艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)中相鄰兩導彈間殉爆問題的數值模擬

劉曉夏，王偉力，呂鵬博，苗 潤

(海軍航空工程學院， 山東 煙臺 264001)

【裝備理論與裝備技術】

艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)中相鄰兩導彈間殉爆問題的數值模擬

劉曉夏，王偉力，呂鵬博，苗 潤

(海軍航空工程學院， 山東 煙臺 264001)

以某型護衛(wèi)艦垂直發(fā)射系統(tǒng)為研究對象，探究一枚艦載導彈被引爆后與之相鄰導彈戰(zhàn)斗部的安全性。利用LS-DYNA軟件建立了相鄰艦載導彈的爆炸和侵徹有限元模型，對戰(zhàn)斗部爆炸后，爆炸沖擊波和爆炸破片對相鄰導彈戰(zhàn)斗部的毀傷過程采用Lee-Tarver點火增長模型進行數值模擬。結果表明，垂直發(fā)射系統(tǒng)內的一枚導彈爆炸后，其產生的爆炸沖擊波足以殉爆其相鄰導彈戰(zhàn)斗部。由于垂直發(fā)射系統(tǒng)的結構和功能特性決定了不能通過改變導彈間的距離防止殉爆，可通過增加發(fā)射箱體的厚度提高艦載導彈的安全性，箱體厚度達14 mm以上時，安全性有較大提高。

爆炸力學；殉爆；爆炸沖擊波；破片；數值模擬

隨著艦載導彈垂直發(fā)射系統(tǒng)技術的愈漸成熟，艦載導彈的發(fā)射方式從斜架式向垂直發(fā)射轉變已成必然，垂直發(fā)射系統(tǒng)業(yè)已成為現代艦船導彈武器系統(tǒng)的重要組成部分[1]。艦載導彈垂直發(fā)射系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，如：(1)系統(tǒng)反應時間短；(2)系統(tǒng)實現全方位發(fā)射，無發(fā)射盲區(qū)；(3)導彈儲存密封性好；(4)火力強，發(fā)射效率高；(5)使水面艦艇的隱身能力提高等。垂直發(fā)射系統(tǒng)一般采用集中配置的模塊式結構，這種結構造成艦載導彈的密集程度較大，使得兩相鄰導彈存在殉爆的可能。

戰(zhàn)爭中，艦艇因遭受敵方攻擊導致彈藥殉爆是艦艇沉沒的主要因素之一[2]。如二戰(zhàn)期間的“中途島海戰(zhàn)”，日本損失的四艘航母中的三艘都是由于甲板上堆積的彈藥在美軍飛機轟炸下被引爆而導致航母沉沒的。通過上述描述可知，在作戰(zhàn)時期，艦載彈藥所處環(huán)境更加惡劣，可能受到的威脅也更多，艦載導彈被引爆的概率也較大。而當發(fā)射艙中的一枚導彈被引爆后，是否可能會引起殉爆連鎖反應會嚴重到影響艦船的生命力，因此相鄰導彈的安全性必須引起重視。

本文以某型驅護艦垂直發(fā)射系統(tǒng)為研究對象，探究一枚艦載導彈被引爆后，產生的爆炸沖擊波和破片對與之相鄰導彈的安全性。戰(zhàn)斗部的安全性分析是導彈安全性分析的重要組成部分，因此著重對其進行分析。

1 數值模擬模型及軟件

以國內某型垂直發(fā)射系統(tǒng)為研究對象，導彈貯運發(fā)射箱為長方體，導彈采用箱貯的方式直接存放在發(fā)射架上。

為簡化計算模型，截取包含戰(zhàn)斗部在內的發(fā)射箱進行研究?？紤]到導彈戰(zhàn)斗部并不直接裸露在空氣中，它是導彈的一部分，前后端分別為電子艙和發(fā)動機艙，會影響沖擊波的傳播過程，因此在建模過程中，不能簡單忽略。為使數值模擬結果盡可能真實，同時考慮不使運算量過大， 將戰(zhàn)斗部前后端的電子艙和發(fā)動機艙分別考慮為剛體。戰(zhàn)斗部為本體懸掛式結構，長度為高486 mm，外徑340 mm，主裝藥采用了低感度的B炸藥(TNT/RDX 40/60)。具體結構如圖1所示。

