集束定向EFP成型與侵徹性能研究

紀(jì)劉奇,羅 健,李建偉,任 良

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

集束定向EFP成型與侵徹性能研究

紀(jì)劉奇,羅 健,李建偉,任 良

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

針對(duì)高速、厚壁巡航導(dǎo)彈及反艦導(dǎo)彈無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的破片及MEFP戰(zhàn)斗部有效擊穿/擊爆的工程難題,文中提出一種新型集束定向EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu),選用侵徹能力較強(qiáng)的鉭-2.5鎢合金藥型罩,通過(guò)點(diǎn)起爆方式在一定空間內(nèi)形成飛散的集束EFP,采用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-3D進(jìn)行數(shù)值模擬,得到不同位置藥型罩所形成EFP毀傷元的形狀、速度以及飛散規(guī)律,并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)中集束定向EFP飛散角與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了該戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)的可行性,集束定向EFP戰(zhàn)斗部具有良好的應(yīng)用前景,可為我國(guó)防空反導(dǎo)彈藥和反輕型裝甲彈藥高效毀傷戰(zhàn)斗部提供指導(dǎo)。

集束定向EFP;鉭-2.5鎢合金;數(shù)值仿真;試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

空中作戰(zhàn)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主要模式,空中打擊也成為被最廣泛使用的軍事手段,隨著巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈等武器戰(zhàn)場(chǎng)突防能力和破壞力的不斷增強(qiáng),制空權(quán)在整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位越來(lái)越高,防空作戰(zhàn)成為各國(guó)空中安全的重要任務(wù)。

集束EFP戰(zhàn)斗部通過(guò)對(duì)藥型罩結(jié)構(gòu)和起爆方式的設(shè)計(jì),能夠在一定空間內(nèi)形成多個(gè)飛散的高速大質(zhì)量侵徹體,從而有效提高對(duì)目標(biāo)的命中概率和毀傷能力,同時(shí),利用侵徹體對(duì)炸距不敏感的特點(diǎn),提高了對(duì)較遠(yuǎn)距離目標(biāo)的毀傷威力,克服了一般預(yù)制破片難以擊穿/擊爆遠(yuǎn)距離目標(biāo)的缺點(diǎn)?，F(xiàn)階段集束EFP戰(zhàn)斗部的研究主要應(yīng)用在智能雷等方面,如美國(guó)的Anti-Helicopter Mine武器系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱AHM)采用聲/紅外雙重傳感器,在其起爆后,裝藥驅(qū)動(dòng)形成具有大質(zhì)量、高速度集束EFP,可以對(duì)直升機(jī)實(shí)施有效的打擊[1]。國(guó)內(nèi)集束EFP的研究主要集中在端面MEFP上,如南京理工大學(xué)王曉明等在反直升機(jī)智能雷和集束火箭平臺(tái)中對(duì)集束EFP戰(zhàn)斗部開(kāi)展了大量工作,如采用多點(diǎn)同時(shí)起爆、藥型罩預(yù)制開(kāi)槽等方法,提高了集束EFP的成型和飛散性能[2-3]。中北大學(xué)尹建平等基于反直升機(jī)智能雷武器平臺(tái),對(duì)端面、側(cè)面集束EFP進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究[4-6]。

文中提出一種新型集束定向EFP戰(zhàn)斗部,通過(guò)數(shù)值模擬,得到該戰(zhàn)斗部各EFP毀傷元成型、速度分布及變化規(guī)律,為了驗(yàn)證新型集束EFP戰(zhàn)斗部的性能,開(kāi)展了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,能夠在一定空間內(nèi)按照預(yù)定設(shè)計(jì)形成飛散的高速大質(zhì)量侵徹體,即集束定向EFP,能有效提高對(duì)目標(biāo)的命中概率和毀傷能力,為我國(guó)防空反導(dǎo)彈藥和反輕型裝甲彈藥配備高效毀傷戰(zhàn)斗部提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型的建立

圖1為新型集束定向EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)圖,通過(guò)合理的起爆方式,裝藥起爆后驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)斗部靠近目標(biāo)側(cè)的藥型罩壓垮變形,形成具有一定速度和飛散角的集束EFP毀傷元。裝藥口徑為100 mm,殼體厚度為5 mm,藥型罩為球缺型結(jié)構(gòu),厚度為3 mm,藥型罩規(guī)則分布如圖1所示。

圖1 集束定向EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

圖2為集束定向EFP戰(zhàn)斗部計(jì)算模型,起爆點(diǎn)位置為藥型罩對(duì)立側(cè)中心位置,采用單點(diǎn)起爆方式。由于集束定向EFP戰(zhàn)斗部模型較大,且具有對(duì)稱性,因此建立1/4模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算,采用自編程序建立網(wǎng)格模型,然后導(dǎo)入非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件AUTODYN-3D賦予材料進(jìn)行計(jì)算。

