離散桿和沖擊波對超音速導彈復合毀傷研究*

姜穎資,王偉力,傅　磊,黃雪峰

(海軍航空工程學院,山東煙臺　264001)

離散桿和沖擊波對超音速導彈復合毀傷研究*

姜穎資,王偉力,傅磊,黃雪峰

(海軍航空工程學院,山東煙臺264001)

摘要:為研究離散桿和沖擊波復合作用下對超音速導彈的毀傷效應,對離散桿戰斗部沖擊起爆和結構毀傷超音速導彈進行了仿真研究,獲得了離散桿戰斗部沖擊起爆超音速導彈戰斗部的臨界距離以及彈目距離、交匯角對毀傷超音速導彈發動機艙的影響規律。結果表明:離散桿戰斗部只有在桿條與沖擊波的復合作用下,才可能引爆超音速導彈戰斗部;離散桿戰斗部桿條和沖擊波疊加作用下對超音速導彈發動機艙的結構毀傷效應明顯優于桿條獨立作用下的情況。

關鍵詞:離散桿戰斗部;沖擊波;超音速導彈;沖擊起爆;結構毀傷;復合毀傷效應

0引言

離散桿戰斗部是一種新興的防空反導戰斗部,按桿條飛散姿態是否可控,分為姿態可控和無控離散桿戰斗部。離散桿戰斗部殺傷單元相比破片戰斗部,質量大、切割目標能力強;相比連續桿戰斗部,桿條初速高、殺傷半徑大,近些年已成為戰斗部研制的熱點[1-4]。離散桿戰斗部主要依靠桿條所攜帶的動能毀傷來襲目標,當離散桿戰斗部距離目標一定距離內爆炸時,爆炸產生的沖擊波和爆轟產物的作用將不可忽略,此時,戰斗部在桿條和爆炸產生的沖擊波、爆轟產物的復合作用下毀傷目標,對目標毀傷模式同桿條單獨作用下有很大不同。

目前,速度更快、機動性和突防能力更強的超音速導彈正廣泛取代亞音速導彈;能否有效攔截、毀傷來襲超音速導彈,已成為制約甚至決定戰爭進程和結局的重要因素。

鑒于以上考慮,文中采用LS-DYNA軟件,研究一種新穎的雙束可控離散桿戰斗部桿條和沖擊波復合作用下對超音速導彈的毀傷效應。

1計算模型及物理參數

1.1　計算模型

雙束可控離散桿戰斗部,桿條外形為圓柱形,半徑為2.5 mm,長度為10 mm,每束桿條數量為72根,離散桿戰斗部桿條排列如圖1所示。

雙束可控離散桿戰斗部的兩束桿條,在向外飛散的同時分別向相反的方向自旋,當飛散到兩束桿條形成的“殺傷環”半徑約為1.5 m時,兩束桿條均旋轉了90°,形成了兩束準連續的圓環。兩束桿條形成的“殺傷環”半徑均約為0.75 m和1.5 m時,兩束桿條飛散情況分別如圖2和圖3所示。

圖1　桿條排列圖

圖2　約0.75 m時桿條飛散情況

圖3　約1.5 m時桿條飛散情況

離散桿戰斗部對超音速導彈主要可造成對戰斗部裝藥的沖擊起爆以及對導彈蒙皮和殼體撕裂、凹陷等結構毀傷。文中以超音速導彈戰斗部和發動機艙為毀傷目標,研究離散桿戰斗部桿條和沖擊波、爆轟產物復合作用下對超音速導彈的毀傷效應。真實超音速導彈結構十分復雜,研究毀傷效應一般對其進行簡化,建立等效靶模型。

建立的典型超音速導彈戰斗部和發動機艙等效靶分別如圖4和圖5所示。其中,戰斗部等效靶為圓柱形結構,由戰斗部殼體和主裝藥兩部分組成,戰斗部殼體外半徑為25 cm,厚度為10 mm;發動機艙等效靶為雙圓環結構,外圓環模擬導彈蒙皮,外半徑為25 cm,厚度為4 mm;內圓環模擬發動機殼體,外半徑為23.9 cm,厚度為2.5 mm。

