起爆方式對定向多爆炸成型彈丸成型性能的影響

王 芳,周 末,紀劉奇

(1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081；2.中國兵器工業(yè)第二〇三研究所， 西安 710065)

多爆炸成型彈丸(MEFP)是由爆炸成型彈丸(EFP)發(fā)展而來，李鵬等[1]對周向MEFP進行了成型和毀傷的研究；趙長嘯等[2]對整體式MEFP的成型進行了研究；尹建平等[3]對網(wǎng)柵切割式MEFP進行了設計和優(yōu)化。而這些MEFP戰(zhàn)斗部通常為軸對稱結構，藥型罩分布于端面或周向，毀傷元的利用率較低，面對精確制導彈藥的威脅，需要進一步提高反導彈藥的命中精度和毀傷效果，這對打擊的精確性和戰(zhàn)斗部效能提出了更高的要求[4]。想要增強戰(zhàn)斗部的殺傷力，一是通過增加裝藥量、EFP的數(shù)量，提高EFP的初速,增加戰(zhàn)斗部的殺傷力；二是進行戰(zhàn)斗部結構的創(chuàng)新設計與優(yōu)化，提高EFP的利用率。

影響EFP成形性能的關鍵因素有裝藥性能、裝藥結構和結構參數(shù)等，而裝藥結構是EFP戰(zhàn)斗部優(yōu)化設計中的關鍵部件。在進行彈藥設計時，裝藥質(zhì)量受到戰(zhàn)斗部整體結構的制約，因此通過增加裝藥質(zhì)量來提高戰(zhàn)斗部的威力方法受到了限制[5]。為提高對導彈目標的攔截殺傷能力，又能保證一定的殺傷效率，本文針對一種定向多爆炸成形彈丸技術進行研究，利用AUTODYN-3D軟件，數(shù)值模擬了起爆方式對定向MEFP成型的影響，進而得到毀傷元成型參數(shù)隨起爆方式的變化規(guī)律，為定向MEFP的進一步研究提供了參考。

1 戰(zhàn)斗部結構設計

本文設計的定向MEFP戰(zhàn)斗部的原理樣機結構如圖1所示。其中柱形炸藥裝藥的橫截面形狀為D形；9 枚變壁厚球缺式藥型罩在D形裝藥的軸向平面上等距離均勻分布，并通過鋁扣板與帶殼體的裝藥結構固連。戰(zhàn)斗部原理樣機的具體結構參數(shù)：戰(zhàn)斗部口徑：140 mm；藥型罩材料：Ta2.5W；藥型罩口徑，30 mm；藥型罩質(zhì)量，24.76 g；藥型罩數(shù)量：9枚；藥型罩間距：3 mm。裝藥采用Octol，起爆點位置位于D形裝藥的圓周外側面與軸向平面相對的位置。

圖1 定向戰(zhàn)斗部原理樣機1/2結構和實驗圖

當單點起爆時，起爆點位于中心位置；兩點起爆時，起爆點沿著軸線方向相對中心對稱布置；三點起爆時，中心起爆點固定在中心對稱面位置，其余兩點和兩點起爆時布置方式相同，三點共線排布；線起爆時，導爆藥柱延軸線方向布置在橫截面最大直徑處。

圖2為藥型罩結構示意圖，藥型罩外曲率半徑R1取28 mm，內(nèi)曲率半徑R2取46 mm，藥型罩中心厚度h1取3 mm，藥型罩整體厚度h2取5.2 mm。

圖2 藥型罩結構示意圖

2 定向MEFP戰(zhàn)斗部成型數(shù)值模擬

2.1 仿真模型和成型過程模擬

本文中，采用爆炸動力學分析軟件AUTODYN-3D進行數(shù)值模擬，計算中假設炸藥和藥型罩均為連續(xù)均勻介質(zhì)，裝藥起爆后的整個爆炸過程為等熵絕熱過程。在EFP的成型過程中均不考慮空氣阻力及重力作用的影響。炸藥材料為Octol，密度1.821 g·cm-3，爆速8 480 m·s-1；藥型罩材料為Ta2.5W，密度16.654 g·cm-3；殼體材料為LY12鋁合金，密度為2.785 g·cm-3。仿真計算模型中使用的材料參數(shù)及本構模型已經(jīng)經(jīng)過試驗驗證，具體詳見文獻[6]。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

模型的每個藥型罩口部和中心各設置3個拉格朗日觀察點，以確定爆轟加載結束時藥型罩在此處的微元的速度，起爆方式為兩點起爆，起爆點間距為典型值70 mm，位于徑向?qū)ΨQ面的2號藥形罩的EFP成型過程如圖4所示。罩口部罩底部微元速度變化曲線如圖5所示。

