一種桿式多爆炸成型侵徹體戰(zhàn)斗部*

李 鵬，李 剛，袁寶慧，周 濤，孫興昀

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

國內(nèi)外研究人員對(duì)爆炸成型侵徹體(explosively formed penetrator, EFP)戰(zhàn)斗部進(jìn)行了大量研究，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)很成熟[1-2]。為了提高成型侵徹體數(shù)量，多爆炸成型侵徹體(multiple explosively formed penetrator, MEFP)戰(zhàn)斗部被提出。MEFP戰(zhàn)斗部由EFP戰(zhàn)斗部技術(shù)發(fā)展而來，通過把置于裝藥前向的藥型罩移植到裝藥周向[3]，形成一種毀傷元集成數(shù)量高、侵徹能力較強(qiáng)的新型高威力戰(zhàn)斗部。MEFP戰(zhàn)斗部對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭產(chǎn)生了重要影響，尤其在防空反導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

通過優(yōu)化球缺形藥型罩和線形藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)控制EFP的形狀和成型質(zhì)量[4-5]，MEFP戰(zhàn)斗部的綜合毀傷能力已有大幅度提升。但是，針對(duì)大壁厚目標(biāo)，其毀傷威力仍有不足，這是由于周向EFP的成型質(zhì)量難以控制。內(nèi)襯或外襯對(duì)EFP的成型結(jié)果有重要影響，這在EFP形成尾翼的研究中已有應(yīng)用[6-7]，但在MEFP戰(zhàn)斗部中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。

在保證桿式侵徹體成型數(shù)量的前提下，為了進(jìn)一步提高成型侵徹體的侵徹能力，本文中在周向多線形EFP戰(zhàn)斗部的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型桿式MEFP戰(zhàn)斗部，利用在藥型罩布置對(duì)稱外襯的方法控制侵徹體成型質(zhì)量，并通過對(duì)新型桿式MEFP戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬和戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)的靜爆實(shí)驗(yàn)，對(duì)其毀傷威力進(jìn)行評(píng)估。

1 戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了無外襯和有外襯兩種桿式EFP戰(zhàn)斗部，如圖1所示。除外襯外，兩種戰(zhàn)斗部的基本結(jié)構(gòu)相同，主要由半預(yù)制毀傷元?dú)んw及裝藥構(gòu)成，起爆方式為中心起爆，戰(zhàn)斗部口徑為128 mm。

無外襯EFP戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，藥型罩是以戰(zhàn)斗部中心軸為旋轉(zhuǎn)軸的等壁厚旋成體，單枚藥型罩對(duì)應(yīng)角度為12°，跨度為120 mm，厚度為4.5 mm，內(nèi)弧半徑與外弧半徑均為220 mm，質(zhì)量為44 g，數(shù)量為30枚，對(duì)應(yīng)角度為12°，材料為純鐵，端蓋均為4.5 mm厚45鋼，裝藥采用B炸藥；圖1(b)與圖1(a)所示戰(zhàn)斗部的區(qū)別在于，圖1(b)所示戰(zhàn)斗部單枚藥型罩外側(cè)有兩個(gè)外襯，兩個(gè)外襯相對(duì)于藥型罩幾何中心對(duì)稱，外襯為以戰(zhàn)斗部中心軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋成體，對(duì)應(yīng)角度為12°，材料為紫銅。外襯貼于距藥型罩端部10 mm處，厚壁側(cè)靠近藥型罩幾何中心，薄壁側(cè)靠近藥型罩端部。單枚藥型罩具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模擬