圖1 垂發(fā)系統(tǒng)標準單元示意圖

數值模擬采用ANSYS/LS-DYNA軟件，因為LS-DYNA的顯示算法特別適合于各種非線性結構沖擊動力學問題，如爆炸、結構碰撞等，可用于處理流固耦合問題，可設置多種接觸分析方式。本文即采用ALE算法進行模擬，在接觸方式上采用CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE面面侵蝕接觸。

2 爆炸沖擊波作用下相鄰導彈的安全性

2.1 有限元結構模型

由于發(fā)射箱和炸藥的對稱性，并考慮減少運算成本，建立發(fā)射箱、戰(zhàn)斗部、空氣的1/2模型。計算時在對稱面上施加對稱約束，將空氣邊界設置為無反射邊界。

發(fā)射箱建模時，充分考慮其實際結構，以及加強筋之間、板與板之間的連接情況，采用實體單元建立了發(fā)射箱箱體、環(huán)向加強筋、縱向加強筋。焊縫的處理采用ANSYS中的固定連接失效接觸(TSTS)方式，設置固定連接失效應力?？紤]所研究戰(zhàn)斗部類型為聚焦-大分散戰(zhàn)斗部，炸藥采用凸凹結合的復合曲線裝藥結構。網格劃分全部采用共節(jié)點映射網格，均為八節(jié)點六面體單元，計算精度較高。其中發(fā)射箱、目標戰(zhàn)斗部為拉格朗日網格，空氣與炸藥為歐拉網格，采用流固耦合算法。在炸藥內部設置從A到E共5個觀測點，其中A、B、C和E為炸藥表面，D為炸藥中心，同時C、D和E間距80 mm，沿炸藥徑向方向分布，具體模型見圖2。

圖2 相鄰導彈及戰(zhàn)斗部結構模型

2.2 材料本構模型和參數

貯運發(fā)射箱本體以及發(fā)射箱環(huán)筋均為玻璃纖維增強復合材料，材料模型采用帶損傷的Composite Damage Model復合材料模型[3-4]。為了增強貯運發(fā)射箱的整體強度，在箱體的外緣設有4條加強筋結構，材料為鋁合金。目標戰(zhàn)斗部裝藥模擬采用彈塑性動力學本構模型和Lee-Tarver三項式點火增長狀態(tài)方程[5-6]。

破片控制器薄壁和艙體均為鋁合金材料，選用Johnson-Cook材料模型。材料參數見表1?？諝獠捎肗ull流體動力模型，參數見表2。炸藥采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，力學性能參數和材料參數見表3和表4[7]。通過炸藥內部各點壓力及α值變化判定炸藥是否被引爆[8]。

表1 鋁合金材料參數

表2 空氣參數

表3 裝藥的力學性能參數

表4 裝藥材料特性參數

2.3 結果分析

爆炸破壞過程較為復雜，這里主要從爆炸毀傷過程和引爆發(fā)射箱內戰(zhàn)斗部的機理進行分析。分別選取了戰(zhàn)斗部體開始發(fā)生形變、發(fā)射箱箱體撕裂、相鄰戰(zhàn)斗部內炸藥形成局部高壓、相鄰戰(zhàn)斗部內炸藥形成爆轟等具有代表性的時刻進行分析，其毀傷效果如圖3所示，可以分析發(fā)射箱的破壞模式，以及此種破壞模式下對箱內戰(zhàn)斗部的影響。

在戰(zhàn)斗部爆炸后，沖擊波以球面波的形式向外傳播，在爆炸48 μs時，戰(zhàn)斗部艙體靠近爆點的部分產生應力集中。隨著爆炸載荷的持續(xù)作用，戰(zhàn)斗部艙體繼續(xù)向外膨脹，當應力大于戰(zhàn)斗部艙體的斷裂強度時，戰(zhàn)斗部艙體被沖擊波撕裂。

