殺爆戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)破片威力場(chǎng)分布規(guī)律研究

郭光全， 郭子云， 雷文星， 張　鈞， 付建平， 陳智剛

(1. 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司防務(wù)裝備研究院， 山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051)

0　引　言

殺爆戰(zhàn)斗部依靠爆轟場(chǎng)作用， 形成具有高速度和一定質(zhì)量的空間破片場(chǎng)， 對(duì)周?chē)繕?biāo)進(jìn)行毀傷. 殺傷面積作為戰(zhàn)斗部殺傷威力的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)， 往往受戰(zhàn)斗部落角、 爆高、 落速等參數(shù)的影響[1]. 而模擬仿真的運(yùn)用使武器的研制節(jié)省了大量的人力和物力， 推進(jìn)了戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)水平[2-4]. 殺爆彈威力場(chǎng)的研究一直備受關(guān)注， 例如第二炮兵工程學(xué)院的李衛(wèi)平等、 北京理工大學(xué)的汪德武等、 中北大學(xué)的張國(guó)偉等、 西北機(jī)電研究所的李瑞等都對(duì)殺爆彈進(jìn)行了大量研究并取得顯著成果[5-16]. 本文在前人工作的基礎(chǔ)上， 采用成熟的理論模型， 結(jié)合仿真軟件， 自編數(shù)據(jù)處理程序， 對(duì)柱形殺爆戰(zhàn)斗部落角、 爆高、 落速對(duì)動(dòng)態(tài)破片威力場(chǎng)分布規(guī)律的影響進(jìn)行研究.

1　戰(zhàn)斗部仿真模型

戰(zhàn)斗部主要由裝藥、 殼體、 端蓋和預(yù)制破片等組成， 如圖 1 所示. 其端蓋材料為35CrMnSi鋼， 殼體材料為2A12鋁合金， 破片由小鎢球、 大鎢球和預(yù)刻槽鋼環(huán)組成， 破片總數(shù)為15 000余枚. 戰(zhàn)斗部采用端面點(diǎn)起爆.

利用TrueGrid軟件構(gòu)建有限元模型， 通過(guò)其與LS-DYNA軟件的接口， 將用TrueGrid軟件生成的模型文件導(dǎo)入LS-DYNA軟件中進(jìn)行求解計(jì)算. 由于結(jié)構(gòu)的幾何形狀關(guān)于xoz平面對(duì)稱， 所以在施加對(duì)稱約束的情況下可建立1/2有限元模型， 計(jì)算網(wǎng)格均采用六面體實(shí)體單元.

預(yù)制破片彈的動(dòng)態(tài)威力場(chǎng)主要取決于其末端彈道條件即爆高、 落速、 落角. 圖 2 為動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)戰(zhàn)斗部著地示意圖， 其中vc為彈丸的落速，θc為彈丸的落角，H為炸高， 戰(zhàn)斗部是關(guān)于xOz平面對(duì)稱的. 圖 3 為t=180 μs,vc=450 m/s，θc=75°,H=20 m時(shí)戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)爆炸仿真結(jié)果.

圖 1　戰(zhàn)斗部有限元模型Fig.1　Warhead finite element model

圖 2　動(dòng)態(tài)仿真示意圖Fig.2　Dynamic simulation diagram

圖 3　戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)爆炸仿真結(jié)果(t=180 μs, vc=450 m/s, θc=75°, H=20 m)Fig.3　Warhead dynamic explosion simulation results(t=180 μs, vc=450 m/s, θc=75°, H=20 m)

2　戰(zhàn)斗部動(dòng)態(tài)破片威力場(chǎng)分布規(guī)律

在對(duì)破片飛散特性及空間分布規(guī)律進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上， 以落角、 炸高和落速作為對(duì)戰(zhàn)斗部殺傷面積的影響因素， 通過(guò)自編解算程序計(jì)算， 并提取破片破片飛散角、 殺傷面積、 殺傷概率等信息. 考慮到殼體破碎的隨機(jī)性， 該程序數(shù)據(jù)處理時(shí)， 根據(jù)兩個(gè)破片有無(wú)共節(jié)點(diǎn)， 識(shí)別出組成每個(gè)破片的所有單元和節(jié)點(diǎn)， 從而得到每個(gè)破片的質(zhì)心位置、 速度、 破片質(zhì)量等信息.

2.1　落角對(duì)破片分布規(guī)律的影響

在戰(zhàn)斗部落速vc=450 m/s和爆高H=20 m條件下， 改變落角(落角θc分別為15°, 40°, 50°, 60°, 75°, 80°)， 計(jì)算6種情況下的預(yù)制破片散布區(qū)域， 仿真結(jié)果見(jiàn)圖 4.

圖 4　動(dòng)態(tài)仿真示意圖Fig.4　Dynamic simulation diagram

由圖 4 可以看出， 隨著落角的減小， 地面破片場(chǎng)的分布變化過(guò)程為： 圓形→橢圓形→球錐形→大錐角. 破片分布密度的差異也越來(lái)越大， 在射向方向的兩側(cè)呈對(duì)稱分布且隨著距離的增大破片密度減小， 而在射向方向的前后區(qū)域上表現(xiàn)出較大的差異， 后方破片密度越來(lái)越大， 前方大部分破片開(kāi)始上揚(yáng)而使飛向地面的破片分布越來(lái)越稀疏.

戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)中預(yù)制破片總數(shù)為18 420枚， 其中小鎢球12 000枚， 大鎢球3 978枚， 鋼塊 2 442枚. 不同落角情況下破片殺傷數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1， 圖 5 為殺傷面積和穿甲效率面積隨落角變化曲線.

