含偏心起爆對EFP戰斗部飛行特性的影響*

劉 健 峰,龍 源,紀 沖,趙 長 嘯,姜 楠

(1.解 放軍理工大 學野戰工程 學院,江蘇 南 京 210007; 2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京100081; 3.武漢軍械士官學校,湖北 武漢430075)

含偏心起爆對EFP戰斗部飛行特性的影響*

劉 健 峰1,2,龍 源1,2,紀 沖1,2,趙 長 嘯3,姜 楠1

(1.解 放軍理工大 學野戰工程 學院,江蘇 南 京 210007; 2.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京100081; 3.武漢軍械士官學校,湖北 武漢430075)

為研究起爆不對稱性對EFP戰斗部飛行特性的影響,對不同偏心量下?60 mm 弧錐結合罩 EFP戰斗部進行飛行彈道實驗。實驗結果表明:偏心起爆條件下,當相對偏心量小于3.3% 時,EFP在網靶穿孔接近圓形,彈丸飛行穩定;起爆相對偏心量達到6.7% 時,彈丸飛行過程中擺動幅值增大,降低了對目標的打擊精度和毀傷效果。利用 LS-DYNA及 CFX非線性動力學有限元程序對不同起爆偏心量下成型 EFP的空氣動力學特性進行數值模擬,描述了偏心起爆影響 EFP成型對稱性,改變彈丸在飛行過程中流場的分布特征,從而導致彈丸飛行過程中無規則運動的全過程。

爆炸力學;非對稱;空氣動力;外彈道;偏心起爆;尾翼彈丸

隨著近年來對新型反裝甲靈巧彈藥的研制,爆炸成 形彈丸(explosively formed projectiles,EFP)戰斗部受到越來越廣泛的重視和研究。目前正在開發或生產的靈巧彈藥多是基于EFP戰斗部的末敏彈。這種EFP戰斗部的終點彈道能力要求達到1000倍裝藥口徑炸距以上仍可有效打擊裝甲目標的頂甲或側甲。在實施遠距離攻擊時,為保證彈丸經過一個較長的空氣彈道階段后仍能以足夠小的攻角準確毀傷目標,要求該類戰斗部能夠成型具有良好空氣動力學特性的EFP。由于EFP是作戰實時起爆成型,其部件制造和裝配過程中的不對稱性以及偏心起爆的位置偏置都會對EFP成型造成影響,使實際成型的彈丸總是或多或少存在不對稱性。這些不對稱性將直接影響EFP外彈道飛行穩定性及著靶精度等:曹兵等[1]通過實驗研究了偏心起爆 對 EFP 成型的影 響,得到了起爆偏 心 量 與 EFP 頭 部 橫 向 剩 余速 度之間的關系;K.Jach 等[2]通過 數值編 碼 對 藥 型 罩 施 加 偏 心 載 荷,獲 得 尾 翼 偏 置 的 EFP;D.J.Brandeis等[3]通 過 結 構 設 計 研 究 了 各 種 不 對 稱 形 狀 對 爆 炸 成 形 彈 丸 空 氣 動 力 性 能 的 影 響 ;C.Berner等[4]研 究 了尾裙高度、數量及其非對稱性對EFP空氣動力特性及飛行性能的影響,并且用參數表示了在翻轉運動緩慢時非對稱性外形結構的的優點;P.Rouge等[5]通過實驗和數值計算研 究了 裝 藥 端面中心點起 爆 以及偏心起爆條件下爆轟產物以及成型彈丸內部壓力、速度及變形分布特點。但是,對于由偏心起爆引起EFP外形不對稱而對彈丸在飛行彈道(從EFP飛行到命中目標這段距離)運動規律及終點彈道散布水平的影響,尚未見有系統的研究。

本文中基于60 mm 弧錐結合罩EFP裝藥,通過EFP飛行彈道實驗研究不同偏心起爆方式下成型EFP外彈道運動規律特性及終點毀傷效應,利用數值模擬分析不同起爆偏心量下成型EFP的空氣動力學特性,研究結果為EFP戰斗部起爆參數設置提供有益參考。

1 實驗設計

EFP戰斗部以自行優化設計的?60 mm 變壁厚弧錐結合型紫銅罩戰斗部為基礎,藥型罩口徑為56 mm,曲率半徑為46 mm,罩頂部壁厚為3.5 mm。裝藥為圓柱形裝藥,裝藥高度為60 mm,戰斗部裝藥結構如圖1所示。