當爆炸后時間達到240 μs時，沖擊波還未到達相鄰導彈戰(zhàn)斗部，但爆炸戰(zhàn)斗部所在的發(fā)射箱發(fā)生較大的變形和破壞，并對相鄰導彈發(fā)射箱產生擠壓。隨著沖擊波的繼續(xù)傳播，當爆炸后時間達到336 μs時，受到沖擊波作用的箱體面板直接撞擊到相鄰導彈戰(zhàn)斗部上，在撞擊部位形成高壓。觀測點的壓力變化曲線如圖4，在觀察點E形成高壓區(qū)，壓力為11.56 GPa，超過了B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa[9-10]，此后，以此高壓區(qū)為中心高壓區(qū)迅速在裝藥中傳播，高壓區(qū)裝藥的壓力也在傳播中迅速上升。顯然，此時相鄰導彈戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生了爆轟，初始高壓區(qū)為起爆點。

圖3 戰(zhàn)斗部爆炸在不同時刻的毀傷過程

圖4 相鄰戰(zhàn)斗部內部各觀察點壓力變化曲線

3 爆炸破片作用下相鄰導彈的安全性分析

3.1 有限元模型

所研究戰(zhàn)斗部類型為聚焦戰(zhàn)斗部，預制破片為φ6 mm鎢球，主裝藥采用了低感度的B炸藥(TNT/RDX 40/60)，破片最大速度為2 580 m/s?？紤]破片的尺寸較小，破片易出現單元嚴重丟失的現象，因此分別建立破片侵徹靶板和破片侵徹戰(zhàn)斗部的有限元模型，確定預制破片引爆戰(zhàn)斗部的臨界速度。將破片侵徹靶板后的剩余速度與之對比，分析破片作用下相鄰導彈戰(zhàn)斗部的安全性。由于兩相鄰導彈發(fā)射箱的距離較近，因此不考慮破片速度在空氣中的衰減。

爆炸沖擊波對結構的毀傷是面載荷作用，穿甲作用是點載荷作用，或稱為局部載荷作用，這兩種載荷作用下結構的動響應具有本質差異[11-12]?？紤]到破片的毀傷主要為點載荷作用，同時破片的尺寸較小，為減小運算時間和運算所需內存，在建模時選取與破片直接作用的局部進行分析，并采用1/4有限元建模。炸藥的尺寸為40 mm×40 mm，炸藥長80 mm，在炸藥內部沿徑向每隔20 mm設置一個觀測點，設置從A到D共4個觀測點，具體模型如圖5所示。

圖5 破片侵徹相鄰導彈戰(zhàn)斗部的模型

3.2 結果分析

圖6分別是破片速度為1 700 m/s和1 740 m/s時撞擊相鄰導彈戰(zhàn)斗部的仿真結果。從圖7可以看到，當到達相鄰導彈戰(zhàn)斗部處的破片速度為1 700 m/s時，破片和相鄰導彈戰(zhàn)斗部接觸處形成高壓，炸藥的反應度達0.2，但隨著破片繼續(xù)侵徹，炸藥內部壓力逐漸降低，未能引起爆轟。而破片速度為1 740 m/s時，各觀察點處炸藥的反應度逐漸增大，最后到達1.0，說明此時炸藥完全發(fā)生爆轟。破片殉爆相鄰導彈戰(zhàn)斗部的速度閾值為1 740 m/s。破片經過戰(zhàn)斗部艙體和發(fā)射箱箱體后，產生沖塞破壞效應，吸收破片的沖擊能量，破片速度不斷衰減，由2 580 m/s衰減到1 200 m/s，此數值小于殉爆相鄰導彈戰(zhàn)斗部的速度閾值，可認為單破片作用下，相鄰導彈戰(zhàn)斗部不易殉爆。但此時破片的剩余速度仍較大，多破片作用下仍可能對相鄰導彈戰(zhàn)斗部造成威脅。

圖6 不同速度破片撞擊戰(zhàn)斗部的仿真結果

圖7 炸藥內各觀察點處的反應度曲線

4 防護措施

通過上述數值模擬分析得到，導彈戰(zhàn)斗部爆炸產生的沖擊波足以殉爆相鄰導彈戰(zhàn)斗部。為提高艦載導彈的安全性，同時考慮方案實施可行，采用增加發(fā)射箱箱體厚度的方式，對不同箱體厚度下艦載導彈殉爆安全性進行數值模擬，找到合適的箱體厚度。

