殺爆戰(zhàn)斗部爆破威力試驗(yàn)影響因素分析*

王 林，高秀娟，李曉輝，王傳有

(中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林白城 137000)

0 引言

戰(zhàn)斗部在土中的爆炸作用是終點(diǎn)效應(yīng)研究的重要內(nèi)容之一，其中地下爆破產(chǎn)生的爆坑是重要的爆炸后效形式。通過(guò)對(duì)最終爆坑體積大小的對(duì)比，可以對(duì)比分析戰(zhàn)斗部的威力和裝藥性能。文中主要從影響爆坑體積的因素出發(fā)，分析戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量、戰(zhàn)斗部埋入深度、殼體材料等對(duì)爆坑體積的影響，從而確定最佳爆坑深度，用以評(píng)定戰(zhàn)斗部的土中爆破威力。

1 拋擲爆破理論基礎(chǔ)

當(dāng)戰(zhàn)斗部埋入深度較小時(shí)，炸藥爆炸能量超過(guò)戰(zhàn)斗部上方土石介質(zhì)的阻力，土石將被拋擲，并在爆炸中心與地面之間形成一個(gè)拋擲漏斗坑。如圖1所示為拋擲漏斗坑示意圖。

圖1 拋擲漏斗坑示意圖

試驗(yàn)表明，拋擲系數(shù)n=r/h小于2時(shí)，土塊回落情況增加［1］。根據(jù)拋擲系數(shù)的大小，爆破分為以下幾種情況:

n＞1為加強(qiáng)拋擲爆破，漏斗坑頂角大于90°;n=1為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破，漏斗頂角為90°;0.75＜n＜1為減弱拋擲爆破，漏斗頂角小于90°;n＜0.75為松動(dòng)爆破，無(wú)土塊拋擲現(xiàn)象，對(duì)戰(zhàn)斗部來(lái)說(shuō)為盲炸。統(tǒng)計(jì)近年來(lái)靶場(chǎng)幾種典型彈藥爆坑試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 典型彈藥的爆破威力試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，在靶場(chǎng)進(jìn)行爆坑試驗(yàn)的爆破情況均為加強(qiáng)型拋擲爆破，所以進(jìn)行戰(zhàn)斗部爆坑試驗(yàn)時(shí)，需確定其埋深。對(duì)于帶有延期引信、侵徹功能的火箭彈戰(zhàn)斗部，更應(yīng)有最佳爆炸深度。

2 拋擲爆破試驗(yàn)及影響因素分析

2.1 試驗(yàn)方法

目前戰(zhàn)斗部的爆坑試驗(yàn)，執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要有《GJB4225榴彈定型試驗(yàn)規(guī)程》和《GJB3197炮彈試驗(yàn)方法》。軍標(biāo)要求戰(zhàn)斗部彈頭向下，埋入深度可根據(jù)戰(zhàn)斗部作戰(zhàn)特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算［2-3］。

2.2 存在問(wèn)題

按照《GJB3197炮彈試驗(yàn)方法》，戰(zhàn)斗部埋入深度h公式為:

式中:m戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量(kg);K為取決于土壤的拋擲系數(shù)，如表2所示［2］;Qs為被試戰(zhàn)斗部爆熱(kJ/kg);Qt為T(mén)NT爆熱，約為4 187 kJ/kg;L為戰(zhàn)斗部質(zhì)心到埋入坑底的深度(m)。

表2 常見(jiàn)土壤的拋擲系數(shù)

按照式(1)進(jìn)行深度計(jì)算，沒(méi)有考慮戰(zhàn)斗部的殼體材料影響。爆炸可能出現(xiàn)松動(dòng)爆破情況。

3.3 爆破威力影響因素分析

試驗(yàn)表明，影響戰(zhàn)斗部爆破威力的因素主要有戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量、土壤性質(zhì)、埋入深度、殼體材料等因素。式(2)為戰(zhàn)斗部裝藥能量與埋深的工程公式［4］。

式中:ω為換算成TNT的戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量(kg);K為土質(zhì)拋擲系數(shù);h為埋深(m);n為拋擲系數(shù)，n=r/h。

式(2)適用于裝藥長(zhǎng)度與直徑比小于4時(shí)，當(dāng)大于4時(shí)，應(yīng)乘以系數(shù)φ:

2.3.1 戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量對(duì)爆坑大小的影響

根據(jù)式(2)，當(dāng)戰(zhàn)斗部埋深一定時(shí)，拋擲爆破開(kāi)坑大小與裝藥質(zhì)量的關(guān)系如圖2所示，隨著裝藥量的增大，開(kāi)坑大小隨之增大。

圖2 戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量與拋擲系數(shù)關(guān)系曲線

2.3.2 埋入深度對(duì)爆坑大小的影響

根據(jù)式(2)，當(dāng)戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量、爆坑開(kāi)口直徑一定時(shí)，戰(zhàn)斗部埋入深度對(duì)裝藥質(zhì)量的影響如圖3所示，即戰(zhàn)斗部埋入土中越深，形成拋擲爆破所需的戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量越大。

圖3 戰(zhàn)斗部埋深與拋擲系數(shù)關(guān)系曲線

2.3.3 戰(zhàn)斗部殼體對(duì)爆坑大小的影響

戰(zhàn)斗部爆炸后，主要靠沖擊波作用對(duì)土壤進(jìn)行壓縮，而殼體的破裂、飛散要消耗能量，所以必須要將帶殼體裝藥換算成裸裝藥。式(5)為薩道夫斯基公式，式(6)為帶殼體柱形戰(zhàn)斗部裝藥換算成裸裝TNT質(zhì)量公式［5］。