采用爆炸動(dòng)力學(xué)分析軟件AUTODYN-3D進(jìn)行數(shù)值模擬，由于戰(zhàn)斗部為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只需建立1/4模型。戰(zhàn)斗部的毀傷元、端蓋部件采用ALE結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，裝藥及空氣區(qū)域采用Euler算法。線形EFP裝藥的網(wǎng)格尺寸一般為0.5～2.0 mm[8]，本文中網(wǎng)格尺度為1 mm，網(wǎng)格總數(shù)量為393 023，設(shè)置流固耦合計(jì)算，在其中1枚藥型罩上設(shè)置拉格朗日速度追蹤點(diǎn)，記錄炸藥停止作用時(shí)藥型罩上各點(diǎn)速度分布。計(jì)算過程中，B炸藥采用JWL狀態(tài)方程，參數(shù)為AUTODYN軟件自帶參數(shù)；純鐵和紫銅材料的狀態(tài)方程采用描述沖擊波速度和物質(zhì)點(diǎn)速度的Shock模型，參數(shù)見表1，其中ρ為密度，C為材料的絕熱聲速，S為材料系數(shù)，γ為Grüneisen常數(shù)；材料本構(gòu)模型取為Johnson-Cook模型，參數(shù)見表2，其中G為有效應(yīng)力；A、B、c、m和n為材料常數(shù)，Tr為絕對(duì)溫度，Tm為材料的熔化溫度。

表1 材料狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Material parameters of equation of state

表2 材料本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 Material parameters of constitutive model

2.1 無外襯戰(zhàn)斗部

戰(zhàn)斗部模型及桿式侵徹體整體飛散效果如圖2所示。圖2(a)中，在戰(zhàn)斗部模型1枚藥型罩設(shè)置了拉格朗日速度追蹤點(diǎn)，藥型罩為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因而只需在一側(cè)設(shè)置10個(gè)拉格朗日速度追蹤點(diǎn)，相鄰拉格朗日追蹤點(diǎn)間距為5 mm。由圖2(b)可知，EFP均勻分布在垂直于戰(zhàn)斗部中心軸的中心平面上，以戰(zhàn)斗部中心為中心呈輻射狀，所有侵徹體均分布在以輻射中心為圓心的圓周上，說明侵徹體速度方向沿著垂直于戰(zhàn)斗部中心軸的方向，且速度大小相同。模擬時(shí)確定炸藥作用時(shí)間的方法如下：以標(biāo)記拉格朗日速度追蹤點(diǎn)的單枚藥型罩為研究對(duì)象，將其速度不再發(fā)生變化的時(shí)間定義為炸藥作用結(jié)束時(shí)間。

單枚藥型罩速度的變化曲線如圖3(a)所示；炸藥作用結(jié)束時(shí)，根據(jù)拉格朗日速度追蹤點(diǎn)，確定藥型罩速度梯度如圖3(b)所示。由圖3(a)可知，在0.035 ms時(shí)，單枚藥型罩速度基本不再變化，因此炸藥作用結(jié)束時(shí)間為0.035 ms。由圖3(b)可以看出，炸藥作用結(jié)束后，藥型罩存在速度梯度，距離藥型罩幾何中心35 mm距離內(nèi)，速度變化較小，速度梯度不明顯，35 mm后藥型罩速度梯度較大，原因是起爆后受端蓋的影響產(chǎn)生稀疏波，致使端部速度較小。

桿式EFP的成型過程如圖4所示。由圖4可知，藥型罩在炸藥作用結(jié)束后向后翻轉(zhuǎn)，在3 ms時(shí)尾部閉合，最終在4 ms時(shí)成型為桿式侵徹體。侵徹體頭部形成空腔，原因是炸藥作用結(jié)束后，藥型罩頭部速度梯度較小，翻轉(zhuǎn)不完全；尾部向外側(cè)翹起，原因是炸藥作用結(jié)束時(shí)，受稀疏波影響，尾部速度梯度過大，導(dǎo)致尾部在3 ms閉合后分離。侵徹體長度約為56 mm，寬為12 mm，最小厚度為9 mm，最大厚度為22.52 mm。

2.2 有外襯戰(zhàn)斗部

根據(jù)圖3和圖4仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)外襯結(jié)構(gòu)，優(yōu)化藥型罩速度梯度，使藥型罩頭部受爆轟加載后閉合。外襯選用銅材料，以充分利用外襯的阻抗作用[9]。沖擊波從低阻抗材料A傳入高阻抗材料B中，材料A和材料B的壓力-粒子速度曲線如圖5所示。圖5中，p1所對(duì)應(yīng)曲線A上點(diǎn)與原點(diǎn)連線斜率即為沖擊阻抗，其表達(dá)式為：

(1)