實驗中采用相同裝藥結構的EFP戰斗部:無偏心量時,采用裝藥端面中心點起爆方式,起爆點為圖2所 示 起 爆 點1;偏 心 起 爆 時,在 距 離 裝 藥 端 面 中 心 點2、4 mm 處 分 別 設 置 偏 心 起 爆 點2和3,起 爆 點 分別為圖2所示起爆點2和3。采用偏心量δ與裝藥直徑d的量綱一比值K表示偏心量相對于裝藥直徑的 大 小,即,則3種 偏 心 起 爆 方 案 的 相 對 偏 心 量 分 別 為0、3.3%和6.7%,圖2即 為 3 種不同相對起爆偏心量的設計方案示意圖。

圖1 ?60 mm EFP戰斗部實驗照片圖Fig.1 Experimental picture of?60 mm EFP warhead

圖2不同偏心量設計方案Fig.2 The design of different initiation eccentricity

圖3 所示為偏心起爆條件下 EFP飛行彈道實驗現場布置:EFP戰斗部水平設置,距離地面1.5 m,沿EFP飛行彈道15 m 處開始,按照5 m 間隔共設置15塊網靶,用來捕捉EFP飛行過程中彈形和飛行姿態變化。在離戰斗部15 m 處和85 m 處分別設置2組鋁箔靶測定 EFP飛行中的速度及速度降。距戰斗部中心96 m 處設置1 m×1 m×25 mm 的45鋼方形靶,從而獲得偏心起爆對EFP的立靶密集度以及侵徹威力的影響。實驗之前將戰斗部置于特制的木支架上,利用瞄準儀瞄準目標、水平測量儀調整靶板姿態,保證戰斗部中心、網靶中心和鋼靶中心處在同一水平面上。

圖3 EFP戰斗部偏心起爆飛行彈道實驗布置示意圖Fig.3 Setup of EFP flight trajectory experiment

2 偏心起爆影響EFP飛行特性和彈道散布實驗

EFP飛行彈道實驗中預先在網靶上豎直做一條直線,設置網靶時用鉛垂線校正將其作為處理EFP飛行姿態的基準,每發彈丸連續穿過15個網靶。彈丸穿過網靶時,部分網靶破裂,未統計破裂靶紙信息。實驗中無偏心時,回收有效靶紙12張;偏心量為3.3%時回收到有效靶紙12張;起爆相對偏心量為6.7%時回收到有效靶紙13張。圖4所示為3發 EFP在飛行彈道不同距離上部分網靶穿孔照片。

由圖4可以看出網靶較好的記錄了EFP飛行過程中姿態的變化情況。實驗表明,無偏心量時,彈丸在網靶上的穿孔幾乎接近圓形,說明彈丸運行穩定;當相對偏心量為3.3%時,彈丸開始有小幅度波動變化,但是很快彈丸的運動就趨向于穩定,網靶穿孔逐漸接近圓形;當相對偏心量為6.7%時,彈丸在網靶上留下的穿孔接近EFP縱向截面形狀,扭曲變形的尾翼在網靶上得到了體現,說明成型 EFP不具有對稱性,彈丸在飛行過程中發生劇烈運動,外彈道運行穩定性較差。從 EFP穿孔形狀還可以發現EFP彈軸不僅與網靶法線之間的夾角θ(攻角)改變,而且靶紙上彈孔長軸與鉛垂線之間夾角γ(擺動角)也不斷發生變化。由此可以判斷EFP在飛行過程中姿態變化很復雜,在攻角變化的同時還以彈道方向為軸發生擺動。

圖4 實驗所得EFP在飛行彈道不同距離上網靶穿孔照片Fig.4 Experimental net target perforation photo of EFP at different distances on flight trajectory

EFP在網靶上穿孔的形狀由EFP的形狀和著靶姿態決定,豎直布置的網靶可以捕捉 EFP的外形和運動特點。通過網靶上的穿孔形狀,尺寸及穿孔分布可以測定EFP飛行過程中運動學參數的變化情況[6]。圖5~6所示為 EFP飛行攻角和擺動角隨飛行 距 離 變化曲線圖,圖中設 彈 丸 頭部穿孔向上 攻 角為正,彈丸頭部穿孔向下攻角為負,彈軸偏向鉛垂線左側擺動角為正,彈軸偏向鉛垂線右側擺動角為負。

