滑塊式定向戰斗部增益研究

滑塊式定向戰斗部增益研究

李向東1,賈飛1,汪家祥2,甘小紅2

(1.南京理工大學 機械工程學院,南京 210094;2.安徽方圓機電股份有限公司,安徽 蚌埠 233010)

摘要:為提高戰斗部在目標方向上的破片密度,設計了一種新型滑塊式定向戰斗部。建立了該滑塊式定向戰斗部與普通偏心起爆定向戰斗部的有限元模型,運用數值模擬和靜爆試驗相結合的方法研究了該定向戰斗部的破片數目和速度增益。結果表明,該滑塊式定向戰斗部與相同質量和裝藥量的普通偏心起爆定向戰斗部相比,在定向方位90°角度范圍內破片數目增益38.8%,初速減小3%。

關鍵詞:爆炸力學;滑塊式定向戰斗部;偏心起爆定向戰斗部;破片數目;破片速度

收稿日期:2014-02-14

作者簡介:李向東(1969- ),男,教授,研究方向為目標毀傷及易損性。E-mail:lixiangd@mail.njust.edu.cn。

中圖分類號:TJ410.1文獻標識碼:A

ResearchonGainsofaSlidersAimedWarhead

LIXiang-dong1,JIA Fei1,WANG Jia-xiang2,GAN Xiao-hong2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,NUST,Nanjing210094,China;

2.AnhuiFangyuanMechanicalandElectricalCo.,Ltd,Bengbu233010,China)

Abstract:A sliders aimed-warhead was put forward based on the idea of controlling fragments distribution in the warhead.The finite element models of the sliders aimed-warhead and the ordinary eccentric detonation aimed-warhead were built.The static blasting experiment was combined with numerical simulation method,and the fragment number and the circumferential velocity of the aimed warhead in the range of orientation direction 90° were studied.The results show that the fragment number of sliders aimed-warhead can gain 38.8%,and fragments velocity decreases 3% compared with the ordinary eccentric detonation aimed-warhead of the same quality warhead,charge and single fragment quality.

Keywords:explosionmechanics;slidersaimed-warhead;eccentricdetonationaimed-warhead;fragmentnumber;fragmentvelocity

定向戰斗部通過轉動、殼體變形和起爆控制等技術使戰斗部中的毀傷元素朝著目標方向集中飛散,形成毀傷元素增益區,從而有效提高對目標的殺傷能力;或在保持一定殺傷能力的條件下,減少戰斗部質量或體積[1-2]。目前偏心起爆式、破片芯式、可變形式和隨動式等類型的定向戰斗部在國外已經得到了應用[2-4],而國內相關研究主要集中在偏心起爆式和可變形式定向戰斗部方面,新原理定向戰斗部研究較少,并且破片數目增益也遠遠小于國外水平[5-6]。為了提高定向戰斗部破片數目增益,本文提出了一種新型滑塊式定向戰斗部,重點研究了破片數目增益和速度增益情況。

12種戰斗部爆炸過程的數值模擬

1.1　滑塊式定向戰斗部作用原理

本文提出的新型滑塊式定向戰斗部主要由滑塊破片體(4個)、滑塊滑動驅動火藥、起爆控制網絡、內外筒及上下端蓋構成,其中4個滑塊破片體等間隔放置,并且兩兩滑塊破片體之間放置滑塊驅動火藥,如圖1所示。

圖1　滑塊式高破片密度增益定向戰斗部原理示意圖

根據定向方位,引燃相應的滑塊驅動火藥,利用火藥氣體產生的推力,推動其中2組滑塊滑動破片體向目標方位滑動,從而增加目標方向上的破片數目。通過這種毀傷元素重置的方法實現定向方向破片數目增益,同時采用偏心起爆控制技術提高目標方向上的破片速度。試驗已證明滑塊在火藥氣體產生的推力作用下能夠按預定的要求滑動到預定位置,運動時間約為2.6ms,運動速率約為8m/s。

