爆轟驅動變截面異形桿靜態拋撒實驗研究*

寧惠君,王 浩,王政偉,張 成，阮文俊

(1.河南科技大學土木工程學院，河南 洛陽 471023;2.南京理工大學能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

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爆轟驅動變截面異形桿靜態拋撒實驗研究*

寧惠君1,王 浩2,王政偉2,張 成2，阮文俊2

(1.河南科技大學土木工程學院，河南 洛陽 471023;2.南京理工大學能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

為提高防空戰斗部的毀傷后效，設計一種新型離散桿戰斗部—中心起爆式變截面異形桿戰斗部，并首次開展了爆轟驅動異形桿靜態拋撒實驗研究，獲得了桿條的初速度，分析了桿條的拋撒特性、飛行姿態及其對目標鋼板的侵徹效應。實驗結果表明，異形桿在爆轟驅動過程中飛行姿態發生改變，達到了預期設計效果，提高了對目標的侵徹能力。

爆炸力學；異形桿戰斗部；爆轟驅動；靜態拋撒

圖1 中心起爆式變截面異形桿戰斗部殺傷原理Fig.1 Profiled rod warhead lethality enhancer

提高毀傷后效是防空戰斗部研究的主要內容，而離散桿式戰斗部作為防空戰斗部的研究熱點之一，關于它的研究不斷創新。隨著戰術的需求，對于飛機、巡航導彈上某些防護厚度較大的要害部位往往需要更高的毀傷深度，這就對離散桿式戰斗部的結構設計提出了更高的要求。傳統離散桿戰斗部的桿條形狀多為圓柱形、方形，R.M.Lloyd等通過對桿條形狀的設計，基于傳統的柱形、方形離散桿，將桿條形狀設計為十字形、星形等，使得同等質量戰斗部空間內能夠裝填更多桿條殺傷元，提高戰斗部的殺傷效果[1-5]。基于已有研究工作，本文中提出一種中心起爆式變截面異形桿戰斗部，將桿條設計為非等截面直桿，形狀為長細比較大的圓臺形。它們緊密地排列在炸藥裝藥的周圍，當戰斗部裝藥爆炸后，驅動金屬桿條向外高速飛行，由于桿條結構的不對稱性，桿的兩端會產生較大的翻轉角速度，使得桿條在高速飛行中形成不同的角度毀傷目標，對目標形成切口。而爆轟作用結束后，異形桿在飛行過程中受到空氣阻力的影響，桿條在飛行一定距離范圍內，仍能在保持較高存速的同時以較好的侵徹角度，近似于正侵徹[6-7](當入射角小于15°，斜侵徹與正入射的性能基本相同)毀傷目標，保持對目標的侵徹能力，見圖1。

1 中心起爆式變截面異形桿戰斗部結構設計

中心起爆式變截面異形桿戰斗部結構如圖2所示,呈圓柱形，由炸藥、波形控制器、異形桿、尼龍環、殼體、中心管、蒙皮等組成。炸藥選用Octol，密度為1.78 g/cm3。裝藥形狀為腰鼓形，其作用在于當炸藥爆轟時，爆炸作用力不使桿嚴重彎曲和變形，而給予沿桿長各部分一個較均勻的速度。裝藥半徑為35 mm，長度為140 mm。外置波形控制器，其作用是將爆炸的球面波轉換為柱面波，合理的波形控制器設計使沿桿長的爆炸等強作用場減小爆轟壓力差，避免桿條在爆炸作用下斷裂。波形控制器為鋁質(2024鋁)，密度為2.78 g/cm3，最大厚度為5 mm，長度為140 mm。蒙皮為2024鋁，厚度為2 mm，長度均為140 mm。異形桿選用10號鋼，密度為7.83 g/cm3，單根桿質量為9.76 g，其結構如圖3所示，兩端面直徑分別為3、5 mm，長度為98 mm，長細比為24.5。如圖2所示，50根異形桿均勻排布在戰斗部圓周方向。由于異形桿為變截面桿，故在波形控制器外側設置尼龍環，并將尼龍環沿圓周方向開設50個半圓形缺口，固定桿的位置。主裝藥的起爆位置與裝藥形狀配合，以達到控制爆轟波形狀的目的，對于本文裝藥結構，起爆點應在戰斗部主裝藥的中間位置。實驗戰斗部具體裝配如圖4所示，實驗戰斗部數據如表1所示，表中me為炸藥質量，mt為炸藥和鋁內襯的總質量，mr為50根桿條的總質量，mw為戰斗部的總質量。

圖2 異形桿戰斗部結構示意圖Fig.2 Structure diagram of profiled rod warhead

表1 實驗戰斗部數據Table 1 Information for experimental rod warhead

圖3 變截面異形桿結構示意圖Fig.3 Structural representation of profiled rod with variable cross-section