圖2 集束定向EFP戰(zhàn)斗部計(jì)算模型

1.2 材料參數(shù)的選取

計(jì)算模型中裝藥為JO-8炸藥,狀態(tài)方程為JWL,材料參數(shù)列于表1中。藥型罩材料為鉭-2.5鎢合金,材料參數(shù)列于表2中。殼體選用2A12硬鋁,兩種材料均采用Johnson-Cook材料本構(gòu)方程和Gruneisen狀態(tài)方程。

表1 JO-8材料參數(shù)參數(shù)參數(shù)值ρ/(g·cm-3)1.83D/(m·s-1)8480Pcj/GPa34.2表2 鉭2.5鎢合金材料參數(shù)參數(shù)參數(shù)值ρ/(g·cm-3)16.67G/MPa48.6E/GPa122

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為數(shù)值模擬結(jié)果,由計(jì)算結(jié)果可知,藥型罩受到炸藥爆轟壓力和爆轟產(chǎn)物的沖擊和推動(dòng)作用,產(chǎn)生壓垮變形和翻轉(zhuǎn),由于頭尾存在速度差,集束EFP在飛行過(guò)程中仍有所拉長(zhǎng),呈流星狀,主體部分成型完整,基本為準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu),滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 集束定向EFP成型結(jié)果

圖4為集束定向EFP成型速度隨時(shí)間的變化曲線,為便于分析,參考圖2,將藥型罩從左到右,從上到下依次編號(hào)為1～6。由各EFP成型速度歷程曲線可知,1～4號(hào)藥型罩在裝藥起爆后50 μs時(shí)刻速度基本穩(wěn)定,5～6號(hào)藥型罩在裝藥起爆后速度先增加后減小,在100 μs時(shí)刻之后雖有波動(dòng),但基本穩(wěn)定。此外,各EFP距離起爆點(diǎn)越近,速度越高;而距離起爆點(diǎn)越遠(yuǎn),EFP成型速度越低。250 μs時(shí)刻5號(hào)藥型罩形成的EFP速度最大為2 250 m/s,每一排EFP的速度大小和速度變化趨勢(shì)基本一致。

圖4 集束EFP速度隨時(shí)間的變化曲線

圖5和圖6分別為集束定向EFP沿戰(zhàn)斗部軸向和切向飛散角隨時(shí)間的變化曲線,由于計(jì)算模型為1/4模型,軸向飛散角僅對(duì)1、2、4號(hào)藥型罩形成的EFP進(jìn)行分析,切向飛散角僅對(duì)1、2、4、5、6號(hào)藥型罩形成的EFP進(jìn)行分析,分析可知:

1)集束EFP軸向飛散角在裝藥起爆后持續(xù)增大,在200 μs時(shí)刻以后基本穩(wěn)定;2)距離起爆點(diǎn)越遠(yuǎn),飛散角越大,4號(hào)藥型罩形成的EFP軸向飛散角最大為12.84°;3)集束EFP切向飛散角速度在裝藥起爆后200 μs時(shí)刻基本穩(wěn)定;4)距離起爆點(diǎn)越近,切向飛散角越小,2、4、6號(hào)藥型罩形成的EFP切向飛散角基本一致,1、5號(hào)藥型罩形成的EFP切向飛散角基本一致,2號(hào)藥型罩形成的EFP切向飛散角最大為11.76°。

圖5 集束EFP軸向飛散角隨時(shí)間的變化曲線

圖6 集束EFP切向飛散角隨時(shí)間的變化曲線

2 靜爆試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

圖7為試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖,為了獲取集束EFP飛散角及成型形態(tài),基于現(xiàn)有條件進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)地布置,采用4塊鋼靶板豎直并行排列,并用靶架固定作為目標(biāo)靶板,戰(zhàn)斗部正對(duì)靶板放置于支撐裝置上,其殺傷元中心對(duì)準(zhǔn)靶板中心,在靶板前1 m處布置紗網(wǎng)靶用于捕捉形成的集束EFP的形態(tài)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于紗網(wǎng)靶距離戰(zhàn)斗部較近,戰(zhàn)斗部起爆后,沖擊波先于集束定向EFP到達(dá)紗網(wǎng),紗網(wǎng)在沖擊波的作用下大面積碎裂,未能捕捉集束EFP成型形態(tài)。但從后置的鋼靶板的開(kāi)孔狀態(tài)可得出集束EFP的飛散及侵徹性能,目標(biāo)鋼靶板及其支架上共形成21個(gè)穿透的彈孔,直徑約為Φ30 mm,1-5彈孔與1-6彈孔水平距離約為20 mm,1-4彈孔與1-6彈孔垂直距離約為18 mm,目標(biāo)靶板中彈孔多于集束定向EFP數(shù)量,認(rèn)為EFP有部分發(fā)生斷裂,通過(guò)分析可知,應(yīng)有2發(fā)EFP發(fā)生斷裂。通過(guò)計(jì)算集束EFP軸向飛散角為12.95°,切向飛散角為11.26°,與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