為了研究滑塊式定向戰斗部在定向方向的破片數目增益及速度增益能力,初步設計了原理樣機,采用數值計算和試驗的方法,與相同裝藥量、相同質量的普通偏心起爆定向戰斗部進行了比較。

1.2　2種戰斗部有限元模型及算法

2種戰斗部主要尺寸參數見表1,其中,L為戰斗部長,d為直徑,mp為戰斗部質量,mc為炸藥質量,mf為單枚預制破片的質量(預制破片均為瓦狀,材料均為鋼)。

表1　2種戰斗部主要尺寸參數

滑塊式定向戰斗部由外筒、內筒、滑塊破片體、上下端蓋和中心裝藥組成,其中戰斗部外筒厚度為2mm,內筒外徑為94mm,厚度為1.5mm,內外筒的材料都為鋁;滑塊破片體由預制破片構成,單枚預制破片厚度為11mm,高為10mm;滑塊破片體共4組,每組共20層,每組每層布置5枚破片;戰斗部共400枚預制破片,上下端蓋頂部厚5mm,高為25mm,端蓋材料為鋼。有限元計算模型如圖2所示。

普通偏心起爆定向戰斗部由外筒、上下2個端蓋和中心裝藥組成,其中外筒由預制破片構成;單枚預制破片厚度為6mm,高為13.125mm,共16層,每層布置31枚,共496枚;上下兩端蓋高20mm,頂部厚度為5mm,端蓋材料為鋼。有限元計算模型如圖3所示。

圖2　滑塊式定向戰斗部有限元計算模型

圖3　普通偏心起爆定向戰斗部有限元計算模型

2種戰斗部的主裝藥均采用密度為1.65g/cm3的8701炸藥,滑塊式定向戰斗部的主裝藥直徑為91 mm,高為240 mm,為了保證2種戰斗部的裝藥質量相同,偏心定向戰斗部采用中空裝藥結構,裝藥外徑為107 mm,內徑為56 mm,高為240 mm。

計算時,對2種定向戰斗部全模型進行建模,空氣和中心裝藥采用Euler六面體單元劃分網格,上下端蓋、預制破片和內外筒均采用單點積分Lagrange六面體單元劃分網格。上下端蓋、破片外面及藥柱空心處為空氣層,并定義上下端蓋、外筒外面的空氣層的外邊界為非反射邊界,以模擬無限空氣域;戰斗部起爆方式為單點偏心起爆,起爆點設置在戰斗部端部距中心軸4cm的地方。

1.3　材料模型及狀態方程

戰斗部中心裝藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程描述,材料主要參數見表2,表中,ρ為材料密度,A和B為狀態方程相關常數,D為炸藥爆速。

炸藥周圍的空氣介質采用MAT_NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程來描述,其材料參數見表3,表中,ρ為材料密度,C1～ C6為狀態方程相關常數。

表3　空氣的基本參數

破片和端蓋為鋼,殼體為鋁,均采用MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態方程來描述,主要參數見表4。表中,ρ為材料密度;E為楊氏模量;μ為泊松比;σ1為屈服應力;B1為應變硬化系數;c為聲速;S1,S2為狀態方程相關系數。

表4　預制破片、端蓋和內外筒材料的基本參數

1.4　計算結果與分析

為了獲得2種戰斗部在定向方向的破片數目、戰斗部周向的破片初速以及它們的飛散規律,根據上述有限元模型及材料參數對2種戰斗部的爆炸過程進行了模擬。設靠近起爆點的位置為0°方向,逆時針方向為正,方位角用θ表示,分別在戰斗部周向位置0°,45°,90°,135°,180°設置5個觀察點,如圖4所示。

圖4　2種戰斗部破片初速觀測點

圖5為2種戰斗部的預制破片飛散俯視圖,由圖可以明顯地看出,滑塊式定向戰斗部的預制破片基本上分布在0°和180°方向各90°范圍內,而普通偏心起爆定向戰斗部在周向均有預制破片。在定向方向90°范圍內,滑塊式定向戰斗部的預制破片數目為170枚,而普通偏心起爆戰斗部的預制破片數目為124枚,故滑塊式定向戰斗部在定向方向90°范圍內的破片數目增益為37%。圖6為通過計算得到的2種戰斗部5個觀測點的破片初速,由圖可知,滑塊式定向戰斗部在90°方向上沒有預制破片,其它4個方位角的破片初速均小于普通偏心起爆定向戰斗部對應方位角的破片初速,在180°方向上破片初速減小11%。