圖4　戰斗部和發動機艙等效靶

采用ANSYS/LS-DYNA軟件的流固耦合算法,數值模擬離散桿戰斗部兩束桿條受爆轟驅動在空氣中飛散以及對超音速導彈戰斗部和發動機艙的毀傷效應。計算模型中離散桿戰斗部主裝藥、空氣使用歐拉單元;離散桿戰斗部殼體、桿條、前后端蓋和超音速導彈戰斗部殼體、導彈蒙皮、發動機殼體使用拉格朗日單元。在空氣域邊界處施加透射邊界,計算單位采用cm-g-μs。

1.2　物理參數

離散桿戰斗部主裝藥為PBX9404炸藥,采用High-explosive-burn模型和JWL狀態方程描述[5]:

(1)

式中:P為爆轟壓力;V是相對體積;E是炸藥單位體積內能;ω、A、B、R1、R2為材料常數。各參數如表1所示[6]。

表1　PBX9404炸藥材料參數

離散桿桿條材料為10號鋼,彈體蒙皮材料為2A12鋁合金,戰斗部殼體和發動機殼體材料為4340鋼,材料模型均采用Johnson-Cook模型。各材料主要參數如表2所示[7-8]。

戰斗部主裝藥為B炸藥,其狀態方程采用Lee-Tarver點火增長方程。反應率方程形式為:

(2)

式中:F為反應分數;t為時間;ρ0為初始密度;ρ為當前密度;p為壓力;I、G1、G2、b、x、a、c、d、y、e、g和z都是常數。B炸藥Lee-Tarver點火增長參數如表3所示[9-10]。

表3　B炸藥點火增長參數

2計算結果及分析

2.1　沖擊起爆計算結果及分析

離散桿戰斗部桿條和沖擊波都可對導彈目標造成毀傷。桿條對導彈目標的毀傷主要表現為對導彈殼體結構的“切割”破壞,沖擊波對導彈目標的毀傷主要體現于對導彈殼體結構的擠壓、變形破壞。當離散桿戰斗部距離導彈目標較近爆炸時,對導彈目標造成的毀傷,不是桿條和沖擊波分別對導彈目標造成的毀傷的簡單相加,而是存在疊加毀傷效應。此時,桿條和沖擊波復合作用下對導彈目標的毀傷模式、毀傷效果,明顯有別于兩種毀傷元單獨作用下對導彈目標的毀傷效應。

文中按離散桿戰斗部與超音速導彈彈目交匯角0°、30°、60°,計算離散桿戰斗部沖擊起爆超音速導彈戰斗部的臨界距離。彈目交匯時,離散桿戰斗部運動速度為800 m/s,來襲超音速導彈速度為700 m/s。通過數值模擬計算,0°、30°、60°時,離散桿戰斗部沖擊起爆超音速導彈戰斗部的臨界距離分別為30 cm、37 cm、42 cm(超音速導彈戰斗部表面距離離散桿戰斗部爆心垂直距離)。0°、30°、60°時,離散桿戰斗部臨界沖擊起爆超音速導彈戰斗部的工況,離散桿與超音速導彈戰斗部初始相對位置以及超音速導彈被沖擊起爆后壓力云圖,分別如圖5~圖7所示。