式中：λ為材料A阻抗，ρ0為材料A密度，Us為沖擊波速度。

材料A和材料B接觸后，在界面上，為了達(dá)到平衡，壓力p1減小，如圖5(a)所示。將曲線A經(jīng)p1對(duì)應(yīng)點(diǎn)畫一條反射曲線(AR)，與曲線B交與p2點(diǎn)，p2即為材料B所受壓力。此時(shí)，由圖5(b)可知，沖擊波陣面達(dá)到界面，壓力波向A傳播，在沖擊波和壓力波作用下，材料A所受壓力由p1變?yōu)閜1-p2。

根據(jù)上述理論，設(shè)計(jì)外襯結(jié)構(gòu)進(jìn)而優(yōu)化藥型罩速度梯度，外襯結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如下：跨度為35 mm，最大厚度和最小厚度分別為1.0和0.5 mm，內(nèi)弧半徑和外弧半徑分別為220和315.7 mm。

戰(zhàn)斗部模型及桿式侵徹體整體飛散效果如圖6所示。由圖2(b)和圖6(b)可以看出, 有外襯戰(zhàn)斗部和無外襯戰(zhàn)斗部侵徹體飛散效果基本相同，說明外襯不影響侵徹體的飛散效果。外襯不改變裝藥結(jié)構(gòu)，因而有外襯戰(zhàn)斗部炸藥作用結(jié)束時(shí)間同樣為0.035 ms，如圖7(a)所示。炸藥作用結(jié)束時(shí)，根據(jù)拉格朗日速度追蹤點(diǎn)，確定藥型罩速度梯度如圖7(b)所示。由圖7(b)可知，炸藥作用結(jié)束后，藥型罩存在速度梯度，距藥型罩幾何中心30 mm距離內(nèi)速度梯度明顯，距藥型罩幾何中心30～40 mm距離內(nèi)速度變化趨于平緩，端部速度梯度略小于靠近藥型罩幾何中心位置的速度梯度。

桿式爆炸成型侵徹體成型過程如圖8所示。由圖8可以看出，藥型罩在炸藥作用結(jié)束后，在外襯的作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，與圖4進(jìn)行對(duì)比，有外襯戰(zhàn)斗部藥型罩發(fā)生向后翻轉(zhuǎn)時(shí)首先由頭部開始閉合，逐漸向端部閉合，最終在4 ms時(shí)形成密實(shí)的桿式侵徹體，此時(shí)，侵徹體與外襯開始分離。侵徹體整體密實(shí)，尾部約8 mm長度的材料輕微向外側(cè)翹起，原因與無外襯戰(zhàn)斗部形成侵徹體類似，尾部速度梯度過大。侵徹體厚度約9 mm，有外襯的地方略薄，約為8 mm，原因是有外襯阻擋，材料向周圍流動(dòng)，頭部和尾部略厚，約9.5 mm，寬度約12 mm，長度約64 mm，長徑比約為5∶1。

2.3 桿式侵徹體侵徹過程

模擬桿式侵徹體的侵徹過程，侵徹體為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只建立1/2模型，模型中桿式侵徹體選用有外襯戰(zhàn)斗部形成的侵徹體，靶板長100 mm、寬50 mm、厚40 mm，靶板網(wǎng)格尺寸為1 mm，除侵徹方向的兩個(gè)面外，其他面設(shè)置邊界條件v=0，材料的侵蝕因子為1.1。

桿式侵徹體的侵徹過程如圖9所示。由圖9可知，在0.39 ms時(shí)桿式侵徹體與靶板接觸，0.44 ms時(shí)侵徹結(jié)束，侵徹體貫穿靶板。侵徹過程中，侵徹體微度傾斜，造成穿孔輕微傾斜，同時(shí)受稀疏波影響，侵徹體材料由頭部向尾部翻轉(zhuǎn)，未與靶板接觸的材料繼續(xù)對(duì)靶板進(jìn)行侵徹。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)布局

戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)共兩發(fā)，無外襯和有外襯戰(zhàn)斗部各1發(fā)，兩發(fā)戰(zhàn)斗部實(shí)驗(yàn)布局相同，距爆心3 m處布設(shè)兩面40 mm厚度Q235鋼威力靶，靶板弧長2 m。

