旋轉對爆炸成型桿式侵徹體毀傷威力的影響*

李 鵬,李 剛,袁寶慧,周 濤,敬怡東

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

空地精確制導炸彈、巡航導彈、戰(zhàn)術導彈等已經成為現(xiàn)代防空導彈體系的首要防御對象，這類導彈目標的共同特點是殼體擁有大壁厚，普通破片或桿式戰(zhàn)斗部毀傷元通常難以穿透其殼體，更難以將來襲目標引燃/引爆，導致現(xiàn)有防空導彈戰(zhàn)斗部無法有效攔截精確制導炸彈等厚壁目標[1]。因此，對大厚壁彈藥進行高效毀傷的需求非常迫切。為進一步提升對大壁厚空地彈藥的有效毀傷能力，多爆炸成型侵徹體(multiple explosively-formed penetrators,MEFP)戰(zhàn)斗部技術被提出。MEFP戰(zhàn)斗部由聚能裝藥發(fā)展而來，方式是將前置藥型罩轉換成周向布置的藥型罩[2-3]。MEFP戰(zhàn)斗部采用傳統(tǒng)裝藥結構時，對周向EFP的成型難以控制。復合裝藥可以有效控制爆轟波的形狀及對破片的加載速度，但復合裝藥在MEFP戰(zhàn)斗部的應用較少[4-5]。為了提高侵徹體的成型質量，并滿足藥型罩集成數量和遠距離侵徹威力的要求，通過采用復合裝藥的方式，設計一種大長徑比的爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部。爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部形成的毀傷元長徑比大，類似“子彈”，成型過程中容易受到擾動，影響飛行穩(wěn)定，旋轉可以有效提高桿式侵徹體的飛行穩(wěn)定性[6-7]。侵徹體飛行姿態(tài)以及飛行穩(wěn)定性對侵徹體的毀傷效能具有很大影響，因此分析大長徑比侵徹體飛行穩(wěn)定性有重要意義。本文中，設計一種爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部，通過采用復合裝藥方式控制侵徹體成型，采用對藥型罩斜置的方式，促使爆炸成型桿式侵徹體旋轉進而控制桿式侵徹體飛行的穩(wěn)定性，最終提高爆炸成型桿式侵徹體的毀傷威力。

1 旋轉原理

本文中所設計的桿式侵徹體，在爆轟加載時容易受到擾動，影響侵徹體的毀傷效果，因此通過斜置藥型罩的方式，使侵徹體在飛行過程中自旋轉，提高其飛行穩(wěn)定性。試驗所設計戰(zhàn)斗部的藥型罩沿戰(zhàn)斗部周向排布，在裝藥中心起爆模式下，爆轟波對圓周方向上的每一枚藥型罩的加載狀況為：波陣面的指向與藥型罩表面法向指向重合；由于藥型罩刻槽有一定角度，致使藥型罩上各微元速度方向不一致，并且有兩個速度分量，一個是沿藥型罩中心法線方向的分量，另一個是沿垂直于藥型罩中心法線方向的分量；最終藥型罩在形成桿式侵徹體的同時發(fā)生自旋轉，旋轉軸為藥型罩質心的速度方向，如圖1所示。圖1中，vi和vj是爆轟加載結束時藥型罩端點處微元速度v的2個分量，vi方向垂直于藥型罩整體初速度v0方向,vj方向與v0方向平行，α為藥型罩的斜置角度，β為藥型罩質心在戰(zhàn)斗部端面投影和藥型罩端面中心分別與戰(zhàn)斗部端面中心連線之間的夾角。根據圖1中的幾何關系，爆炸成型桿式侵徹體初始旋轉角速度的計算公式[8]為：

vi=vsinαcosβ

(1)

(2)