圖5　交匯角0°時,炸藥沖擊起爆后壓力云圖

圖6　交匯角30°時,炸藥沖擊起爆后壓力云圖

圖7　交匯角60°時,炸藥沖擊起爆后壓力云圖

從圖5~圖7可以看出,離散桿戰斗部沖擊起爆超音速導彈戰斗部,是由沖擊波、爆轟產物和桿條的復合作用實現的。離散桿戰斗部爆炸后,桿條在沖擊波和爆轟產物的推動下高速向外飛散,由于沖擊波的初速遠大于桿條的飛散速度,當離散桿戰斗部距離超音速導彈戰斗部較近時,沖擊波先一步到達超音速導彈戰斗部,造成戰斗部殼體局部凹陷,凹陷處殼體對裝藥產生擠壓破壞作用;而后,桿條和爆轟產物幾乎同時到達戰斗部殼體表面,此時殼體凹陷處,在桿條和爆轟產物的切割和擠壓下,殼體發生嚴重的撕裂、破壞,桿條和爆轟產物在撕裂殼體后繼續切割、擠壓裝藥,當造成戰斗部裝藥內最大壓力超過B炸藥臨界起爆壓力5.63 GPa時,戰斗部裝藥內部壓力迅速升高,直至形成穩定爆轟。

從各彈目交匯角下,離散桿戰斗部沖擊起爆超音速導彈戰斗部的臨界距離來看,60°的工況最遠,這是由于彈目交匯角60°時,超音速導彈具有約693 m/s迎向離散桿戰斗部的運動速度。三種彈目交匯角下,對超音速導彈戰斗部最遠的臨界沖擊起爆距離僅為42 cm,說明離散桿戰斗部沖擊起爆導彈戰斗部的能力較弱,只有在近距離時桿條與沖擊波復合作用下才有可能沖擊起爆超音速導彈戰斗部。

2.2　結構毀傷計算結果及分析

離散桿桿條在空氣中飛行其速度不斷衰減,且桿條姿態、分布密度也時刻發生變化;沖擊波在空氣中衰減非常迅速,對不同距離處的目標的毀傷差異非常明顯;因此,離散桿戰斗部距離超音速導彈目標不同距離爆炸時對其毀傷效應存在差異。

文中按離散桿戰斗部與超音速導彈發動機艙兩者相距0.5 m、1 m、1.5 m、2 m(超音速導彈發動機艙表面距離離散桿戰斗部爆心垂直距離),彈目交匯角0°、30°、60°,研究桿條和沖擊波對超音速導彈發動機艙的復合毀傷效應。相距0.5 m和1.5 m,彈目交匯角0°、30°、60°時,超音速導彈發動機艙彈體蒙皮和發動機殼體毀傷效應應力云圖如圖8~圖13所示(每幅圖左圖為彈體蒙皮毀傷效應應力云圖,右圖為發動機殼體毀傷效應應力云圖);各工況下超音速導彈發動機艙彈體蒙皮和發動機殼體破壞情況如表4所示。

對比圖8~圖10與圖11~圖13可以看出,離散桿戰斗部與超音速導彈發動機艙相距0.5 m時,對超音速導彈發動機艙的毀傷效應明顯強于1.5 m時。0.5 m時,各彈目交匯工況,發動機艙彈體蒙皮和發動機殼體,都發生了大面積的破裂和變形;而1.5 m時,各彈目交匯工況,發動機艙彈體蒙皮被離散桿桿條切割出長條狀切口,切口長度和寬度明顯小于0.5 m時,發動機殼體局部凹陷,但均未破裂。