戰(zhàn)斗部原理樣機(jī)及外襯如圖10所示，靜爆實(shí)驗(yàn)布局如圖11所示。由圖11可知，在距爆心3 m處的威力靶上布設(shè)了通斷測(cè)速靶，用以記錄侵徹體的碰靶速度。具體測(cè)速原理為：測(cè)速儀器通過導(dǎo)線連接戰(zhàn)斗部和通斷測(cè)速靶，當(dāng)戰(zhàn)斗部起爆后，連接戰(zhàn)斗部的導(dǎo)線斷開，測(cè)速儀計(jì)時(shí)，侵徹體擊中測(cè)速靶后計(jì)時(shí)結(jié)束，據(jù)此計(jì)算可得侵徹體在此時(shí)間段內(nèi)的平均速度。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

兩發(fā)戰(zhàn)斗部桿式侵徹體分布如圖12所示，其中位于上方的孔為桿式侵徹體的侵徹孔，位于下方的孔為外襯的侵徹孔，黃色涂漆為無外襯戰(zhàn)斗部桿式侵徹體侵徹孔，白色為有外襯戰(zhàn)斗部桿式侵徹體侵徹孔。由圖12可知，無外襯戰(zhàn)斗部和有外襯戰(zhàn)斗部形成的桿式侵徹體基本處于同一水平平面上，且分布均勻，與模擬結(jié)果一致。

桿式侵徹體對(duì)靶板侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果如圖13和圖14所示。將圖13和圖14對(duì)比可知，桿式侵徹體對(duì)靶板侵徹的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)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，靶板孔邊緣材料向外翻轉(zhuǎn)，形成唇邊。由圖13(a)和圖14(a)可以看出，無外襯戰(zhàn)斗部桿式侵徹體對(duì)對(duì)鋼靶板的侵徹孔未穿透靶板，但孔在靶板表面的形狀較圓整，經(jīng)過測(cè)量，孔徑為40 mm，錐深為27 mm；由圖13(b)和圖14(b)可以看出，有外戰(zhàn)斗部襯桿式侵徹體對(duì)鋼靶板的侵徹孔為貫穿孔，入射方向孔徑為33 mm，出射方向孔徑為31 mm。無外襯戰(zhàn)斗部桿式侵徹體和有外襯戰(zhàn)斗部桿式侵徹體對(duì)鋼靶板的穿孔，孔壁均殘留有鐵材料，說明侵徹體在侵徹過程中材料損失較為嚴(yán)重。

由圖3和圖7可以看出，無外襯桿式侵徹體模擬速度約為1 649 m/s，有外襯桿式侵徹體模擬速度約為1 610 m/s。實(shí)驗(yàn)測(cè)得無外襯桿式侵徹體速度為1 715 m/s，有外襯桿式侵徹體速度為1 674 m/s，均與模擬速度相吻合。侵徹體速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果大于模擬結(jié)果的原因是，炸藥的實(shí)際密度等參數(shù)與數(shù)值模擬時(shí)參數(shù)的選定存在差異；另外，數(shù)值模擬時(shí)為了簡化模型，藥型罩采用全預(yù)制結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，藥型罩結(jié)構(gòu)為半預(yù)制，增加了約束條件，導(dǎo)致實(shí)測(cè)速度略大于模擬速度。

4 結(jié) 論

(1) 無外襯戰(zhàn)斗部，成型得桿式侵徹體頭部有明顯腔體，尾部閉合后向外側(cè)翻轉(zhuǎn)；有外襯戰(zhàn)斗部成型侵徹體整體密實(shí)，長徑比更大，約為5∶1。

(2) 無外襯和有外襯兩種桿式爆炸成型侵徹體戰(zhàn)斗部的成型侵徹體實(shí)際分布和實(shí)測(cè)速度均與模擬結(jié)果相吻合，侵徹體對(duì)靶板的侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合。無外襯桿式侵徹體對(duì)3 m處40 mm厚45鋼板的穿孔孔徑為40 mm，錐深為27 mm；有外襯桿式侵徹體的穿孔孔徑為33 mm，可以貫穿3 m處40 mm厚45鋼板，相比于無外襯桿式侵徹體，其侵徹威力明顯增加。

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過布置外襯可以控制桿式侵徹體的成型質(zhì)量，從而提高其侵徹威力。

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