圖5 攻角隨EFP飛行距離變化曲線Fig.5 Attack angle varied with different distance on flight trajectory

圖6 擺動角隨EFP飛行距離變化曲線Fig.6 Swinging angle varied with different distance on flight trajectory

從圖5~6中可以看出,EFP飛行過程中必然伴隨著攻角和擺動角的變化,EFP在網靶上穿孔是彈丸在該網靶處攻角和擺動角的合成角度。完整EFP在飛行過程中攻角呈現非線性周期擺動,擺動幅度隨彈丸運行距離增加有明顯減小的趨勢。當炸高大于50 m 后,相對偏心量小于3.3%時彈丸攻角基本保持在10°以內,彈丸飛行穩定,即 EFP 進入攻角小幅波動的穩定飛行階段;相對偏心量為6.7%時, EFP的攻角和擺動角擺動幅值較大而且擺動收斂速度較小,彈丸在空氣中發生非周期性擺動。彈丸運行周期保持在10-2s量級。

EFP偏心起爆的彈道實驗中,3種偏心起爆成型的EFP均有效擊穿距戰斗部中心96 m 處厚25 mm的方形45鋼靶。圖7所示為以瞄準靶心為原點建立坐標系,3發EFP分別在鋼靶上穿孔位置分布。從圖7中可以看出0偏心量時,由于重力,風速等自然因素導致彈著點偏離靶 心,EFP 飛 行96 m時 偏 離 靶 心 的 絕 對 距 離 為0.08 m。隨著相對偏心量的增大,彈著點偏離靶心的位置逐漸增大,相對偏心量達到6.7%時彈丸偏離靶心的絕對距離為0.44 m,EFP著靶精度明顯降低。3發彈丸擊穿鋼靶后在靶板上留下的穿孔都接近圓形。彈體穿過鋼靶時,對靶板造成沖塞式破壞,從靶板坑壁可明顯觀察到紫銅材質EFP擠鑿靶板留下的痕跡,在靶板背面還觀察到由于層裂引起靶板背面破片崩落產生的環形區域。

圖7 鋼靶上彈丸穿孔分布圖Fig.7 Perforation distributions of 45 steel target

3 偏心起爆對EFP成型及飛行特性的數值計算

為從理論上更深刻認識偏心起爆對 EFP飛行特性及終點彈道散布的影響,采用 ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對前述實驗中偏心起爆條件下EFP成型過程進行數值模擬,并通過計算流體力學軟件CFX對成型EFP的外流場特性進行數值模擬分析。

3.1 偏心起爆對EFP成型特性的影響

利用Lagrange網格對 EFP戰斗部計算模型進行劃分。為提高分析效率,在文中取1/2物理模型進行數值計算,三維有限元計算模型如圖8所示。

藥型罩材料為紫銅,其本構方程選用Johnson-Cook模型,狀態方程 為 Mie-Grüneisen方程;主裝藥為8701炸藥,炸藥本構關系的描述選用 HIGHEXPLOSIVE BURN 形式,狀態方程選用JWL 狀態方程;計算中添加*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY關鍵字定義炸藥和金屬罩之間接觸算法,藥型罩內部采用自動面面接觸,從而可以有效地避免網格之間發生穿透、畸形。計算模型參數取自參考文獻[7]。

圖9所示為不同相對偏心量下 EFP成型特點。0偏心起爆時,當炸藥起爆200μs后,EFP外形基本穩定,彈丸的飛行速度維持在1 500 m/s左右。偏心起爆時,爆轟波形相對于裝藥軸線產生偏斜,作用于藥型罩后造成藥型罩的不對稱壓垮。隨著偏心量增大,彈丸頭部和尾翼分別向相反的方向發生偏轉:頭部對稱軸發生逆時針方向偏轉,偏轉角度對偏心量變化不敏感;尾翼對稱軸發生順時針方向偏轉,偏心量對尾翼對稱軸偏轉的影響程度較大。相對偏心量控制在1.7%以內時,彈丸外形基本不發生變化。相對偏心量超過3.3%時,彈丸頭部和尾翼的相對偏轉角增大速率明顯加快。