圖4 EFP成型過程

由圖4可以看出，爆轟加載結束后，藥型罩各微元存在速度梯度，藥型罩在爆轟波作用下快速合攏，1.5 ms時開始向前合攏，在2.5 ms時合攏并發(fā)生口部撞擊；5.0 ms合攏形成水滴形EFP，頭部尖，質(zhì)量集中在較圓的后部；由于不同位置的藥型罩受到?jīng)_擊波加載的角度和波形不同，產(chǎn)生不同的成型形狀，不同編號的藥型罩形成EFP的成型結果如圖6所示。

本文每個EFP對應的藥型罩編號從左到右分別是1、2、3、4。

圖5 2號藥型罩不同位置微元的速度變化曲線

圖6 不同位置藥型罩成型結果

由圖4、圖6可以看出，由于每個藥形罩位置的不同，爆轟波作用在藥型罩上的角度均不相同，使得不同位置的藥型罩的成型性能有著較大的差距，2～4號藥型罩由于偏心起爆的原因?qū)е滤幮驼指鱾€微元之間產(chǎn)生了橫向速度差，在向前閉合的成型過程中，藥型罩獲得了一定的側向速度。由Blachel等[7]的研究表明，相對于長桿型彈丸，球形彈丸的氣動性能更優(yōu)秀。本文的研究目標就是對影響EFP成型性能和飛散方向的主要因素進行分析，以期得到速度較快、線密度大、長徑比小的多個EFP。

2.2 起爆方式對MEFP戰(zhàn)斗部成型的影響

本文采用點起爆和線起爆，起爆點數(shù)量和間距的變化主要改變的是爆轟波波形，不同起爆點數(shù)量和間距產(chǎn)生的爆轟波對藥型罩的加載角度會不同，這對藥型罩的成型性能和速度有較大的影響，也會改變EFP的飛散角，飛散角為EFP速度矢量和戰(zhàn)斗部中心朝向的法線夾角，影響在一定距離內(nèi)定向MEFP戰(zhàn)斗部的打擊面積和彈丸的線密度，這對目標的命中率和打擊效果有重要影響，本文根據(jù)起爆方式的和起爆點間距不同設置了不同的仿真計算工況，兩點起爆的起爆點間距40～90 mm，每個工況增加10 mm，三點起爆的起爆點間距20～45 mm，每個工況增加5 mm。

2.2.1單點起爆

圖7為單點起爆時各彈丸的成型效果。EFP的各項成形參數(shù)見表1。

圖7 單點起爆時各彈丸的成型效果

EFP序號速度/(m·s-1)飛散角/(°)長徑比11 52101.6421 5183.001.7531 5152.581.7741 5123.621.82

由表1可以看出，在單點起爆時，各個位置的EFP速度相差不大，總體保持穩(wěn)定在1 515 m·s-1左右；除中心1號EFP外，各個位置的EFP飛散角均在2.5°以上；從圖7來看，各EFP較為接近準球形，重心集中，其中1號藥型罩的長徑比最小，其他EFP均有一定的頭部歪斜，其中2號藥型罩口部出現(xiàn)了一定程度的碎裂，長徑比最大為1.82。

2.2.2兩點起爆

圖8是不同起爆點間距下的藥型罩參數(shù)曲線。

由圖8可知，隨著起爆點間距的增加，1、2號的藥型罩的EFP速度呈線性增加，總計速度增幅達到了6.1%，而3、4號外圍藥型罩的EFP速度保持穩(wěn)定且略微下降，降幅最大3%，受起爆點間距的影響較?。浑S著起爆點間距的增加，除了中心1號藥型罩的EFP外，飛散角度都隨著起爆點間距的增加而降低，其中2號和4藥型罩的EFP的降幅較小，分別為24.2%和18.4%，而3號藥型罩的EFP飛散角降幅較大，達到了70.1%；隨著起爆點間距的增加，EFP的長徑比整體呈線性上升趨勢，1號EFP的長徑比最小，3、2、4號EFP長徑比依次增加，1號EFP增幅最小，約為7%，其余EFP長徑比增幅均在12%左右；可見兩點起爆時起爆間距的影響主要體現(xiàn)在EFP的飛散程度和長徑比上。

圖9為兩點起爆時，不同起爆點間距下各彈丸的成型效果，每個EFP對應的藥型罩編號從左到右分別是1、2、3、4?？梢钥闯?，隨著起爆點間距的增加，EFP的長徑比逐漸增加，頭部被拉長，成型質(zhì)量有所下降。因此，綜合圖8、圖9考慮，兩點起爆的最佳的起爆間距取值范圍為60～80 mm。