圖4 實驗件的裝配Fig.4 Rod warhead assembly with section installation

2 爆轟驅動異形桿運動靜態拋撒實驗研究

2.1 實驗目的

爆轟驅動異形桿運動靜態拋撒實驗共進行了2發，目的在于驗證桿條飛行姿態與理論設計的飛行姿態是否一致，以及對鋼板的毀傷效應是否達到預期效果，為進一步優化戰斗部結構及實驗提供依據。

2.2 實驗描述及場地布置

圖5 靜爆場地平面布置圖Fig.5 General arrangement drawing of trinity site prior to warhead test

中心起爆后，炸藥驅動異形桿沿圓周方向飛散，參考文獻[8-10]，實驗場地布置可按圖5所示。首先，在預先安排好的位置放置長5.56 m、寬2 m、厚10 mm的鋼板。根據理論估算桿條飛行姿態，如圖1所示，桿條飛行0.5 m左右翻轉45°，飛行1 m左右翻轉90°，故在距離鋼板1 m處放置高度為1 m的靜爆實驗平臺，并在實驗平臺上放置實驗戰斗部，確保戰斗部的中心位于實驗平臺中心位置且戰斗部爆心到鋼板的距離d=1 m，具體布置如圖5所示。第1發實驗場地布置如圖6(a)所示，對準靜爆實驗平臺，分別在距離爆心2、3、4、5 m處布置2組測速靶A、B，并在A、B處距離爆心2～7 m處每隔0.5 m布置2組姿態靶，在距離爆心2～7 m處每隔1 m布置姿態靶C。第2發實驗場地布置如圖6(b)所示。將測速靶及姿態靶均向后移動1 m，即分別在距離爆心3、4、5、6 m處布置2組測速靶A、B，并在A、B處距離爆心3～8 m處每隔0.5 m布置2組姿態靶，在距離爆心3～8 m處布置姿態靶C。另外，為了進一步了解桿條對鋼板的毀傷效果，在第2發實驗中，在鋼板后面設置了帶有棉被的木板用來收集桿條。在場地布置時，務必保證戰斗部中心與測速網靶中心在一條水平線上，并保證測速網靶及姿態靶垂直于戰斗部中軸線，核定好靶距。高速攝像觀察口距離爆心20 m。

圖6 實驗場地布置照片Fig.6 General arrangement photos of trinity site

雷管中心起爆后，炸藥爆炸驅動異形桿沿圓周方向飛散，部分異形桿高速穿過3組錫箔測速靶、姿態靶，部分異形桿直接侵徹10 mm厚鋼板。采用錫箔紙靶測試桿條飛散速度，結果如表2所示。利用高速攝像機來觀測戰斗部爆炸驅動異形桿飛散形態。

戰斗部爆炸后，異形桿沿圓周方向飛散，爆轟產物的影響及桿條之間的相互碰撞等都可能導致測速出現誤差。例如測得的速度可能是爆轟產物碎片的速度，或者并不是同一根桿條的速度，又或者一組測速靶出現不同根桿的速度，這些往往會導致測試數據失真。所以確保測試數據有效對確定桿條飛散速度至關重要。對比第1發實驗的測速數據,發現得到A、C 2組速度變化情況趨于一致，為有效數據。桿的最大速度約1 400 m/s，在爆轟產物的推動下桿加速之后隨著桿的飛行距離增加，桿的速度有衰減趨勢，到5 m處桿的速度衰減到1 100～1 200 m/s。考慮到第1發實驗2 m處姿態靶完全被炸爛，第2發實驗時將測速靶及姿態靶均向后移動1 m。對比第2發測試數據可以看出，A、B 2組速度變化趨于一致，為有效數據。與第1發實驗桿條速度相比，第2發實驗桿條的最大速度有所下降,約1 184 m/s，這是由于第2發實驗中沒有安裝蒙皮，爆轟壓力有所下降。隨著飛行距離的增加，桿的速度有所衰減，到6 m處，桿的速度衰減到900 m/s左右。

表2 實驗測試異形桿飛行速度Table 2 Measured flight velocities of profiled rods

2.3 實驗現象及結果分析

2.3.1 異形桿對實驗鋼板的毀傷效應分析

圖7(a)、(b)為2發實驗后桿條對鋼板的毀傷效果圖，從圖中可以看出，桿條均勻地打在鋼板上，鋼板上整齊地出現圓形穿孔及長度約10 mm的條形桿狀痕跡。觀察距離爆心1 m處鋼板的毀傷效果，從圖7(b)、(c)、(d)又可清晰地看出從鋼板中間位置開始：鋼板右邊為圓形穿孔，其下方對應條形桿狀痕跡；左邊為圓形穿孔，其上方對應條形桿狀痕跡。這是因為桿條沿圓周方向飛散。桿條穿過鋼板的痕跡說明桿條在爆轟過程中按照預期設計高速翻轉運動，在飛至鋼板1 m處近似正侵徹鋼板，在侵徹鋼板中桿條發生斷裂，一部分穿透鋼板形成圓形穿孔，另一部分則拍在鋼板上形成條形痕跡。為進一步驗證桿條飛行姿態的變化，需要對桿條穿過姿態靶的飛行姿態進行分析。

