殺爆戰斗部爆破威力試驗影響因素分析*

王 林，高秀娟，李曉輝，王傳有

(中國白城兵器試驗中心，吉林白城 137000)

0 引言

戰斗部在土中的爆炸作用是終點效應研究的重要內容之一，其中地下爆破產生的爆坑是重要的爆炸后效形式。通過對最終爆坑體積大小的對比，可以對比分析戰斗部的威力和裝藥性能。文中主要從影響爆坑體積的因素出發，分析戰斗部裝藥質量、戰斗部埋入深度、殼體材料等對爆坑體積的影響，從而確定最佳爆坑深度，用以評定戰斗部的土中爆破威力。

1 拋擲爆破理論基礎

當戰斗部埋入深度較小時，炸藥爆炸能量超過戰斗部上方土石介質的阻力，土石將被拋擲，并在爆炸中心與地面之間形成一個拋擲漏斗坑。如圖1所示為拋擲漏斗坑示意圖。

圖1 拋擲漏斗坑示意圖

試驗表明，拋擲系數n=r/h小于2時，土塊回落情況增加［1］。根據拋擲系數的大小，爆破分為以下幾種情況:

n＞1為加強拋擲爆破，漏斗坑頂角大于90°;n=1為標準拋擲爆破，漏斗頂角為90°;0.75＜n＜1為減弱拋擲爆破，漏斗頂角小于90°;n＜0.75為松動爆破，無土塊拋擲現象，對戰斗部來說為盲炸。統計近年來靶場幾種典型彈藥爆坑試驗結果數據，如表1所示。

表1 典型彈藥的爆破威力試驗結果

從表1可以看出，在靶場進行爆坑試驗的爆破情況均為加強型拋擲爆破，所以進行戰斗部爆坑試驗時，需確定其埋深。對于帶有延期引信、侵徹功能的火箭彈戰斗部，更應有最佳爆炸深度。

2 拋擲爆破試驗及影響因素分析

2.1 試驗方法

目前戰斗部的爆坑試驗，執行的標準主要有《GJB4225榴彈定型試驗規程》和《GJB3197炮彈試驗方法》。軍標要求戰斗部彈頭向下，埋入深度可根據戰斗部作戰特點進行計算［2-3］。

2.2 存在問題

按照《GJB3197炮彈試驗方法》，戰斗部埋入深度h公式為:

式中:m戰斗部裝藥質量(kg);K為取決于土壤的拋擲系數，如表2所示［2］;Qs為被試戰斗部爆熱(kJ/kg);Qt為TNT爆熱，約為4 187 kJ/kg;L為戰斗部質心到埋入坑底的深度(m)。

表2 常見土壤的拋擲系數

按照式(1)進行深度計算，沒有考慮戰斗部的殼體材料影響。爆炸可能出現松動爆破情況。

3.3 爆破威力影響因素分析

試驗表明，影響戰斗部爆破威力的因素主要有戰斗部裝藥質量、土壤性質、埋入深度、殼體材料等因素。式(2)為戰斗部裝藥能量與埋深的工程公式［4］。

式中:ω為換算成TNT的戰斗部裝藥質量(kg);K為土質拋擲系數;h為埋深(m);n為拋擲系數，n=r/h。

式(2)適用于裝藥長度與直徑比小于4時，當大于4時，應乘以系數φ:

2.3.1 戰斗部裝藥質量對爆坑大小的影響

根據式(2)，當戰斗部埋深一定時，拋擲爆破開坑大小與裝藥質量的關系如圖2所示，隨著裝藥量的增大，開坑大小隨之增大。

圖2 戰斗部裝藥質量與拋擲系數關系曲線

2.3.2 埋入深度對爆坑大小的影響

根據式(2)，當戰斗部裝藥質量、爆坑開口直徑一定時，戰斗部埋入深度對裝藥質量的影響如圖3所示，即戰斗部埋入土中越深，形成拋擲爆破所需的戰斗部裝藥質量越大。

圖3 戰斗部埋深與拋擲系數關系曲線

2.3.3 戰斗部殼體對爆坑大小的影響

戰斗部爆炸后，主要靠沖擊波作用對土壤進行壓縮，而殼體的破裂、飛散要消耗能量，所以必須要將帶殼體裝藥換算成裸裝藥。式(5)為薩道夫斯基公式，式(6)為帶殼體柱形戰斗部裝藥換算成裸裝TNT質量公式［5］。