式中：vi為爆炸成型桿式侵徹體的自旋轉速度,ω為爆炸成型桿式侵徹體的自旋轉角速度,L為藥型罩跨度。

2 樣機設計

2.1 樣機基本結構

根據試驗所設計的爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部原理樣機，除藥型罩斜置角度不同外，其他結構均相同。原理樣機主要由半預制毀傷元殼體及裝藥構成，起爆方式為中心起爆。?127 mm的軸向單束集成戰(zhàn)斗部樣機的基本結構如圖2所示,藥型罩為半預制結構，通過在等壁厚的殼體上刻槽制得，單枚藥型罩外觀為狹長的條帶狀，長度與寬度的比值接近8∶1，藥型罩斜置一定角度。藥型罩的具體結構參數：戰(zhàn)斗部口徑,127 mm;藥型罩跨度,120 mm;內弧半徑,180 mm;外弧半徑,188 mm;藥型罩質量,單枚74 g;刻制數量,30枚;斜置角度,0°、1.5°、3.0°、4.5°。

本文所述的127 mm口徑戰(zhàn)斗部，兩端裝藥為金屬驅動能力低的TNT炸藥，中心裝藥為金屬驅動能力高的JHLD-1炸藥。分層復合裝藥的設計目的是，使藥型罩弧頂與兩端形成較大的速度差，以形成具有較大長徑比的桿式侵徹體；藥型罩斜置一定角度的設計目的是，使藥型罩在受到爆轟加載后各微元速度方向不一致，在形成桿式侵徹體的同時自旋轉，控制飛行穩(wěn)定性。

2.2 侵徹體成型數值模擬

本文中，采用爆炸動力學分析軟件AYTODYN-3D進行數值模擬，模型的一個藥型罩端面中心設置一個拉格朗日速度追蹤點，以確定爆轟加載結束時藥型罩在此處微元的速度，戰(zhàn)斗部的模型及桿式侵徹體成型過程如圖3所示。

由圖3可以看出，爆轟加載結束后藥型罩存在速度梯度，藥型罩在0.5 ms時向后翻轉，在2.0 ms時成型為整體密實的桿式侵徹體。由于侵徹體尾部閉合時存在剩余速度，使侵徹體尾部厚度小于其頭部厚度。藥型罩斜置不同角度的戰(zhàn)斗部隨成型的桿式侵徹體的成型結果如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著藥型罩斜置角度的增大，成型侵徹體出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，并且尾部出現(xiàn)明顯錯位。這說明侵徹體的成型質量與藥型罩斜置角度直接相關。藥型罩不斜置時，侵徹體長度為61 mm，最大截面尺寸為7 mm×17 mm，長徑比達到3.5∶1；藥型罩斜置1.5°時，侵徹體長度為60 mm，最大截面在尾部，尺寸為7 mm×18.5 mm，長徑比達到3.2∶1；藥型罩斜置3.0°時，侵徹體長度為59 mm，最大截面在尾部，尺寸為7 mm×19.5 mm，長徑比達到3∶1；藥型罩斜置4.5°時，侵徹體已不能保證成型質量。根據圖4所示結果，為保證侵徹體成型質量，對藥型罩斜置角度進行設計：戰(zhàn)斗部1#、2#、3#對應的斜刻度數分別為0°、1.5°、3.0°。侵徹體成型后速度可根據藥型罩速度隨時間的變化曲線獲得，飛散方向速度-時間變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，藥型罩斜置角度在0°～3.0°變化時，藥型罩速度隨時間變化的趨勢基本相同：0～0.02 ms區(qū)間內，藥型罩速度快速升高；0.02～0.05 ms區(qū)間內，藥型罩速度平緩升高；0.05 ms后，藥型罩速度稍有降低；0.06 ms后，藥型罩速度保持不變。藥型罩速度下降是由藥型罩向后翻轉變形所致。藥型罩的最終速度隨傾斜角度增大而略有降低。

圖5所示藥型罩的速度在0.03～0.05 ms基本保持一致且達到最大值，這說明爆轟加載時間為0.03 ms。爆轟加載結束時桿式侵徹體的外形如圖6所示，藥型罩形狀為近似直桿狀，此時拉格朗日速度追蹤點的切線速度即為藥型罩繞其幾何中心旋轉時端面的切線速度，此時的藥型罩角速度即為成型桿式侵徹體的自旋轉角速度，切線速度隨時間的變化曲線如圖7所示。