圖7 桿條對實驗鋼板的毀傷效果Fig.7 Damage effect of aiming steel plates by profiled rods

2.3.2 異形桿對姿態靶的穿透姿態分析

圖8為爆轟作用結束后的實驗現場圖。從圖8可以看出，爆轟作用結束后，多數紙靶被打爛。找出有效姿態靶，即保存較完整的紙靶，并對照找出紙靶上桿條痕跡是否為同一根桿條穿透痕跡，如果為同一根桿條，則為有效姿態靶。2次實驗中紙靶上的桿條痕跡最長為65～70 mm，這是由于桿條在爆轟作用下發生彎曲。另外，從圖9中2發實驗姿態靶的痕跡也可以看出，異形桿在飛行過程中高速翻轉的同時還帶有側向旋轉。這可能是由于裝配過程中，桿并沒有完全平行于戰斗部中心軸線，造成一定的初始安裝角，導致桿發生了側向旋轉。圖10所示為實驗回收桿條。圖10(a)所示為第1發實驗結束后在目標鋼板附近收集的桿條，與實驗前桿條相比，變形后的桿條最大長度約為65 mm。圖10(b)為第2發實驗結束后在姿態靶附近收集到的桿條，圖中桿條明顯發生彎曲。這是由于桿條穿過姿態靶后,最終撞到靜爆場外圍混凝土墻壁上造成的。這部分桿條最大長度接近70 mm。

圖8 爆轟作用后實驗現場紙靶照片Fig.8 Photo of paper targets in trinity site after detontation

圖9 有效紙靶展示的異形桿飛行姿態Fig.9 Valid paper targets showing rod flight attitude in tests

圖10 實驗回收桿條Fig.10 Deformed rods recoved after detonation

2.3.3 實驗結果分析

(1)異形桿在爆炸作用中桿條結構基本保持完整，戰斗部裝藥結構設計合理。(2)由于異形桿形狀的改變，桿條在爆炸過程中飛行姿態發生了改變，通過鋼板的毀傷效應可以看出，桿條在1 m左右近似正侵徹目標鋼板，提高了戰斗部的侵徹能力，達到了預期設計目標。(3)由鋼板毀傷效應分析可知，桿條在侵徹鋼板過程中發生斷裂，為此，下一步需要在此基礎上對桿條形狀進行優化設計，以保證桿條在侵徹過程中不發生斷裂，提高戰斗部的殺傷效果。

3 結 論

(1)提出了一種新型離散桿戰斗部—中心起爆式變截面異形桿戰斗部，將桿條設計為變截面圓臺形直桿，使得桿條的飛行姿態發生變化。在爆轟作用初期，由于桿條結構的不對稱性，桿的兩端會產生較大的翻轉角速度，使桿條在高速飛行中形成不同的角度毀傷目標，對目標形成切口。而爆轟作用結束后，異形桿在飛行過程中受到空氣阻力的影響，在飛行一定距離范圍內仍能夠在保持較高存速的同時以較好的侵徹角度(近似于正侵徹)毀傷目標，保持對目標的侵徹能力。(2)首次將異形桿戰斗部設計應用于工程實驗，開展了爆轟驅動異形桿靜態拋撒實驗。分析實驗現象，得到了桿條的初速度、拋撒特性、飛行姿態及其對鋼板的侵徹效應。實驗結果表明,戰斗部裝藥結構設計合理，異形桿在爆轟驅動下飛行姿態發生了改變，近似正侵徹目標鋼板，提高了戰斗部的侵徹能力，達到了預期設計目標。(3)本文的實驗成果可為異形桿的進一步理論及實驗研究提供參考以及對離散桿戰斗部的研究具有重要參考價值。

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(責任編輯 張凌云)

Experimental research on static dispersing of profiled rods driven by detonation

Ning Hui-jun1, Wang Hao2, Wang Zheng-wei2, Zhang Cheng2, Ruan Wen-jun2

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471023,Henan,China; 2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China)

A new discrete rod warhead named profiled rod warhead was proposed to improve the damage aftereffect, and the experimental research on detonation-driven profiled rod dispersing was employed. The initial velocity of the rods were obtained. The dispersion characteristics and flight attitude of the rods and their damage effect to the aming steel plates were analyzed. The flight attitudes of the rods changed in the detonation-driven process. Experimental results show that the expected design effects were achieved.

mechanics of explosion; profiled rod warhead; detonation-driven; static dispersing

10.11883/1001-1455(2015)05-0723-06

2014-04-11；

2014-07-20

航天一院高校聯合基金項目(CALT201105)

寧惠君(1985— )，女，博士，講師,ninghui85@163.com。

O381 國標學科代碼： 13035

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