炸藥起爆后,由于偏心量存在,彈丸獲得一個垂直于彈軸的橫向速度,運動方向沿偏心起爆點指向裝藥中心。隨著偏心量增加,彈丸的橫向速度效應越來越明顯。圖10所示為不同相對偏心量下彈丸橫向速度的變化情況。當相對偏心量小于3.3%時,彈丸橫向速度隨偏心量變化程度較小,當相對偏心量為3.3%時,彈丸獲得橫向速度僅為6.1 m/s;相 對 偏 心 量超 過 5% 時 彈丸 的 橫 向 速 度 增加 速 率 明顯 加快,當相對偏心量達到6.7%時,彈丸的橫向速度達到17.3 m/s,經過百米 量級中間彈道飛行后彈 丸 的射偏量增大,命中目標的準確性概率降低,這與實驗中3種偏心起爆條件下 EFP命中96 m 處45#鋼靶的規律特點吻合較好。

圖8 1/2有限元計算模型Fig.8 The 1/2 structure of the finite-element model

圖9 不同相對起爆偏心量影響EFP成型Fig.9 Influence of different relative initiation eccentricity on EFP forming

圖10 不同相對偏心量對彈丸橫向速度效應的影響Fig.10 Influence of different relative initiation eccentricity on EFP lateral velocity

3.2 偏心起爆對EFP空氣動力特性影響

為進一步研究偏心起爆條件下成型EFP的空氣動力學特性,將在LS-DYNA 中成型的 EFP通過計算流體力學軟件CFX對彈丸外流場特性進行數值模擬。數 值 計 算 基 本 方 程 為 三 維 Navier-Stokes方程,湍流模型采用SST模型,采用“雙時間步”的二階隱式格式求解非定常過程。氣動力計算條件為標準狀態,即大氣密度為ρ=1.25 kg/m3,大氣壓力為101 325 Pa,大 氣 溫 度 288.15 K,此 時 聲 速 為340.29 m/s。以 EFP 穩 定 成 型 的 外 形[8]及 氣 動 參數作為氣動力學參數分析的初始條件。表1為氣動力初始計算狀態及基本參數,表中S為最大迎風面積,L為EFP長度。

表1 不同工況氣動力初始計算狀態及基本參數Table 1 The initial calculation state and basic parameters of different aerodynamic conditions

圖11所示為利用計算流體力學軟件CFX得到不同起爆偏心量下EFP飛行彈道流場分布情況。由數值計算結果可以看出EFP在空氣中超音速飛行,將會在彈丸頭部產生弓形脫體正激波。此時彈丸頭部區域壓力相當高,造成彈體阻力增大,速度衰減加快?；″F結合形藥型罩經過爆炸成型后形成前折式尾翼對流經彈體表面氣流起到進一步的阻礙作用,在尾翼前端形成了氣體的滯止回流區。隨著偏心量的增大,EFP頭部和尾翼相對扭曲程度增大,彈丸飛行過程中所受氣動阻力增加,EFP速度降迅速增大,彈丸的終點毀傷能力下降。

圖11 偏心起爆獲得EFP的飛行彈道流場分布Fig.11 The distribution of EFP flow field on flight trajectory

從彈丸尾翼流場分布情況可以看出,隨著偏心量增大,彈丸尾翼不對稱性增加:尾翼附近,氣體發生不對稱的分離流動,周圍流場分布特點由對稱性逐漸發生畸變,彈體壓心向彈體前部偏移;彈丸上下表面的壓強差增大,產生法向力,在彈體上形成一垂直彈軸的力矩,使彈丸在一定攻角范圍內做無規則的俯仰運動更加劇烈,增加了彈體本身的不穩定性,不利于彈體飛行。彈體尾部由于激波和回流區相互干擾以及尾翼結構的不對稱性使彈尾流場分布不規則。當偏心量逐漸增大時,彈體尾翼流場分布逐漸由圓形向倒三角形變化,流場分布失去對稱性,彈丸運動不穩定性增加。

尾翼彈丸在空氣中運動的穩定性可以用彈丸抵抗外界干擾以保持自身飛行穩定的穩定儲備量來衡量。為了定量的認識偏心起爆對EFP飛行穩定性的影響,引入穩定儲備量B來表征不同相對偏心起爆量條件下,EFP在中間彈道飛行階段的穩定性。穩定儲備量B是指彈丸阻力中心與質心位置的相對距離,即

