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果，將后級(jí)引信識(shí)別爆轟過(guò)載的閾值設(shè)置為1.0×104g。試驗(yàn)后回收后級(jí)引信并成功讀取到測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明后級(jí)引信成功識(shí)別到爆轟過(guò)載信息并開(kāi)始計(jì)時(shí)，按照預(yù)設(shè)時(shí)間延時(shí)后發(fā)出起爆信號(hào)。經(jīng)分析后級(jí)戰(zhàn)斗部炸點(diǎn)在靶后約4.5 m處，滿(mǎn)足技術(shù)設(shè)計(jì)要求（炸點(diǎn)2～5 m）。

外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明前級(jí)爆轟過(guò)載信息作為后級(jí)計(jì)時(shí)起爆的計(jì)時(shí)起點(diǎn)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

本文提出了基于前級(jí)爆轟過(guò)載信息的串聯(lián)攻堅(jiān)彈后級(jí)引信計(jì)時(shí)起爆起點(diǎn)。該方法利用前級(jí)聚能裝藥戰(zhàn)斗部起爆產(chǎn)生的爆轟場(chǎng)環(huán)境，后級(jí)引信以爆轟過(guò)載信息作為計(jì)時(shí)起爆的計(jì)時(shí)起點(diǎn)，在識(shí)別此過(guò)載信息時(shí)可設(shè)置較高的閾值，當(dāng)后級(jí)引信識(shí)別到過(guò)載信息大于設(shè)置的閾值后啟動(dòng)計(jì)時(shí)起爆，并按照預(yù)定時(shí)間延時(shí)，延時(shí)時(shí)間結(jié)束發(fā)出起爆信號(hào)。仿真計(jì)算表明，前級(jí)爆轟過(guò)載脈寬超過(guò)142μs，峰值4.0× 104g，遠(yuǎn)大于后級(jí)戰(zhàn)斗部侵徹過(guò)載，前級(jí)爆轟過(guò)載信息可作為后級(jí)引信計(jì)時(shí)起爆的起點(diǎn)，后級(jí)引信識(shí)別過(guò)載信息可以設(shè)定較高的閾值，提高彈道安全性；外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明前級(jí)爆轟過(guò)載信息作為后級(jí)計(jì)時(shí)起爆的計(jì)時(shí)起點(diǎn)設(shè)計(jì)合理。

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Starting Time of Following Fuze Based on Precursory Detonation Overload

XU Pengzhao，HUANG Huidong，NIE Zheng
（Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065，China）

The starting point of timing detonation of following fuze based on overload of precursory detonation was put forward in this paper.The following fuze used the overload by the blast of the precursory charge to set the starting point of timing detonation.When the fuze distinguished that the overload was higher than the preset threshold，it started timing detonation and sent detonation signal after a preset time.Simulation results revealed that the overload peak was 4.0×104 g and the width continued for 142μs，which was beneficial for the fuze to distinguish the impacting target information and set a high preset threshold.

hard structure ammunition；tandem warhead；detonation；fuze；timing detonation

TJ430.2

A

1008-1194（2015）05-0014-04

2015-02-06

徐蓬朝（1984—），男，河北霸州人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)電引信技術(shù)。E-mail：iust4tommylove@ gmail.com