電磁發(fā)射戰(zhàn)斗部抗大過(guò)載設(shè)計(jì)與分析

摘 要： 電磁發(fā)射載荷下戰(zhàn)斗部的安全性理論是電磁發(fā)射武器系統(tǒng)研究的重要課題。為了研究電磁發(fā)射戰(zhàn)斗部抗高過(guò)載的難題，采用力學(xué)分析和數(shù)值模擬方法對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥在電磁發(fā)射大過(guò)載條件下的響應(yīng)進(jìn)行了研究。得到了高過(guò)載條件下戰(zhàn)斗部端蓋、緩沖層及炸藥等因素對(duì)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)破壞和炸藥反應(yīng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：適當(dāng)增加底端厚度及添加緩沖層對(duì)戰(zhàn)斗部抗大過(guò)載有一定的作用，而采用新型高能鈍感炸藥則顯著提高了戰(zhàn)斗部抗電磁發(fā)射大過(guò)載的能力。研究結(jié)果為電磁發(fā)射武器平臺(tái)下導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部抗大過(guò)載設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞： 電磁發(fā)射；戰(zhàn)斗部；抗大過(guò)載；安全性

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0 引言

電磁發(fā)射是一種理想的發(fā)射方式，具有射出速度高、發(fā)射成本低、準(zhǔn)備周期短、發(fā)射隱蔽等優(yōu)點(diǎn)，在武器裝備、導(dǎo)彈防御系統(tǒng)等領(lǐng)域內(nèi)有其廣闊的應(yīng)用前景，電磁發(fā)射是發(fā)射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。

傳統(tǒng)的火箭助推導(dǎo)彈在發(fā)射過(guò)程中并不存在大過(guò)載的問(wèn)題，軸向過(guò)載一般不超過(guò)100g，因此，導(dǎo)彈的承力結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與裝藥安全性并不需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。隨著電磁發(fā)射技術(shù)的不斷發(fā)展，大動(dòng)能電磁發(fā)射技術(shù)逐漸工程化，導(dǎo)彈無(wú)法適應(yīng)電磁動(dòng)能發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的大過(guò)載（達(dá)到上萬(wàn)個(gè)g的過(guò)載），導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與裝藥如何承受發(fā)射大過(guò)載將成為導(dǎo)彈電磁發(fā)射面臨的難題[3-4]。

在電磁發(fā)射條件下，導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部要承受持續(xù)10～20ms高達(dá)10000g以上的發(fā)射過(guò)載，該條件下戰(zhàn)斗部的殼體和裝藥的狀態(tài)參量當(dāng)前并無(wú)研究結(jié)果。本研究通過(guò)對(duì)戰(zhàn)斗部擬施加一定持續(xù)時(shí)間的大過(guò)載，并理論計(jì)算戰(zhàn)斗部危險(xiǎn)點(diǎn)的受力情況，通過(guò)數(shù)值模擬分析大過(guò)載發(fā)射時(shí)戰(zhàn)斗部殼體和裝藥的響應(yīng)規(guī)律，為電磁發(fā)射導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的抗大過(guò)載設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 理論計(jì)算與分析

為了提高戰(zhàn)斗部的抗大過(guò)載能力，采用襯套式預(yù)控破片戰(zhàn)斗部作為電磁發(fā)射武器系統(tǒng)的導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，以提高殼體的承載能力和質(zhì)量利用率。該類型戰(zhàn)斗部的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由圖可知電磁發(fā)射導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的基本組成包括以下幾個(gè)部分：戰(zhàn)斗部殼體，用于產(chǎn)生破片和承受發(fā)射高過(guò)載的結(jié)構(gòu)；炸藥裝藥，驅(qū)動(dòng)殼體破碎并產(chǎn)生一定初速破片的能源；前后端蓋，與殼體一同構(gòu)成炸藥的容器，并作為發(fā)射承載的結(jié)構(gòu)；聚能襯套用于改變炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)作用形式，形成微射流將殼體切割成大小尺寸相對(duì)均勻破片；引爆裝置，用于適時(shí)引爆戰(zhàn)斗部。

電磁發(fā)射過(guò)程中戰(zhàn)斗部底端承受的過(guò)載變化曲線，如圖2所示。

假設(shè)戰(zhàn)斗部的尺寸約束為，總質(zhì)量小于1.5Kg。為了計(jì)算的方便暫不考慮使用緩沖材料的情況，殼體厚度3mm，炸藥直徑64mm，前端蓋厚度記作δ1=2mm，炸藥長(zhǎng)度記作Le為86mm，炸藥密度ρe=1.8g/cm3，后端蓋厚度不小于12mm時(shí)，剪切強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求。戰(zhàn)斗部裝填系數(shù)約為0.38，戰(zhàn)斗部總質(zhì)量為1.322Kg。

當(dāng)滿足炸藥屈服強(qiáng)度以及安定性、后端蓋剪切強(qiáng)度以及炸藥對(duì)殼體徑向作用力要求時(shí)，戰(zhàn)斗部各部分初步設(shè)計(jì)與校核結(jié)果，見(jiàn)表1。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