式中:ΔPm為沖擊波超壓(Pa);MT為T(mén)NT裸裝藥質(zhì)量(kg);r為測(cè)量點(diǎn)到爆心的距離(m);Mw為帶殼全彈質(zhì)量(kg);M為殼體質(zhì)量(kg)。

如某型殺爆戰(zhàn)斗部，裝藥為7.5 kg梯黑鋁炸藥，不考慮殼體影響，換算成TNT質(zhì)量為12.75 kg，考慮殼體影響，換算成TNT質(zhì)量為8.83 kg。如果按照式(1)或者式(2)進(jìn)行爆坑深度計(jì)算，則存在不同的深度值。

3.4 最佳爆破深度

根據(jù)以上分析，影響戰(zhàn)斗部爆破威力結(jié)果的影響因素主要有戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)量、戰(zhàn)斗部埋入深度、殼體材料等，但對(duì)于不同裝藥戰(zhàn)斗部，存在一個(gè)最佳爆炸深度，在此深度下，爆坑體積將最大。式(7)為戰(zhàn)斗部爆破時(shí)的最佳爆深工程公式［6］:

式中:h為戰(zhàn)斗部埋深(m);ω為戰(zhàn)斗部裝藥TNT質(zhì)量(kg)。

最佳爆深與裝藥質(zhì)量關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同裝藥質(zhì)量與最佳爆深關(guān)系圖

3 仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 基于ANSYS/LS-DYNA的仿真驗(yàn)證

關(guān)于炸藥在土壤中的爆炸作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和模擬研究。結(jié)合以上分析，選用某型戰(zhàn)斗部進(jìn)行戰(zhàn)斗部爆破威力仿真分析，主要仿真分析戰(zhàn)斗部殼體對(duì)爆破威力結(jié)果的影響。仿真模型中炸藥、土壤、空氣采用EULER六面體網(wǎng)絡(luò)，彈丸殼體采用單點(diǎn)積分的Lagrange六面體網(wǎng)絡(luò)。采用流-固耦合方式求解單元之間的相互作用，仿真模型示意圖如圖5所示。

圖5 不帶殼體與帶殼體仿真模型圖

炸藥采用High-Explosive-Burn材料模型和JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述;殼體采用Johnsio-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程;土壤采用 MAT-SON-ANDFOAM材料模型。分別分析帶殼體戰(zhàn)斗部、不帶殼體戰(zhàn)斗部對(duì)土壤的壓力情況，土壤受最大壓力曲線如圖6、圖7所示。

圖6 考慮殼體影響的土壤最大壓力曲線圖

圖7 不考慮殼體影響的土壤最大壓力曲線

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

從圖6、圖7仿真結(jié)果分析，不帶殼體的戰(zhàn)斗部對(duì)土壤的最大壓力顯然大于帶殼體裝藥戰(zhàn)斗部。如表3所示為某型火箭彈爆破威力試驗(yàn)條件，即不考慮殼體材料影響和考慮殼體材料影響，分別進(jìn)行TNT當(dāng)量計(jì)算和理論埋深計(jì)算，圖8為爆炸后實(shí)際效果圖。從仿真及試驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)戰(zhàn)斗部埋深較深時(shí)，會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)爆破現(xiàn)象，而不形成拋擲漏斗坑。所以爆破威力大小不僅取決于戰(zhàn)斗部的裝藥質(zhì)量、戰(zhàn)斗部埋入深度，還要考慮戰(zhàn)斗部殼體對(duì)其影響。

表3 某型火箭彈埋深表

圖8 某型火箭彈爆破效果圖

4 結(jié)論

爆破威力試驗(yàn)的爆坑容積不僅取決于土壤的性質(zhì)、戰(zhàn)斗部埋入深度、戰(zhàn)斗部放置狀態(tài)等參數(shù)，還取決于戰(zhàn)斗部殼體材料。不同裝藥質(zhì)量的戰(zhàn)斗部存在一個(gè)最佳拋擲深度，在此深度下，拋擲漏斗坑的體積將達(dá)到最大。在靶場(chǎng)進(jìn)行爆破威力對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該明確以下幾點(diǎn)要求:

1)靶場(chǎng)的爆破威力試驗(yàn)結(jié)果要求應(yīng)為加強(qiáng)型拋擲漏斗;

2)靶場(chǎng)進(jìn)行的戰(zhàn)斗部爆破威力試驗(yàn)，應(yīng)充分考慮戰(zhàn)斗部殼體對(duì)爆破威力結(jié)果的影響，將裝藥TNT當(dāng)量進(jìn)行適當(dāng)換算;

3)如出現(xiàn)松動(dòng)爆破等情況，可視為試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效;

4)在進(jìn)行爆破威力對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將試驗(yàn)條件設(shè)為一致，才能更加客觀有效的進(jìn)行爆破威力對(duì)比試驗(yàn)。

［1］北京工業(yè)學(xué)院一系.爆炸物理基礎(chǔ)［M］.北京:北京工業(yè)學(xué)院，1974.

［2］熊志平，等.GJB3197-98炮彈試驗(yàn)方法［S］.1998.

［3］王益森.GJB4225-2001榴彈定型試驗(yàn)規(guī)程［S］.2001.

［4］楊亞?wèn)|，李向東，葉小軍，等.可變形定向戰(zhàn)斗部變形控制參數(shù)的匹配［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2012，35(3):61－65.

［5］張志鴻，周申生.防空導(dǎo)彈引信與戰(zhàn)斗部配合效率和戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)宇航出版社，2006.

［6］穆朝民，任輝啟，辛凱，等.變埋深條件下土中爆炸成坑效應(yīng)［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，11(2):112－116.