基于增材制造的殼-罩一體式周向MEFP戰(zhàn)斗部試驗研究

宋 平，李文彬，張 慶，鄭 宇，黃聲野，郭學(xué)佳，劉峻豪

(1. 南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，江蘇 南京 210094；2.中國兵器裝備研究院，北京 102209； 3.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094)

引 言

為進一步提高戰(zhàn)斗部對人員、輕型裝甲目標(biāo)的毀傷效能，研究人員在單一爆炸成型彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了多爆炸成型彈丸(MEFP)戰(zhàn)斗部的設(shè)計理念，主要包括軸向MEFP戰(zhàn)斗部和周向MEFP戰(zhàn)斗部[1-2]。前者在主裝藥起爆后能夠在戰(zhàn)斗部單一方向上形成多枚EFP毀傷元，提高了對目標(biāo)的命中概率；而周向MEFP戰(zhàn)斗部起爆后則能夠在戰(zhàn)斗部四周更大范圍內(nèi)產(chǎn)生數(shù)量更多的EFP毀傷元，進一步提升了MEFP戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的命中和毀傷概率。

國外學(xué)者Fong等[1]將預(yù)控破片技術(shù)與聚能技術(shù)相結(jié)合，在戰(zhàn)斗部殼體周向預(yù)制出多枚整齊排列的四邊形藥型罩，主裝藥起爆后殼體發(fā)生破碎，預(yù)制的藥型罩相互分離并在周向形成多枚獨立的EFP毀傷元，殼-罩一體式(整體式)周向MEFP戰(zhàn)斗部的設(shè)計理念就此提出。由于周向MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過傳統(tǒng)工藝制備難度較大，因此國內(nèi)對于周向MEFP的研究多以數(shù)值模擬為主[3-7]。為突破傳統(tǒng)制備工藝的限制，李鵬等[8]設(shè)計了一種由兩層鋁制殼體夾裝多枚純鐵藥型罩的周向MEFP戰(zhàn)斗部，并通過試驗研究了單點和多點起爆下戰(zhàn)斗部的毀傷威力，但復(fù)雜的裝配工藝同樣限制了該戰(zhàn)斗部的進一步應(yīng)用。Gaston[9]公布了一種利用增材制造工藝制備周向MEFP戰(zhàn)斗部藥型罩的技術(shù)方案，相比于傳統(tǒng)工藝，3D打印技術(shù)能大幅降低MEFP藥型罩在生產(chǎn)過程中的廢品率，并大大提高生產(chǎn)和裝配效率，是一種極具應(yīng)用潛力的新型制造工藝。由于國內(nèi)紫銅材料的3D打印工藝目前尚不成熟，通過前期研究，3D打印316L不銹鋼藥型罩在一定炸高內(nèi)可以形成形態(tài)較好的EFP毀傷元[10]，因此，本研究以316L不銹鋼為材料設(shè)計并制備了一種殼-罩一體式周向MEFP戰(zhàn)斗部，并通過靜爆試驗研究了毀傷元的飛散規(guī)律和成型性能，評估了增材制造技術(shù)在周向MEFP戰(zhàn)斗部領(lǐng)域進一步應(yīng)用的可行性。

1 周向戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及制備

為便于戰(zhàn)斗部的制備和裝藥，本研究以316L不銹鋼為材料設(shè)計了一種殼-罩一體式的周向MEFP戰(zhàn)斗部。其殼體采用激光選區(qū)熔化技術(shù)(SLM)進行分層鋪粉打印成型，其中316L不銹鋼粉末的化學(xué)成分見表1。

表1 316L不銹鋼粉末化學(xué)成分含量

圖1 周向MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural of circumferential MEFP warhead

周向MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該戰(zhàn)斗部最大外徑D=116mm，高度L=172mm，殼體密度為7.83g/cm3，一端封閉，另外一端敞開，壁厚2mm。在殼體周向交叉預(yù)制5層×12列，共計60枚藥型罩，其中用于形成EFP的單枚藥型罩質(zhì)量為12.5g，采用變壁厚球缺式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外曲率半徑分別為28mm和24mm。該戰(zhàn)斗部主裝藥為鑄裝B炸藥(60RDX/40TNT),裝藥密度1.7g/cm3，總質(zhì)量4.2kg，采用端面單點起爆。為保證主裝藥可靠起爆，試驗中使用直徑20mm的JH-14炸藥作為擴爆藥柱，最終制備的周向MEFP戰(zhàn)斗部如圖2所示。