圖8為沖擊波到達相鄰戰(zhàn)斗部時，不同厚度下發(fā)射箱及箱內戰(zhàn)斗部的壓力云圖。從圖中可以看出，隨著發(fā)射箱厚度的增加，箱體的結構強度增加，對沖擊波的抵抗能力增強。導彈戰(zhàn)斗部內最大初始壓力曲線如圖9所示，從圖中可以看出，隨著發(fā)射箱箱體厚度的增加，作用在導彈戰(zhàn)斗部上的入射壓力逐漸降低。不同厚度下戰(zhàn)斗部內炸藥的最大初始壓力值分別為9.76 GPa、5.27 GPa、2.10 GPa、1.65 GPa，當發(fā)射箱箱體厚度為14 mm時，導彈戰(zhàn)斗部內炸藥對應的最大初始壓力為2.01 GPa，小于B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，因此可以滿足安全性需求。

圖8 不同厚度下發(fā)射箱及箱內戰(zhàn)斗部的壓力云圖

圖9 不同厚度下相鄰戰(zhàn)斗部內炸藥的最大初始壓力曲線

5 結論

1)利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了相鄰艦載導彈的爆炸和侵徹模型，分別模擬了一枚導彈戰(zhàn)斗部爆炸后，爆炸沖擊波和爆炸破片對相鄰導彈戰(zhàn)斗部的毀傷過程。通過數值模擬分析得到，一枚導彈戰(zhàn)斗部爆炸后，其產生的爆炸沖擊波足以引爆其相鄰導彈戰(zhàn)斗部，爆炸破片殉爆相鄰導彈戰(zhàn)斗部的臨界速度為1740m/s。從爆炸開始到引爆相鄰導彈戰(zhàn)斗部，時間大約為360μs，如果考慮沖擊波和破片的耦合作用，時間可能會更少，彈庫安全系統(tǒng)可能無法及時作出反應。

2) 由于垂直發(fā)射系統(tǒng)的結構和功能特性決定了不能通過改變導彈間的距離防止殉爆，可通過增加發(fā)射箱厚度提高艦載導彈的安全性，經數值模擬分析，箱體厚度為14 mm時，可以滿足安全性需求。本文的研究成果可為垂直發(fā)射系統(tǒng)內艦載導彈的防護提供參考。

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(責任編輯周江川)

SympatheticDetonationAboutAdjacentMissilesinVerticalLaunchSystem

LIU Xiaoxia， WANG Weili， LYU Pengbo， MIAO Run

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Some frigate vertical launch system was chosen as the object of study, and the security safety of adjacent missile was analyzed when a missile was detonated. The finite element model of explosion and penetration was made about missile with LS-DYNA. The blast and fragment initiating warhead was simulated by using ignition and growth model. The result shows that the adjacent missile will be detonated when a missile was detonated, regardless of explosion or penetration initiating warhead. The distance of missiles cannot be changed for avoiding sympathetic detonation because of the structure and functional properties about the vertical launch system. Increasing the thickness of the launch container can be used for improving security of the missile. When the thickness of the launch container is bigger than 14mm, the security of the missile will be improved.

mechanics of explosion；sympathetic detonation；explosion blast；fragment；numerical simulation

2017-03-11；

：2017-04-20

：中物院安全彈藥開放基金重點項目(RMC2014A01)

劉曉夏(1993—)，男，碩士研究生、主要從事毀傷效能分析。

王偉力(1962—)，男，教授，博士生導師，主要從事戰(zhàn)斗部設計與毀傷評估研究。

10.11809/scbgxb2017.09.008

format:LIU Xiaoxia，WANG Weili，LYU Pengbo，et al.Sympathetic Detonation About Adjacent Missiles in Vertical Launch System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):36-40.

TJ410.3

：A

2096-2304(2017)09-0036-05

本文引用格式：劉曉夏，王偉力，呂鵬博，等.艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)中相鄰兩導彈間殉爆問題的數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2017(9):36-40.