圖7 試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖

圖8 集束定向EFP侵徹鋼靶板狀態(tài)

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,可以得出如下結(jié)論:

1)文中所設(shè)計(jì)的集束定向EFP戰(zhàn)斗部能夠在一定空間內(nèi)按照預(yù)定形成飛散的集束EFP,并且成型完整,250 μs時(shí)刻所形成集束EFP的速度達(dá)到2 250 m/s,鉭-2.5鎢合金材料EFP具有較強(qiáng)的侵徹能力,尤其是針對(duì)反艦導(dǎo)彈,與傳統(tǒng)防空破片戰(zhàn)斗部相比,集束定向EFP戰(zhàn)斗部具有較大優(yōu)勢(shì)。

2)通過(guò)數(shù)值模擬可知,集束EFP按照一定的飛散角飛行,并且速度及飛散角呈現(xiàn)一定規(guī)律:

①集束EFP在速度和成型狀態(tài)基本穩(wěn)定后,各EFP越靠近起爆點(diǎn),速度越高,而離起爆點(diǎn)越遠(yuǎn),速度越低,并且每一排的速度大小和速度變化基本一致;

②集束EFP軸向和切向飛散角在裝藥起爆后持續(xù)增大,在200 μs時(shí)刻以后基本穩(wěn)定,距離起爆點(diǎn)越遠(yuǎn),飛散角越大。

3)試驗(yàn)中2發(fā)EFP發(fā)生斷裂,分析原因?yàn)镋FP速度梯度較大,拉伸過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致斷裂,而試驗(yàn)中飛散角結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。根據(jù)不同的打擊目標(biāo)及實(shí)際工程需求, 可合理選擇起爆方式, 控制集束EFP成型后的飛散方向及角度,從而提高對(duì)巡航導(dǎo)彈及反艦導(dǎo)彈目標(biāo)的命中概率和毀傷能力。

文中提出的新型集束定向EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用前景,可為我國(guó)防空反導(dǎo)彈藥和反輕型裝甲彈藥配備高效毀傷戰(zhàn)斗部提供指導(dǎo)。

[1] BERNER C, FLECK V. Pleat and asymmetry effects on the aerodynamics of explosively formed penetrators [C]∥18th International Symposium on Ballistics. San Antonio, TX Institute for Advanced Technology, The University of Texas at Austin Southwest Research Institute, 1999: 11-19.

[2] 王曉鳴, 李文彬, 趙國(guó)志. 智能雷多自鍛破片戰(zhàn)斗部試驗(yàn)研究 [J]. 彈道學(xué)報(bào), 2002, 14(3): 81-84.

[3] 周翔, 龍?jiān)? 余道強(qiáng), 等. 多彈頭爆炸成形彈丸數(shù)值仿真及發(fā)散角影響因素 [J]. 兵工學(xué)報(bào), 2006, 27(1): 23-26.

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[6] 尹建平. 多爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部技術(shù) [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2012.

Study on Forming and Penetration Performance of Cluster Directional EFP

JI Liuqi,LUO Jian,LI Jianwei,REN Liang

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

Aiming at the engineering problem that high speed, thick wall cruise missiles and anti-ship missiles could not pass the traditional fragments and destroying cruise and the effective breakdown and blow of MEFP warhead, a new cluster directional EFP warhead structure was proposed in this paper. With tantalum-2.5 tungsten alloy liner which had outstanding penetration ability, through point initiation method, the flying EFP cluster was formed in a certain space, nonlinear dynamic analysis software AUTODYN-3D was used to simulate, and the shape, velocity and scattering law of EFP damage element at different positions were obtained and it was verified by experiment. The scattering angle of cluster directional EFP was consistent with the numerical simulation results in experiment, which validated the feasibility of the warhead design. Cluster directional EFP warhead had good application prospect, which could provide guidance for air defense anti missile ammunition and anti light armor ammunition high efficiency damage warhead.

cluster directional EFP；tantalum-2.5 tungsten alloy；numerical simulation；experimental validation

2016-12-15

紀(jì)劉奇(1983-),男,河南商丘人,工程師,碩士,研究方向:戰(zhàn)斗部技術(shù)。

TJ410.3

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