圖9 兩點起爆時不同起爆點間距下各彈丸的成型效果

2.2.3三點起爆

圖10是三點起爆時不同起爆間距下的藥型罩參數(shù)曲線。

圖10 定向MEFP成型參數(shù)隨三起爆點間距變化曲線

由圖10可知，隨著起爆點間距的增加， 1、2號藥型罩的EFP速度先增加后下降，由圖11可以看出，這是因為EFP合攏時罩口部側向速度過大造成了一定的碎裂，導致EFP的速度下降，而3，4號外圍藥型罩的EFP速度保持穩(wěn)定；隨著起爆點間距的增加，除了中心1號EFP外，3、4號EFP的飛散角度都隨著起爆點間距的增加而降低，降幅分別為73.6%和38%，而2號EFP的飛散角保持穩(wěn)定。隨著起爆點間距的增加，EFP的長徑比整體呈線性上升趨勢，在起爆間距為40 mm和45 mm時， 1、2號EFP同樣是因為碎裂導致長徑比急劇下降，而3、4號EFP急劇拉長變形，長徑比迅速增加。

圖11為三點起爆時，不同起爆點間距下各彈丸的成型效果，可以看出，隨著起爆點間距的增加，1號藥型罩的EFP變化不明顯；2號藥型罩的EFP逐漸產(chǎn)生了一定程度的拉斷，成型質(zhì)量下降；3號EFP的長徑比逐漸增加，頭部被拉長，成型質(zhì)量下降明顯，因此，綜合圖10、11考慮，兩點起爆的最佳的起爆間距取值范圍為25～35 mm。

2.2.4線起爆

圖12為線起爆時各彈丸的成型效果。EFP的各項成形參數(shù)見表2。

圖11 三點起爆時不同起爆點間距下各彈丸的成型效果

圖12 單點起爆時各各彈丸的成型效果

表2 線起爆時各EFP成型參數(shù)

由表2可以看出，在線起爆時，處于徑向?qū)ΨQ面上的1、2號EFP速度較高，而3、4號EFP的速度較低，兩組有8%的差距，均速較大；各個位置的EFP飛散角均低于3°，飛散特性表現(xiàn)優(yōu)異；從圖12來看，各EFP均有一定程度的拉長，EFP均有一定的頭部歪斜，其中1、2號藥型罩口部出現(xiàn)了一定程度的碎裂，長徑比最大為2.12；對比三點起爆的EFP參數(shù)，在保證一定程度的長徑比的情況下，提高了EFP速度，減小了飛散角，具有一定的優(yōu)勢。

3 驗證

基于上述仿真計算結果，設計了一種定向MEFP戰(zhàn)斗部，為了檢驗優(yōu)化的戰(zhàn)斗部結構能否滿足設計標準以及仿真結果的可靠性，對該戰(zhàn)斗部進行靜爆試驗，戰(zhàn)斗部擺放和脈沖X光攝影的布置如圖13所示。

圖13 實驗現(xiàn)場布置

選取單點起爆和起爆點間距為70 mm的兩點起爆進行試驗，圖14、圖15為仿真計算中獲得的EFP和試驗中EFP的形態(tài)，表3列出了實驗速度和仿真測速的數(shù)據(jù)，在誤差允許范圍內(nèi)，仿真計算中的EFP和脈沖X光照片中的EFP的形狀，長徑比較為吻合；由于實驗設備和材料的加工及裝配精度，仿真計算精度和空氣阻力以及底片和出光方向的垂直度等不可抗因素的影響，仿真計算的EFP速度、姿態(tài)等和實驗中測得的數(shù)據(jù)存在一定差距。

表3 仿真和實驗的3號EFP的速度和長徑比

圖14 單點仿真和實驗A相EFP成型形狀

圖15 兩點仿真和實驗B相EFP成型形狀

4 結論

1) 采用單點起爆時，中心彈丸長徑比最小，但是整體速度較低、飛散角較大；當兩點和三點起爆時，起爆點間距對彈丸成型的影響主要體現(xiàn)在形狀上，對速度影響相對較小，隨著起爆點間距的增加，飛散角減小，長徑比增加；線起爆時，EFP的速度最大，飛散角較小，長徑比大，具有較強的侵徹性能但氣動性能下降。

2) 對于定向MEFP戰(zhàn)斗部，當采用兩點起爆，起爆點間距為60～80 mm時，形成的EFP速度、線密度、氣動性能和侵徹能力等綜合性能較優(yōu)。

3) 靜爆試驗結果表明，所設計的戰(zhàn)斗部成型效果和仿真結果吻合良好，驗證了仿真計算模型的有效性。