圖2 一體式周向MEFP戰(zhàn)斗部實物圖Fig.2 The figure of integrated circumferential MEFP warhead

2 試驗方法

通過靜爆試驗研究316L不銹鋼周向MEFP戰(zhàn)斗部的毀傷元飛散規(guī)律和成型性能，試驗總體布局及戰(zhàn)斗部擺放姿態(tài)如圖3所示。

圖3 靜爆試驗布局圖 Fig.3 Layout of static-explosion test

受試驗場地限制，在距離戰(zhàn)斗部1.68m處布置有2m×1m的A3鋼板，厚度為10mm；在距離戰(zhàn)斗部2.7m處布置兩塊2m×1m的25mm厚木板，以此驗證多EFP毀傷元不同距離處的成型和飛散特性。為對EFP形態(tài)進行分析，在距離戰(zhàn)斗部3m處布置用于回收殼體破片及多EFP殘體的沙箱。此外，使用高速攝影記錄戰(zhàn)斗部從起爆到毀傷元穿透鋼靶的過程，從而獲取EFP毀傷元的平均速度。為了對EFP毀傷元的完整性進行分析，試驗前在木板前緊貼放置厚度2mm的鋁板，根據(jù)試驗后鋼板和鋁板穿孔的形態(tài)，能夠?qū)FP毀傷元的完整性作出定性的分析。

由圖3可知，戰(zhàn)斗部由下至上第一、三、五層共計3枚藥型罩正對1#鋁/木板；第二、四層共計2枚藥型罩正對2#鋁/木板；從A3鋼板看去，戰(zhàn)斗部起爆后會有4列共計10枚(紅色部分)藥型罩形成的EFP擊中鋼板。

3 數(shù)值模擬

為了對本研究設(shè)計的周向MEFP戰(zhàn)斗部多EFP毀傷元的成型原理進行初步驗證，采用Autodyn-3D顯式動力學(xué)軟件模擬藥柱起爆后殼體斷裂和多EFP成型及飛散過程。為提高計算精度和效率，采用1/4模型并在對稱面施加對稱約束。主裝藥和空氣域采用Euler算法，殼體采用Lagrange算法，網(wǎng)格尺寸為1mm，炸藥和殼體間采用流固耦合算法。數(shù)值模擬中空氣密度為0.00125g/cm3，采用Ideal Gas狀態(tài)方程；炸藥和3D打印316L不銹鋼的部分參數(shù)見表2和表3。

表2 炸藥材料參數(shù)

表3 3D打印316L不銹鋼材料參數(shù)[11]

圖4為數(shù)值仿真得到的殼體破碎后多EFP毀傷元成型過程。主裝藥起爆后，在爆轟壓力的驅(qū)動下殼體發(fā)生膨脹變形，并沿著殼體周向預(yù)制的藥型罩邊緣開始斷裂，使得周向分布的60枚藥型罩相繼脫離殼體，并在聚能效應(yīng)的影響下發(fā)生壓垮變形，主藥柱起爆90μs后，60枚獨立的球形EFP毀傷元完全成型，并向四周飛散。由此可初步判斷，該殼-罩一體式周向MEFP的設(shè)計方案可行。

圖4 多EFP成型過程Fig.4 Forming process of multi-EFP

4 試驗結(jié)果及討論

4.1 多EFP速度分布

圖5為高速攝影記錄的戰(zhàn)斗部從起爆到毀傷元穿透鋼板的動態(tài)過程。其中，高速攝影每幀畫面之間的時間間隔為113.62μs。將戰(zhàn)斗部起爆后記錄到的第一幀出光畫面設(shè)定為藥柱起爆初始時刻t1，將多枚毀傷元穿透靶板后記錄到的第八幀和第九幀畫面設(shè)定為多EFP到達1.68m處的最早時刻t2和最晚時刻t3。由此可測得該周向MEFP戰(zhàn)斗部毀傷元的速度約在1848～2112m/s之間。

