動態線列式破片戰斗部技術探索

梁爭峰,袁寶慧,程淑杰,劉惠玲

(1.西安近代化學研究所,陜西 西安710065)

引 言

早期的破片戰斗部受導彈制導精度、引信技術以及戰斗部自身技術的制約,多為大飛散角戰斗部,主要發展圓筒形和腰鼓形戰斗部。圓筒形破片戰斗部飛散角一般為12°左右[1],典型型號為前蘇聯20πK-5 空空導彈戰斗部和美國響尾蛇1A 型空空導彈戰斗部。為進一步提高防空導彈戰斗部破片的打擊命中概率,世界各國還研制了多型腰鼓形大飛散角破片戰斗部,如法國馬特拉R530 導彈T-110 破片戰斗部和前蘇聯地空導彈殺傷戰斗部[2]。由于大飛散角戰斗部破片分布密度較低,對目標的毀傷效應主要體現為多個獨立破片穿孔毀傷[3-4];而且破片軸向速度差較為顯著,在動態交匯條件下,破片穿孔帶寬將由于速度梯度而被拉寬。因此,為了提高對目標的結構毀傷效應,世界各軍事強國紛紛開始研究聚焦破片戰斗部。

聚焦破片戰斗部聚焦帶內破片密度大幅度提高,宏觀上可在目標上形成一個密集的穿孔、撕裂和應力集中“切割帶”,能夠對導彈類目標實施“帶切割式”結構毀傷[5-6]。此外,由于裝藥采用了凹面聚焦特征曲線設計,在很大程度上消除了端面稀疏波的影響,使軸向破片速度趨于一致。典型的聚焦破片戰斗部為法國的地空導彈R-440 戰斗部。雖然聚焦破片戰斗部極大提升了對導彈類目標的切割式結構毀傷效應,但其產生的切割仍然具備一定寬度,即聚焦帶寬,依然是一個“帶切割”。為了進一步提高破片戰斗部在實戰中對導彈類目標的切割式結構毀傷,提出了動態線列式破片戰斗部技術。

本研究論述了動態線列式破片戰斗部的作用原理、特點和優勢,初步探索了其工程設計方法,同時利用數值模擬和原理樣機試驗方法驗證了該戰斗部作用原理及設計方法的正確性和可行性,為今后該類戰斗部技術推廣和型號研制提供設計依據。

1 動態線列式破片戰斗部作用原理及設計方法

1.1 作用原理

動態線列式破片戰斗部破片作用原理是通過控制每個破片飛散方向及在目標靶上的落點使穿孔呈線列式分布,同時通過裝藥外曲線使軸向破片速度一致。破片飛散方向由破片軸向飛散方向和周向飛散方向確定。

在軸對稱起爆條件下,殺傷戰斗部破片在靶板上落點的周向坐標值為破片質心與軸線組成平面的周向坐標值,如圖1 所示。其中,R 為破片組合體中破片的列,L 為破片組合體中破片的行。

圖1 R1列破片穿孔周向坐標值示意圖Fig.1 Schematic diagram of fragment perforation coordinate values of row R1in circumferential direction

由于戰斗部預制破片組合體采用了聚焦特征曲線結構,因此絕大部分破片均勻分布于0.2 ～0.3 m寬的聚焦帶內,只有前后端各1 ～2 排破片由于端面稀疏波的影響,其穿孔會分布于聚焦帶外;而且穿孔呈現出中間間距小,兩端逐步增大的特點;此外,破片穿孔沿軸向前后順序與戰斗部初始裝配順序相同。由此可以確定出每個破片在靶板上穿孔的軸向坐標值,如圖2 所示。

綜上所述,通過合理利用戰斗部破片周向和軸向飛散規律,可以實現破片在靶板上穿孔線列式分布的目的。

1.2 破片線列式分布設計方法

綜合分析戰斗部破片周向和軸向飛散規律,通過設計一種周向周期均布、軸向聚焦的破片戰斗部結構(結構簡圖如圖3 所示),便可以實現圖4 所示殺傷戰斗部破片的線列式排列。從圖3可以看出,戰斗部周向破片預制數目為m,軸向破片預制數目為n,軸向破片質心連線與戰斗部軸線設計一個夾角θ,目的是使軸向一列破片在周向一定角度內均勻散開;從圖4可以看出,破片穿孔呈現出周期線列式分布特點,周期數目為周向破片預制數目,每個周期內破片穿孔數目為軸向破片預制數目。