對于尾翼彈丸,要保證其能夠在空氣中良好的穩定飛行,其穩定 儲備量B必須滿足:B>15%[9]。

圖12所示為不同偏心量條件下成型EFP的穩定儲備量,從圖中可以看出0偏心量的彈丸具有相當高的的穩定儲備量,為30.29%;當相對偏心量小于5%時,彈丸的穩定儲備量保持在20%以上,彈丸飛行過程中所受的穩定力矩大于翻轉力矩,即彈丸在飛行過程中抵抗外界干擾能力較強,能夠穩定保持自身飛行穩定。當相對偏心量達到6.7%時,彈丸穩定儲量僅為13.71%,彈丸飛行過程中的質心和壓心距離較小,飛行過程中抵抗外界干擾能力迅速降低,彈丸飛行過程中易受外界條件干擾而發生大幅度擺動甚至翻轉。EFP在飛行過程中的攻角和擺動角擺動幅值較大而且擺動收斂速度較小,彈丸攻角長久偏離平衡位置,速度降增大。

圖12 不同相對偏心量的彈丸的穩定儲備量Fig.12 The stabilization storage of projectile with different relative initiation eccentricity

綜上所述,一方面偏心起爆使EFP獲得垂直于彈軸的橫向速度,影響彈道射偏量的大小,降低了對目標的打擊精度;另一方面偏心起爆通過影響EFP對稱成型,改變彈丸在飛行過程中流場對稱性,使彈丸在飛行過程中的不穩定性增加,彈丸速度降增大,減弱了EFP對終點目標的毀傷效果。

4 結 論

本文中利用數值模擬分析不同起爆偏心量下成型EFP的空氣動力學特性,得出如下結論:

(1)偏心起爆時,爆轟波對藥型罩的不對稱壓垮導致 EFP頭部和尾翼對稱軸線相對偏斜,彈丸獲得垂直于彈軸的橫向速度。隨著偏心量的增大,EFP橫向速度效應明顯,彈道射偏量增大,降低了對目標的打擊精度。

(2)EFP飛行彈道實驗和數值計算結果表明:相對偏心量小于3.3%時,EFP 在網靶穿孔接近圓形,說明彈丸在此偏心量內產生的不對稱變形對 EFP飛行穩定基本不發生影響;相對偏心量位于3.3%~ 6.7%時,彈丸不對稱變形 程度增大,彈體周圍流場 分布逐漸失去對稱性,當相對偏心量達到 6.7% 時, EFP在一路網靶上留下的穿孔接近彈丸縱向截面形狀,說明彈丸在飛行過程中發生較大幅值的擺動,彈丸速度衰減增大,降低了 EFP對目標的終點毀傷能力。因此,EFP起爆的相對偏心量應當控制在3.3%以內。

(3)利用偏心起爆條件下成型 EFP的空氣動力學數值計算結果和飛行彈道試驗結果有效分析了偏心起爆對EFP飛行彈道穩定性的影響,為評價EFP飛行彈道的穩定性提供了一種簡單有效的方法,研究結果為EFP戰斗部起爆參數設置以及對目標的精確打擊提供有益參考。

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Effect of eccentric initiation on the flight characteristics and ballistic dispersion of EFP

Liu Jian-feng1,2,Long Yuan1,2,Ji Chong1,2,Zhao Chang-xiao3,Jiang Nan1
(1.College of Filed Engineering,PLA University of Science and Technology, Nanjing 210094,Jiangsu,China; 2.State key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081,China; 3.Wuhan Ordnance NCO Academy of PLA,Wuhan 430075,Hubei,China)

Flight trajectory experiments were conducted with?60 mm diameter EFP warhead in order to investigate the effect of eccentric initiation on the flight characteristics of EFP.The results indicate that the projectile flight stability with perforations nearly circular in the net target when eccentricity is less than 2 mm.The accuracy of strike is lower and terminal effects are less harmful because the projectile overturns during the flight,with the eccentric value of 4 mm.The forming of EFP and its flight characteristics with different eccentricity was numerically analyzed by using LS-DYNA and CFX.EFP is asymmetrical under the conditions of the eccentric initiation.It changes the symmetry of the flow field which leads to instability during flight.The research results provide a reference to detonation parameter of EFP warhead.

mechanics of explosion;asymmetrical;aerodynamic;exterior trajectory;eccentric initiation;projectile with stabilizing fins

O383;TJ410.33國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455-(2015)03-0335-08

(責任編輯 王易難)

2013-10-29;

2014-05-20

北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室開放基金項目(KFJJ10-2 M)

劉健 峰(1988— ),男,博士研 究生,18260098162@163.com。