圖5　2種戰斗部預制破片飛散俯視圖

圖6為通過計算得到的2種戰斗部5個觀測點的破片初速,由圖可知,滑塊式定向戰斗部在90°方向上沒有預制破片,其它4個方位角的破片初速均小于普通偏心起爆定向戰斗部對應方位角的破片初速,在180°方向上破片初速減小11%。

圖6　2種戰斗部5個觀測點的破片初速計算結果

2試驗驗證

2.1　試驗方案

為了檢驗滑塊式定向戰斗部相對于普通偏心起爆定向戰斗部在定向方向的破片數目及速度增益能力,分別對2種戰斗部進行了靜爆試驗,試驗共進行了4發,其中2發為滑塊式定向戰斗部,2發為普通偏心起爆定向戰斗部,2種戰斗部實物照片如圖7所示。采用松木靶和測速靶測試定向方向的破片密度和周向的速度分布。試驗布置及現場照片如圖8、圖9所示。圖8中的(1),(2),……,(7)為組成扇形計數靶的各松木靶。

圖7　2種戰斗部實物照片

圖9　試驗現場照片

2.2　試驗結果

根據上述試驗方案,進行了靜爆試驗,測得2種戰斗部在定向方向45°角度范圍內的破片數目N,結果如表5所示,其中括號內是異常值,松木靶上的破片穿孔如圖10、圖11所示。

表5　2種戰斗部破片數目對比

圖10　滑塊式定向戰斗部破片穿孔照片

圖11　普通偏心起爆定向戰斗部的破片穿孔照片

由表5可知,滑塊式定向戰斗部在定向方向45°角度范圍內破片的平均數為93枚,而普通偏心起爆定向戰斗部只有67枚。分別將2種戰斗部在定向方向45°角度范圍內統計的破片數目乘以2就可得出這2種戰斗部在定向方向90°角度范圍內的破片數目,由此得出滑塊式定向戰斗部在定向方向90°角度范圍內的破片數目增益為38.8%。

圖12為試驗測得的2種戰斗部5個方位角的破片初速,由圖可知,滑塊式定向戰斗部在90°方位沒有預制破片,其它4個方位角的破片初速均小于普通偏心起爆定向戰斗部對應方位角的破片初速,在180°方向即定向方向破片初速減小3%。

圖12　2種定向戰斗部5個方位角的破片初速試驗結果

為了驗證定向戰斗部的增益能力,將計算結果與試驗結果比較,并進行誤差分析,結果見表6～表8,表中,eN,ev分別為破片數目和速度誤差。

表6　2種戰斗部定向方向破片數目計算值與試驗值的比較

表7　滑塊式戰斗部破片初速計算值與試驗值的比較

表8　普通偏心起爆戰斗部破片初速計算值與試驗值的比較

由表6～表8可知,計算結果與試驗結果吻合較好,2種戰斗部在定向方向90°角度范圍內的破片數目數值模擬結果比試驗結果小13%,這是由于計算值中只統計的是預制破片的數目,而試驗值中包含了殼體產生的破片;在180°方向上破片初速計算結果誤差最大,為11%;其它方向破片初速計算誤差均小于10%。

3結論

①普通偏心起爆定向戰斗部爆炸后破片在周向均勻分布,而滑塊式定向戰斗部的破片只分布在定向和其相對的2個方向,破片利用率高。

②所設計的滑塊式定向戰斗部在定向方向90°角度范圍內的破片數目比普通偏心起爆定向戰斗部高38.8%,高密度破片區分布范圍大,增益高。

③所設計的滑塊式定向戰斗部在定向方向的破片初速比普通偏心起爆定向戰斗部低3%,在后續的工作中將研究同時提高目標方位的速度增益。

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