要使破片沿周向360°均勻、連續分布,根據線列式破片戰斗部作用原理,通過理論推導可得軸向破片質心連線與戰斗部軸線夾角θ的計算公式為:

式中:L 為戰斗部預制破片組合體的長度;A 為線列式破片周向連續、均布修正系數;D 為戰斗部預制破片組合體的直徑。

1.3 動態條件下軸向破片速度一致性數值模擬

圓筒形戰斗部破片速度分布規律呈現端面低、中間高的特點,典型軸向破片速度分布曲線如圖5所示。要使殺傷戰斗部軸向破片速度一致,就必須消除端面稀疏波影響,使兩端破片速度提高,設計合理的凹形預制破片組合體曲線是一種有效途徑。曲線設計原則是在圖5 速度低處適量增加裝藥直徑,在速度高處相應減小裝藥直徑,曲線設計采用數值模擬多次迭代和逼近的方法。圖3 即為通過該設計原則和方法設計的預制破片組合體曲線,該曲線既可以達到軸向破片聚焦的目的,同時可產生如圖6 所示的軸向等爆轟場強,即使軸向爆炸沖量基本一致,最終達到軸向破片速度一致性的目的。

2 原理樣機試驗

2.1 戰斗部原理樣機的設計

根據動態線列式破片戰斗部設計方法,結合某型號聚焦破片戰斗部戰術技術指標要求,設計了動態線列式戰斗部原理樣機。首先根據軸向等爆轟場強設計了預制破片組合體曲線,并通過數值模擬進行了驗證;結合戰技指標中戰斗部尺寸、質量、單枚破片質量和破片分布密度要求,周向破片數量設計為32 枚,軸向20 枚,通過式(1)計算可得軸向破片質心連線與戰斗部軸線夾角θ值為3.8°。

2.2 破片線列式分布情況

圖7 為動態線列式破片戰斗部原理樣機靜爆試驗破片線列式穿孔照片。從圖7 中可以看出,破片穿孔基本與圖4 中理論設計分布一致,圖中包含3個破片線列式分布周期,破片周向無間斷連續分布,而且間隙均勻,軸向間距中間密而兩端稀疏,破片穿孔的線列式分布試驗結果初步驗證了線列式破片戰斗部作用原理和設計方法的正確性、可行性。

圖7 動態線列式戰斗部原理樣機靜爆試驗破片線列式穿孔照片Fig.7 Photo of fragment linear perforation in static explosion for dynamical linear distribution fragmentation w arhead prototype

3 結 論

(1)探索并試驗驗證了一種能夠對各類空中/空間目標實現線切割式結構毀傷的線列式破片戰斗部技術。

(2)提出了軸向等爆轟場強和破片速度一致性概念和設計方法,以保證在彈目動態交匯條件下破片穿孔仍為線列式分布。

[1]楊云川,厲相寶,萬仁毅.預制破片初速和飛散角的數值模擬[J].彈箭與制導學報,2009,29(4):96-102.

[2]王淑華,高瑞,蔡炳源.導彈戰斗部及其裝藥的發展研究[J].火炸藥學報,1991(1):43-54.

WANG Shu-hua,GAO Rui,CAI Bing-yuan.Study on development of w arhead and its charge[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,1991(1):43-54.

[3]隋樹元,王樹山.終點效應學[M].北京:國防工業出版社,2000.

[4]Richard R L.Conventional Warhead Systems Physics and Engineering Design[M]. New York:AIAA,1998.

[5]隋樹元,周蘭庭,李進忠,等.破片式戰斗部優化設計技術研究[J].兵工學報,1995(4):33-37.

[6]LIU Tong,QIAN Li-xin.S tudy on fragment focusing mode of air-defense missile w arhead[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1998(23):240-243.