圖5 毀傷元穿靶過程Fig.5 The penetration process of reactive elements

本戰(zhàn)斗部在殼體周向預(yù)制5層藥型罩，每層有12枚，各層間藥型罩層交叉分布。為研究各層藥型罩的速度分布，在各層選取一枚藥型罩為研究對象(見圖6)，利用數(shù)值模擬研究EFP速度隨藥型罩質(zhì)心距起爆點距離h的變化規(guī)律如圖7所示。

圖6 EFP研究對象選取Fig.6 Selection of EFP research objects

圖7 多EFP速度分布規(guī)律Fig.7 Velocity distribution of multi-EFP

由圖7可知，隨著h/L的增大(L為戰(zhàn)斗部總高度)，EFP毀傷元速度先增大后降低。與4#和3#藥型罩同處一層的多EFP速度達到最大，約為2140m/s。此外，圖7中兩條黑色實線為試驗測得的多EFP毀傷元速度范圍。由此可知，數(shù)值仿真得到的速度數(shù)據(jù)基本位于試驗測得的最大和最低速度區(qū)間內(nèi)，兩者吻合較好。

4.2 多EFP飛散特性

圖8為靜爆試驗后得到的靶板穿孔分布。根據(jù)戰(zhàn)斗部初始擺放位置和穿孔大小，可對EFP毀傷元和殼體其他破片造成的穿孔進行區(qū)分，其中EFP穿孔在圖中用紅色標(biāo)記標(biāo)出。

圖8 鋼板穿孔分布Fig.8 Perforation distribution of steel plate

由圖8可知，從左到右鋼板上EFP穿孔呈現(xiàn)出“2-3-2-3”的交叉分布，說明該戰(zhàn)斗部多EFP毀傷元能夠正常成型，并按照交叉分布的規(guī)律向四周飛散。

圖9為布置在距爆心2.7m處的木板穿孔分布(紅色圓圈內(nèi)為EFP造成的穿孔)。從穿孔形態(tài)可知，雖然多EFP能夠擊穿厚度25mm的木板，但由于316L不銹鋼的延展性較差，多EFP在2.7m處出現(xiàn)了不同程度的破碎，導(dǎo)致其穿孔形狀更加不規(guī)則。

圖10為通過試驗獲得的笛卡爾坐標(biāo)系下鋼板、木板穿孔與起爆前戰(zhàn)斗部中心的空間位置關(guān)系。結(jié)合穿孔與藥型罩初始位置之間的空間關(guān)系，能夠獲得各層多EFP在1.68、2.7m處的豎向飛散角α如圖11所示。

圖9 木板穿孔分布Fig.9 Perforation distribution of wood plate

圖10 戰(zhàn)斗部與鋼板和木板穿孔位置關(guān)系Fig.10 The position relationship between the perforation and steel plate and wood plate

圖11 多EFP飛散角分布規(guī)律Fig.11 Distribution law of multi-EFP scattering angle

由圖11可知，隨著藥型罩距起爆點距離的增大(h/L增大)，其EFP飛散角近似呈線性增加，試驗中測得的多EFP最大豎向飛散角的平均值為6.17°。同時，處于同一層內(nèi)的多EFP豎向飛散角相差不大，表明采用3D打印技術(shù)制備的戰(zhàn)斗部殼體的結(jié)構(gòu)一致性和材質(zhì)均勻性較好；此外，隨著飛散距離的增大，多EFP飛散角α基本保持不變。最后，由數(shù)值模擬得到的各層EFP飛散角數(shù)據(jù)與試驗最大誤差為16%，一致性較好。

4.3 多EFP成型特性

本研究采用沙箱回收的方式對多EFP毀傷元進行部分回收。但由于試驗場地限制，沙箱距離戰(zhàn)斗部較近，導(dǎo)致起爆后沙箱出現(xiàn)較嚴重損壞；加之毀傷元與沙子發(fā)生強烈碰撞等原因，導(dǎo)致試驗后沙箱中多為一些形狀不規(guī)則的碎片，如圖12所示，并沒有回收到完整的EFP毀傷元。