圖8　距離0.5 m,交匯角0°時,發動機艙毀傷應力云圖

圖9　距離0.5 m,交匯角30°時,發動機艙毀傷應力云圖

圖10　距離0.5 m,交匯角60°時,發動機艙毀傷應力云圖

圖11　距離1.5 m,交匯角0°時,發動機艙毀傷應力云圖

圖12　距離1.5 m,交匯角30°時,發動機艙毀傷應力云圖

圖13　距離1.5 m,交匯角60°時,發動機艙毀傷應力云圖

從表4計算結果可以看出,離散桿戰斗部與超音速導彈發動機艙距離相同的各工況對比:彈目交匯角0°的工況,發動機艙彈體蒙皮破裂長度最長,但破裂寬度最小;彈目交匯角60°的工況,發動機艙彈體蒙皮破裂長度最小,但破裂寬度最大,這是由于,彈目交匯角60°時,離散桿戰斗部與超音速導彈發動機艙平行于發動機艙橫軸方向相對速度最大。對發動機殼體的毀傷,離散桿戰斗部與超音速導彈發動機艙距離1.5 m、2 m的各工況,發動機殼體均未破裂;距離0.5 m、1 m的工況,相同距離的各工況對比,發動機殼體破裂長度和寬度均是彈目交匯角30°的工況最大,彈目交匯角0°的工況次之,彈目交匯角60°的工況最小。對比離散桿戰斗部相對超音速導彈發動機艙不同距離的各工況,可以發現,離散桿戰斗部對超音速導彈發動機艙彈體蒙皮和發動機殼體的毀傷隨著兩者相對距離的增大而迅速變小,毀傷效應由離散桿桿條和沖擊波的復合作用,逐漸變為桿條的獨立切割作用。

表4　發動機艙蒙皮和發動機殼體裂口長度和寬度

綜合上述分析結果,離散桿戰斗部對超音速導彈發動機艙結構破壞能力較強,特別是在近距離情況下,離散桿桿條和沖擊波的復合作用下,可造成超音速導彈發動機艙彈體蒙皮和發動機殼體大面積撕裂、變形,超音速導彈發動機將會完全喪失其功能。離散桿桿條和沖擊波的疊加毀傷能力,與離散桿戰斗部與目標的相對距離密切相關。離散桿戰斗部爆炸后產生的沖擊波峰值超壓為[11]:

(3)

從上式可以看出,沖擊波超壓與爆點距離的平方成反比,隨著爆點距離的增大,沖擊波的毀傷能力將迅速衰減。離散桿戰斗部與超音速導彈發動機艙相距一定距離以后,沖擊波的能量將可以忽略,離散桿戰斗部主要依靠桿條所攜帶的動能切割毀傷發動機艙,對發動機艙的毀傷效應明顯弱于沖擊波與桿條的復合毀傷效應。

3結論

通過數值模擬計算以及結果分析,可以得出如下結論:

1)離散桿戰斗部對超音速導彈的毀傷主要體現為結構毀傷,很難引爆超音速導彈戰斗部。只有在離散桿戰斗部與超音速導彈戰斗部相距很近時,沖擊波與離散桿戰斗部桿條的復合作用下,才有可能引爆超音速導彈戰斗部。

2)離散桿戰斗部對超音速導彈發動機艙的結構毀傷能力與兩者的相對距離密切相關,在沖擊波與離散桿桿條疊加效應明顯的距離內,毀傷效應明顯優于離散桿桿條獨立作用下的情況。在離散桿戰斗部與超音速導彈發動機艙距離相同時,是彈目交匯角30°的工況對超音速導彈發動機毀傷效果最佳。

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收稿日期:2014-12-27

作者簡介:姜穎資(1982-),男,山東威海人,博士研究生,研究方向:武器系統作戰效能與毀傷能力。

中圖分類號:TJ410.3

文獻標志碼:A

Research on Composite Damage Effect on Supersonic Missile by
Discrete Rod Warhead and Blast Wave

JIANG Yingzi,WANG Weili,FU Lei,HUANG Xuefeng

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Shandong Yantai 264001, China)

Abstract:To study the composite damage effect on supersonic missile under discrete rod and blast wave, numerical simulation studies about impact initiation and structural damage supersonic missile warhead by discrete rod warhead was conducted. Both the critical distance that discrete rod warhead impact initiating supersonic missile warhead and the rules that the relative distance and the intersection angle of the missile and the target damaged the engine cabin of supersonic anti-ship missile were obtained. The results show that only under co-action of bar and blast wave, the supersonic missile warhead can be detonated. The structural damage effect of the discrete rod warhead on the engine cabin of the supersonic missile by co-action of bar and blast wave is much better than action of bar only.

Keywords:discrete rod warhead; blast wave; supersonic missile; impact initiation; engine cabin; composite damage effect