由圖7可以看出，追蹤點切線速度在0.02 ms時間內快速升高，之后變化平緩，在0.03 ms后基本不變。在0.03 ms時刻，藥型罩斜置1.5°時追蹤點切線速度為21.4 m/s, 藥型罩斜置3.0°時追蹤點切線速度為42.9 m/s。根據切線速度公式v=ωL/2計算角速度，計算結果即為侵徹體自旋轉模擬角速度。另外根據數值模擬結果，在藥型罩斜置0°時，拉格朗日速度追蹤點在爆轟加載結束時的速度為1 635 m/s，即v0=1 635 m/s。根據式(1)和式(2)，可以計算追蹤點切線速度和角速度的理論值。理論計算結果和模擬結果基本一致，如表1所示。

表1 自旋轉的模擬結果和理論計算結果Table 1 Simulation result and theoretical calculation result of rotation

2.3 侵徹體侵徹靶板數值模擬

模擬桿式侵徹體的侵徹過程，模型中桿式侵徹體選用藥型罩斜置1.5°時的成型侵徹體，靶板長度為100 mm,寬度為100 mm,厚度為40 mm。桿式侵徹體的侵徹過程如圖8所示。由圖8可以看出：在0.49 ms時桿式侵徹體與靶板接觸，0.54 ms時侵徹結束，侵徹體貫穿靶板；貫穿靶板時，侵徹體輕微偏轉，同時受稀疏波影響，侵徹體的材料由頭部向尾部翻轉，未與靶板接觸的材料繼續(xù)對靶板進行侵徹，靶板穿孔邊緣處的材料翻轉，形成唇邊。

3 實驗研究

根據藥型罩斜置角度的不同，對各編號戰(zhàn)斗部制備原理樣機2發(fā)，通過分析實驗結果，確定斜置角度對桿式侵徹體毀傷威力的影響。

3.1 實驗布局

戰(zhàn)斗部原理樣機及實驗布局如圖9所示。3種藥型罩斜置角度不同的戰(zhàn)斗部靶場布局均相同，在距爆心3 m處布設厚度為40 mm的45鋼威力靶共2張，靶板全弧長為2 m，用以考察各戰(zhàn)斗部形成的桿式侵徹體的著靶姿態(tài)以及毀傷威力，4路通斷靶布置在威力靶上，用以記錄桿式侵徹體的著靶速度。

3.2 實驗結果

戰(zhàn)斗部1#、2#、3#對威力靶的侵徹，相應的穿孔數/命中數分別為0/6、4/8和0/6。可以看出，藥型罩斜置角度為1.5°時，爆炸成型侵徹體對距爆心3 m處厚度為40 mm的45鋼板的毀傷效果明顯提升，可以穿透鋼板且穿透率為50%。

藥型罩斜置不同角度的成型桿式侵徹體對威力靶侵徹實驗結果如圖10所示，模擬結果如圖11所示。由圖10～11可以看出，桿式侵徹體對靶板的侵徹，實驗結果與模擬結果基本吻合，侵徹孔均接近圓形，侵徹體侵徹過程中，由于稀疏波影響，靶板上孔邊緣材料向外翻轉，形成唇邊。由圖10(a)和圖11(a)可以看出，孔在靶板表面呈現(xiàn)類圓形，底部呈錐形，孔徑為30 mm，錐深為33 mm；由圖10(b)和圖11(b)可以看出，孔為貫穿孔，侵徹體侵徹過程中出現(xiàn)輕微偏轉，造成孔輕度傾斜，入射方向孔徑為28 mm大于出射方向孔徑26 mm；由圖10(c)和圖11(c)可以看出，孔在靶板表面的形狀不規(guī)則，呈類橢圓狀，橢圓長徑為35 mm，短徑為30 mm，錐深為27 mm。

圖10和圖11的實驗和模擬結果顯示，藥型罩傾斜1.5°，成型桿式侵徹體的侵徹效果最好。這說明，在保證侵徹體成型質量的同時，使桿式侵徹體自旋轉，可以有效提高桿式侵徹體對目標的侵徹深度。在距爆心3 m處布設的通斷靶所記錄的侵徹體的平均速度和數值模擬的桿式侵徹體的初始速度，對應戰(zhàn)斗部1#、2#、3#的侵徹體實驗速度分別為1 353、1 336、1 309 m/s，模擬速度分別為1 205、1 191、1 143 m/s。可以看出，侵徹體實驗速度比模擬速度高12.2%～14.5%。藥型罩斜置0°～3.0°時，對桿式侵徹體沿飛行方向的速度的影響很小，因此進行對比時，速度對桿式侵徹體的毀傷影響可以忽略。