圖12 沙箱回收的部分殘余碎片F(xiàn)ig.12 Part of debris recovered from sandbox

若EFP形態(tài)完整，靶板上穿孔輪廓應(yīng)近似呈圓形，且周邊一定范圍內(nèi)再無其他孔洞；相反，若EFP成型出現(xiàn)嚴重不對稱，其穿孔應(yīng)為明顯的不規(guī)則形態(tài)；若EFP在著靶前發(fā)生破碎，靶板上必會出現(xiàn)大量聚集的小型穿孔。分別提取鋼靶和鋁板上多EFP穿孔的外形輪廓，并繪制圖13。

圖13 不同距離處多EFP穿孔形態(tài)Fig.13 Multi-EFP perforation patterns at different distances

由圖13可知，位于戰(zhàn)斗部中心1.68m處的鋼板多為單一的穿孔，且穿孔形狀近似呈圓形；說明多EFP毀傷元在1.68m處能夠保持較完整的形態(tài)，幾乎無破碎現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著飛散距離的增加，在2.7m處部分EFP開始出現(xiàn)失穩(wěn)和破碎，鋁板上穿孔大多為不規(guī)則形態(tài)，且伴隨有大量的小型穿孔出現(xiàn)。

圖14為相同單EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)下3D打印316L不銹鋼藥型罩(圖14(a))與T2紫銅藥型罩(圖14(b))在起爆50μs后EFP成型對比。其戰(zhàn)斗部具體結(jié)構(gòu)在文獻[10]中有詳細說明。對比兩者EFP成型可知，3D打印工藝制備的316L不銹鋼材料具有較高的強度和較差的動態(tài)塑性性能，相同時刻下前者EFP長度明顯低于T2紫銅，且EFP頭部提前呈現(xiàn)出斷裂現(xiàn)象。這一試驗結(jié)果可以說明周向MEFP戰(zhàn)斗部獲得的多EFP在2.7m處出現(xiàn)斷裂的原因之一為3D打印316L不銹鋼材料較差的動態(tài)塑性。

圖14 起爆50μs后EFP成型對比Fig.14 Comparison of EFP formation at 50μs after detonation

值得注意的是，距離起爆點較近的第一層藥型罩形成的EFP毀傷元飛散至2.7m處依舊能夠保持較完整的形態(tài)，其穿孔輪廓近似呈圓形。而距離起爆點較遠的其他藥型罩形成的EFP毀傷元則出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。結(jié)合圖15對這一現(xiàn)象進行解釋。在該戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)下，隨著藥型罩距離起爆點距離的增加。起爆后100μs時刻，第一層EFP速度已基本趨于一致(速度梯度小于50m/s)，而距離起爆點較遠的其他4層EFP自身存在較大的速度差，因而導(dǎo)致其EFP在遠距離飛行過程中更易出現(xiàn)破碎。

圖15 100μs時刻各層EFP速度分布Fig.15 The velocity distribution of multi-EFP in different layers at 100μs

綜合以上分析可知，本研究使用的3D打印316L不銹鋼殼體材料在爆轟驅(qū)動下能夠形成相互獨立的多EFP毀傷元，并能夠在一定范圍內(nèi)保持較完整的形態(tài)。但受316L不銹鋼材料塑性性能以及藥型罩結(jié)構(gòu)的影響，隨著飛散距離的進一步增加，多EFP會出現(xiàn)不同程度的破碎。

5 結(jié) 論

(1)本研究制備的殼-罩一體式周向MEFP戰(zhàn)斗部起爆后能夠在戰(zhàn)斗部周向形成獨立的多EFP毀傷元，并在一定距離上保持穩(wěn)定的形態(tài)向四周飛散。多EFP毀傷元速度為1848～2112m/s，并能穿透10mm厚的A3鋼板，穿孔直徑在25～30mm之間。

(2)在端面單點起爆方式下，隨著藥型罩距起爆點距離的增加，EFP飛散角線性增大。此外，藥型罩距離起爆點越遠，形成的EFP速度梯度越大，在飛行中更易出現(xiàn)破碎。

(3)增材制造技術(shù)的出現(xiàn)能夠解決周向MEFP戰(zhàn)斗部制備和生產(chǎn)過程中的工藝難題，為定向式MEFP戰(zhàn)斗部的設(shè)計和研究工作提供了有益途徑。

(4)通過進一步優(yōu)化距起爆點較遠的第二至第五層藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)以及制備具有更高延展性材料的殼體(紫銅等)等手段，能夠有效改善多EFP在遠距離飛行過程中的破碎現(xiàn)象。