表 1　vc=450 m/s, H=20 m時(shí)不同落角情況下殺傷數(shù)據(jù)比較Tab.1　Comparison of killing data in different falling angles at falling velocity of 450 m/s and explosion height of 20 m

圖 5　落角對(duì)破片散布面積的影響Fig.5　Effect of falling angle on fragment spread area

由以上計(jì)算分析可知， 殺傷面積和穿甲效率面積隨著戰(zhàn)斗部落角的增加而增大， 變化規(guī)律明顯. 落角越大， 破片在地面內(nèi)的分布越均勻； 落角過(guò)小， 大量破片向上飛行成為無(wú)效破片. 為滿足對(duì)12 mm裝甲目標(biāo)破片密度不低于1枚/m2的指標(biāo)， 落角不大于60°.

2.2　炸高對(duì)破片分布規(guī)律的影響

不同炸高情況下破片殺傷數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2， 圖 6 為殺傷面積和穿甲效率面積隨爆高的變化曲線.

圖 6　炸高對(duì)戰(zhàn)斗部破片面積的影響Fig.6　The effect of explosion height on fragment area of warhead

表 2　落速450 m/s, 落角60°時(shí)不同爆高情況下殺傷面積比較Tab.2　Comparison of kill area in different explosion situations at falling velocity of 450 m/s and falling angle of 60°

對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可知， 殺傷面積和穿甲效率面積隨著戰(zhàn)斗部爆高的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)， 在爆高20 m時(shí)達(dá)到最優(yōu)值. 炸高較小時(shí)， 破片密集分布在以爆心地面投影點(diǎn)為中心的較小區(qū)域內(nèi)； 炸高過(guò)大時(shí)， 造成破片的散布面積過(guò)大而降低破片的密度， 殺傷概率減小. 通過(guò)優(yōu)化近炸引信作用時(shí)間， 來(lái)控制炸高有利于提高戰(zhàn)斗部的毀傷效應(yīng).

2.3　落速對(duì)破片分布規(guī)律的影響

不同落速情況下破片殺傷數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3， 圖 7 為殺傷面積和穿甲效率面積隨落速的變化曲線.

表 3　爆高20 m， 落角60°時(shí)不同落速情況下殺傷面積比較Tab.3　Comparison of killing area under different falling velocity at explosion height of 20 m and falling angle of 60°

圖 7　落速對(duì)戰(zhàn)斗部破片面積的影響Fig.7　Effect of falling velocity on fragment area of warhead

對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可知， 隨著落速的增大， 有效破片數(shù)增加、 平均破片密度增大、 殺傷面積和穿甲效率面積也增加， 但變化幅度較小. 落速對(duì)殺傷面積的影響主要是對(duì)破片動(dòng)態(tài)飛散角變化的影響.

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果， 對(duì)戰(zhàn)斗部進(jìn)行了終點(diǎn)效應(yīng)試驗(yàn). 在彈的預(yù)計(jì)落區(qū)布設(shè)了扇形靶、 厚鋼板、 帆布、 模擬輕型裝甲車(chē)輛等效應(yīng)物. 試驗(yàn)彈起爆時(shí)狀態(tài)為落角60°， 落速約500 m/s， 炸高20 m. 圖 8 為戰(zhàn)斗部起爆前， 試驗(yàn)彈準(zhǔn)確飛到在預(yù)落區(qū)上空.

試驗(yàn)彈在目標(biāo)區(qū)上空起爆， 起爆瞬間爆炸火球呈圓形， 然后迅速變成橢圓形， 破片先于沖擊波到達(dá)地面. 破片飛散過(guò)程見(jiàn)圖 9.

圖 8　起爆前戰(zhàn)斗部姿態(tài)Fig.8　Detonation of the former warhead position

圖 9　破片飛散過(guò)程Fig.9　Fragment scattering process

戰(zhàn)斗部在空中近炸時(shí)， 由于受到落角和落速的影響， 破片的空間分布呈現(xiàn)不同的情況. 通過(guò)扇形木靶及水平布設(shè)的帆布收集靶的破片分布情況， 繪制對(duì)人員的殺傷區(qū)域分布圖， 區(qū)域形狀大致為長(zhǎng)軸垂直射向、 短軸平行射向的“元寶型”形狀. 將對(duì)人員的殺傷區(qū)域分布圖與仿真結(jié)果對(duì)比， 如圖 10 所示， 可知仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

圖 10　試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖Fig.10　Comparison of test and simulation results

表 4 為戰(zhàn)斗部的仿真計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比， 可以看出計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本相符.

表 4　仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果Tab.4　Comparison of the simulation and test results

4　結(jié)　論

通過(guò)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)， 戰(zhàn)斗部的動(dòng)態(tài)破片場(chǎng)分布受落角和爆高的影響較大， 而落速對(duì)破片場(chǎng)分布影響相對(duì)較小. 結(jié)合仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證， 可得到以下結(jié)論：

1) 隨著落角的減小， 地面破片場(chǎng)的分布變化過(guò)程為： 圓形→橢圓形→球錐形→大錐角， 殺傷面積和穿甲效率面積隨著戰(zhàn)斗部落角的減小也不斷減小， 且變化規(guī)律明顯. 但為滿足對(duì)12mm裝甲目標(biāo)破片密度不低于1枚/m2的指標(biāo)， 落角應(yīng)不大于60°.

2) 隨著戰(zhàn)斗部爆高的增加， 殺傷面積和穿甲效率面積， 呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)， 該戰(zhàn)斗部在炸高20 m時(shí)達(dá)到最優(yōu)值.

3) 通過(guò)分析試驗(yàn)后靶板的破片分布情況， 根據(jù)破片依彈軸的左右對(duì)稱分布的特點(diǎn)， 可得出破片地面分布場(chǎng)形狀大致為長(zhǎng)軸垂直射向、 短軸平行射向的“元寶型”形狀.