因此，本文中所設計的戰(zhàn)斗部，通過藥型罩斜置一定角度，控制爆炸成型桿式侵徹體的轉速進而提升桿式侵徹體的飛行穩(wěn)定性，最終提高了桿式侵徹體的毀傷威力。

4 結 論

本文中，設計了一種爆炸成型桿式侵徹體戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部藥型罩可形成具有高威力的大長徑比桿式侵徹體，滿足毀傷元密度高和威力大的需求；探討了藥型罩斜置角度對爆炸成型桿式侵徹體毀傷威力的影響。

從數值模擬結果可知，在藥型罩斜置角度為0°～3.0°時，得到的侵徹體整體密實、呈桿狀，且長徑比可達到3.5∶1。這說明，分層復合裝藥與斜置藥型罩的結構匹配設計思路是可行的，藥型罩斜置角度較小時對桿式侵徹體的成型沒有影響。

對本文中設計的3種斜刻槽角度不同的戰(zhàn)斗部進行樣機設計，開展數值模擬及靜爆實驗研究。結果表明，本文設計的戰(zhàn)斗部，藥型罩斜置角度小于1.5°時對桿式侵徹體成型效果影響較小，當藥型罩斜刻角度為1.5°時，桿式侵徹體毀傷能力明顯提高。這說明，在保證桿式侵徹體成型質量的同時，對藥型罩斜置適當角度，可以有效提升桿式侵徹體空中飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性并明顯提高桿式侵徹體的毀傷威力。

參考文獻：

[1] CARDOSO D, TEIXEIRA-DIAS F. Modelling the formation of explosively formed projectiles (EFP)[J]. International Journal of Impact Engineering, 2016,93:116-127.

[2] 相升海,徐文龍,張建,等.刻槽式MEFP的成型及侵徹鋼靶模式[J].爆炸與沖擊,2015,35(1):135-139.

XIANG Shenghai, XU Wenlong, ZHANG Jian, et al. Groove type MEFP formation and penetrating steel target’s pattern[J]. Explosion and Shock Waves, 2015,35(1):135-139.

[3] 趙長嘯,龍源,余道強,等,切割式多爆炸成形彈丸成形及對鋼靶的穿甲效應[J].爆炸與沖擊,2013,33(2):186-193.

ZHAO Changxiao, LONG Yuan, YU Daoqiang, et al. Formation of incised multiple explosively-formed projectiles and their armor-piercing effect against steel target[J]. Explosion and Shock Waves, 2013,33(2):186-193.

[4] 吳成,趙士津,李申,等.定向戰(zhàn)斗部復合裝藥爆轟的超壓區(qū)域及破片增益特性的機理分析[J].北京理工大學學報,2015,35(8):777-782.

WU Cheng, ZHAO Shijin, LI Shen, et al. Study on the features of fragments gains and super-pressure field in a directed warhead with double charge lamination[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2015,35(8):777-782．

[5] 周濤,程淑杰,王輝,等.DNTF基含鋁炸藥復合裝藥的驅動特性[J].火炸藥學報,2015,38(5):46-50．

ZHOU Tao, CHENG Shujie, WANG Hui, et al. Research on driving characteristic for compound charge of DNTF-based aluminized explosive[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2015,38(5):46-50．

[6] 王儒策,趙國志.彈丸終點效應[M].北京:北京理工大學出版社,1993.

[7] 張維,郝秀平.基于旋轉穩(wěn)定和尾翼穩(wěn)定的彈丸飛行穩(wěn)定性研究[J].裝備制造技術,2014(1):155-157．

ZHANG Wei, HAO Xiuping. Analysis of projectile flight stability based on empennage and rotation stability[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2014(1):155-157.

[8] 孫傳杰,路中華,盧永剛,等.可控旋轉離散桿空間運動分析[J].爆炸與沖擊,2008,28(4):378-383．

SUN Chuanjie, LU Zhonghua, LU Yonggang, et al. Motion analysis of a controllable rotation discrete rod[J]. Explosion and Shock Waves, 2008,28(4):378-383.