式中:ΔPm為沖擊波超壓(Pa);MT為TNT裸裝藥質量(kg);r為測量點到爆心的距離(m);Mw為帶殼全彈質量(kg);M為殼體質量(kg)。

如某型殺爆戰斗部，裝藥為7.5 kg梯黑鋁炸藥，不考慮殼體影響，換算成TNT質量為12.75 kg，考慮殼體影響，換算成TNT質量為8.83 kg。如果按照式(1)或者式(2)進行爆坑深度計算，則存在不同的深度值。

3.4 最佳爆破深度

根據以上分析，影響戰斗部爆破威力結果的影響因素主要有戰斗部裝藥質量、戰斗部埋入深度、殼體材料等，但對于不同裝藥戰斗部，存在一個最佳爆炸深度，在此深度下，爆坑體積將最大。式(7)為戰斗部爆破時的最佳爆深工程公式［6］:

式中:h為戰斗部埋深(m);ω為戰斗部裝藥TNT質量(kg)。

最佳爆深與裝藥質量關系如圖4所示。

圖4 不同裝藥質量與最佳爆深關系圖

3 仿真計算與試驗驗證

3.1 基于ANSYS/LS-DYNA的仿真驗證

關于炸藥在土壤中的爆炸作用，國內外學者進行了相關試驗和模擬研究。結合以上分析，選用某型戰斗部進行戰斗部爆破威力仿真分析，主要仿真分析戰斗部殼體對爆破威力結果的影響。仿真模型中炸藥、土壤、空氣采用EULER六面體網絡，彈丸殼體采用單點積分的Lagrange六面體網絡。采用流-固耦合方式求解單元之間的相互作用，仿真模型示意圖如圖5所示。

圖5 不帶殼體與帶殼體仿真模型圖

炸藥采用High-Explosive-Burn材料模型和JWL狀態方程進行描述;殼體采用Johnsio-Cook材料模型和Gruneisen狀態方程;土壤采用 MAT-SON-ANDFOAM材料模型。分別分析帶殼體戰斗部、不帶殼體戰斗部對土壤的壓力情況，土壤受最大壓力曲線如圖6、圖7所示。

圖6 考慮殼體影響的土壤最大壓力曲線圖

圖7 不考慮殼體影響的土壤最大壓力曲線

3.2 試驗驗證

從圖6、圖7仿真結果分析，不帶殼體的戰斗部對土壤的最大壓力顯然大于帶殼體裝藥戰斗部。如表3所示為某型火箭彈爆破威力試驗條件，即不考慮殼體材料影響和考慮殼體材料影響，分別進行TNT當量計算和理論埋深計算，圖8為爆炸后實際效果圖。從仿真及試驗結果可以得出，當戰斗部埋深較深時，會出現松動爆破現象，而不形成拋擲漏斗坑。所以爆破威力大小不僅取決于戰斗部的裝藥質量、戰斗部埋入深度，還要考慮戰斗部殼體對其影響。

表3 某型火箭彈埋深表

圖8 某型火箭彈爆破效果圖

4 結論

爆破威力試驗的爆坑容積不僅取決于土壤的性質、戰斗部埋入深度、戰斗部放置狀態等參數，還取決于戰斗部殼體材料。不同裝藥質量的戰斗部存在一個最佳拋擲深度，在此深度下，拋擲漏斗坑的體積將達到最大。在靶場進行爆破威力對比試驗時，應該明確以下幾點要求:

1)靶場的爆破威力試驗結果要求應為加強型拋擲漏斗;

2)靶場進行的戰斗部爆破威力試驗，應充分考慮戰斗部殼體對爆破威力結果的影響，將裝藥TNT當量進行適當換算;

3)如出現松動爆破等情況，可視為試驗數據無效;

4)在進行爆破威力對比試驗時，應將試驗條件設為一致，才能更加客觀有效的進行爆破威力對比試驗。

［1］北京工業學院一系.爆炸物理基礎［M］.北京:北京工業學院，1974.

［2］熊志平，等.GJB3197-98炮彈試驗方法［S］.1998.

［3］王益森.GJB4225-2001榴彈定型試驗規程［S］.2001.

［4］楊亞東，李向東，葉小軍，等.可變形定向戰斗部變形控制參數的匹配［J］.火炸藥學報，2012，35(3):61－65.

［5］張志鴻，周申生.防空導彈引信與戰斗部配合效率和戰斗部設計［M］.北京:中國宇航出版社，2006.

［6］穆朝民，任輝啟，辛凱，等.變埋深條件下土中爆炸成坑效應［J］.解放軍理工大學學報，2010，11(2):112－116.