針對(duì)上述設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗部初步方案以及理論計(jì)算的結(jié)果，采用非線性動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)高過(guò)載條件下戰(zhàn)斗部安全性進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，炸藥采用Lee-Tarver點(diǎn)火-增長(zhǎng)模型，戰(zhàn)斗部最終的響應(yīng)判定可參照文獻(xiàn)[8]，通過(guò)仿真結(jié)果觀察戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)變化情況以及炸藥在大過(guò)載條件下意外引爆的過(guò)程。

圖3（a）為理論計(jì)算得到的戰(zhàn)斗部初步設(shè)計(jì)方案，底端蓋厚12mm，裝填PBX炸藥；圖3（b）為炸藥底端加6mm尼龍緩沖層；圖3（c）為炸藥周向全添加尼龍緩沖層，并且裝填炸藥為新型鈍感炸藥ANPyO[9-10]。對(duì)于鋼材料選用Shock狀態(tài)方程和Johnson-Cook強(qiáng)度模型，PBX炸藥選用Lee-Tarver狀態(tài)方程，材料參數(shù)均取自標(biāo)準(zhǔn)材料庫(kù)[11-12]。圖4～圖6為典型的仿真計(jì)算結(jié)果。

如圖4所示，2.6ms時(shí)刻整個(gè)戰(zhàn)斗部的外形并未發(fā)生嚴(yán)重變形，應(yīng)力集中區(qū)位于底端蓋與炸藥的交界面附近以及炸藥底端中心；3.6ms時(shí)刻炸藥底端的邊緣開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，炸藥開(kāi)始發(fā)生局部反應(yīng)，產(chǎn)生的壓力使得殼體產(chǎn)生徑向膨脹，此時(shí)戰(zhàn)斗部已經(jīng)無(wú)法滿足安全性要求。仿真結(jié)果表明，當(dāng)炸藥不發(fā)生反應(yīng)時(shí)，端蓋與殼體的設(shè)計(jì)能夠滿足強(qiáng)度要求，但炸藥未采取任何防護(hù)措施，使得炸藥邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中形成了局部熱點(diǎn)，最終導(dǎo)致了戰(zhàn)斗部無(wú)法滿足抗大過(guò)載的要求。

如圖5所示，當(dāng)炸藥底端加上一定厚度的緩沖層時(shí)，炸藥產(chǎn)生局部熱點(diǎn)的位置首先出現(xiàn)在炸藥軸心，并由兩端向中心發(fā)展。與圖4相比，3.8ms時(shí)刻戰(zhàn)斗部整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的變形，炸藥兩端開(kāi)始形成熱點(diǎn)，從短期來(lái)看緩沖層起到了一定的防護(hù)效果，但效果很有限。隨著高過(guò)載的持續(xù)作用，炸藥兩端的熱點(diǎn)逐步向中心擴(kuò)展，并最終引起炸藥的爆轟，因此，僅通過(guò)在炸藥底端添加緩沖層的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部抗大過(guò)載仍不能滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖6所示，當(dāng)采用鈍感炸藥并用緩沖層包覆時(shí)，4ms時(shí)刻，炸藥未發(fā)生任何反應(yīng)，戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)完好，直到8ms時(shí)刻，炸藥才開(kāi)始出現(xiàn)很弱的反應(yīng)，由此可見(jiàn)，將新型鈍感炸藥應(yīng)用到抗大過(guò)載戰(zhàn)斗部上是很有必要的，鈍感炸藥的使用可以從根本上解決發(fā)射過(guò)程中戰(zhàn)斗部的安全性問(wèn)題。

3 結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬仿真，結(jié)合大過(guò)載條件下戰(zhàn)斗部的變化，對(duì)電磁發(fā)射抗大過(guò)載戰(zhàn)斗部技術(shù)提出幾點(diǎn)建議：

（1） 在電磁發(fā)射導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部殼體設(shè)計(jì)中，由過(guò)載加速度引起的炸藥軸向力容易對(duì)底端蓋產(chǎn)生剪切作用，底端蓋厚度較小時(shí)，盡量采用一體式結(jié)構(gòu)。當(dāng)滿足剪切強(qiáng)度要求時(shí)，可考慮使用螺紋連接，通過(guò)螺紋剪切效應(yīng)消耗一部分過(guò)載能量。

（2） 炸藥軸向過(guò)載產(chǎn)生的橫向變形對(duì)殼體的作用是設(shè)計(jì)殼體厚度和強(qiáng)度的重要依據(jù)，同時(shí)，炸藥橫向變形使得炸藥底部邊緣容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致炸藥發(fā)生局部點(diǎn)火，適當(dāng)?shù)牟捎镁彌_材料可以有效地抑制局部熱點(diǎn)的形成。endprint

（3） 抗大過(guò)載戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于防止炸藥發(fā)生意外反應(yīng)，要從根本上提高安全性可以考慮采用新型的鈍感高能炸藥，從而增大設(shè)計(jì)余量，保證戰(zhàn)斗部電磁發(fā)射安全。

（4） 電磁發(fā)射導(dǎo)彈的質(zhì)量和體積空間有限，采用預(yù)制破片式結(jié)構(gòu)不利于承受大過(guò)載，因此，可以采用在整體式殼體和裝藥之間添加聚能襯套的方式來(lái)獲得較規(guī)則的破片，從而提高戰(zhàn)斗部威力和抗大過(guò)載能力?！?/p>

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