EFP 戰斗部破片場復合技術研究

EFP戰斗部破片場復合技術研究

龔柏林,王可慧,初哲,吳海軍,耿寶剛,吳崇欣

(西北核技術研究所,西安 710024)

摘要:為提高破片模式的毀傷效能,提出了一種將預制破片群與藥型罩破片群相結合的復合破片場成型技術,給出了復合破片戰斗部的彈體結構,對破片場的成型過程進行了數值仿真,并進行了實驗驗證。研究結果表明:采用該技術的戰斗部,可形成中心區域為藥型罩破片群、外環為預制破片群的復合破片場,且形成的破片場密度均勻,徑向散布角達22.5°;該復合破片場成型技術可應用于巡飛彈戰斗部。

關鍵詞:爆炸力學;預制破片群;藥型罩破片群;聚能裝藥

收稿日期:2014-03-05

基金項目:國家自然科學基金青年

作者簡介:龔柏林(1982- ),男,博士,助理研究員,研究方向為常規戰斗部技術。E-mail:gongbolin@nint.ac.cn。

中圖分類號:O383文獻標識碼:A

ResearchonFormingTechnologyofCompositeFragmentsFieldofEFP

GONGBai-lin,WANGKe-hui,CHUZhe,WUHai-jun,GENGBao-gang,WUChong-xin

(NorthwesternInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)

Abstract:In order to enhance the damage ability and effect of fragments mode,a forming technology of composite fragments field was proposed,and the preformed fragments were combined with the liner fragments.The projectile structure of composite fragments warhead was presented.The progress of forming the composite fragments field was simulated,and the forming effects were validated by experiments.The results show that a composite fragments field can be formed by the technology.Liner fragments are in the central region of the field,and the preformed fragments are distributed in the outside ring region.Fragments are distributed equally in the field,and the radial dispersion angle of fragments reaches to 22.5°.The forming technology of composite fragments field can be used in warhead of loitering missile.

Keywords:explosionmechanics;preformedfragments;linerfragments;shapedcharge

巡飛彈是打擊地面裝甲目標的利器。但隨著地面戰場目標概念的變化,新目標不斷產生,機動防空系統、機動雷達站和機動指揮系統已成為重點打擊的高附加值地面目標。因此,現代戰爭對彈藥的對地毀傷能力提出了嚴峻的挑戰,要求彈藥既能有效打擊重裝甲目標,又能對付輕防護的面目標。地面裝甲目標是爆炸成型彈丸(EFP)首選的打擊要素。對于機動雷達等面目標,往往以預制破片群或藥型罩破片群進行覆蓋式打擊[1,2]。參考國內外對雷達毀傷等級的評判標準,要實施對其Ⅰ級致命毀傷,要求擊毀其50%以上的天線陣饋元。這對破片的密度和侵徹能力均提出了更高的要求。若完全依靠預制破片群進行打擊,就無法與EFP集成,不能滿足打擊裝甲目標的需求。而藥型罩破片群在破片的數量和密度上往往受限[4-8],難以對目標實施致命毀傷。

為了克服上述問題,提出了一種將預制破片群與藥型罩破片群相結合的復合破片場成型技術,并對破片場的成型過程進行了數值仿真,最后通過實驗進行了驗證。

1彈體結構

彈體結構主要包括主裝藥、外殼體、藥型罩、預制破片、預制破片層蓋板、內殼體、端蓋和切割裝置等,其結構示意圖如圖1所示。彈體的整體長徑比為0.67。采用船尾形裝藥,主裝藥選用某含鋁炸藥;藥型罩為3mm厚球缺形紫銅罩,口部直徑76mm;殼體、端蓋及切割裝置均由45#鋼材料制成,其中殼體、預制破片蓋板和切割裝置厚3 mm,端蓋的高度為15mm;預制破片為φ6mm的93鎢合金珠。

圖1　戰斗部彈體結構示意圖

當對主裝藥上端面中心實施單點起爆時,藥型罩首先被壓垮,當接近呈平板狀時與網狀切割裝置發生作用。藥型罩被破壞、分割,并繼續沿軸向飛散,形成藥型罩破片群。 而藥型罩周圍的預制破片在主裝藥的爆轟驅動作用下直接沿軸向飛散,形成預制破片群。2類破片群互相補充,相互結合,最終形成一個覆蓋目標一定區域的復合破片場。該破片場既包含具有較多破片數的預制破片群,又包含具有較強侵徹能力的藥型罩破片群。另外,針對重裝甲目標,只有形成單個EFP才能對其進行有效打擊。此時,可以首先破壞切割裝置,為EFP的成型留出通道,一定延時后再起爆主裝藥,進而實現EFP模式。

2復合破片場成型過程的數值仿真

對復合破片場的成型過程進行了數值仿真。仿真工具選用大型有限元計算軟件LS-DYNA3D,采用ALE算法。計算中,主裝藥、藥型罩和空氣被剖分為歐拉網格,外殼體、預制破片、預制破片蓋板、內殼體、端蓋和切割裝置被剖分為拉格朗日網格,并置入歐拉網格中。各結構之間采用自動面-面接觸,預制破片間采用單面接觸。主裝藥采用高能燃燒材料模型和JWL狀態方程來描述,藥型罩采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態方程描述,殼體、端蓋及切割裝置均采用流體彈塑性材料模型和Gruneisen狀態方程描述,預制破片采用彈塑性材料模型描述。計算中采取的材料模型及參數分別如表1～表4所示。表中,ρ為材料密度;D為爆速;pC-J為C-J壓力;e0為初始比內能;A,B,R1,R2,ω均為材料常數;V0為初始相對體積;G為剪切模量;A′,B′,N,C,M為常數;Tm為熔化溫度;σs為失效應力;c為聲速;S1,S2,S3,γ0為常數;EY為楊氏模量;μ為泊松比;Etan為切線模量。

表1　主裝藥的材料參數

表2　藥型罩的材料參數

表3　殼體、端蓋及切割裝置的材料參數

表4　預制破片的材料參數

圖2　復合破片場成型過程數值仿真結果

起爆點位于裝藥上端面中心。復合破片場的成型過程數值仿真結果如圖2所示。數值仿真結果表明,彈體能夠實現2類破片場的復合成型。藥型罩破片群和預制破片群能先、后實施對目標中心區和外環區的覆蓋。

基于數值仿真結果,統計了預制破片的徑向散布角θ和軸向(目標方向)速度vz的分布情況,分別如圖3、圖4所示,圖中,n為預制破片數。由圖可見,受爆轟波形及有效裝藥量影響,越靠近軸心的預制破片其飛散速度越高。

圖3　預制破片徑向散布角分布數值仿真結果

圖4　預制破片軸向速度分布數值仿真結果

計算中藥型罩被剖分為歐拉單元,因此無法給出藥型罩破片群的數量和質量的分布統計。但從仿真結果可以看出,藥型罩被切割裝置破壞后,能形成多個小的藥型罩破片,并較好地填補了預制破片群在中心區域的空白。由于存在速度梯度并受切割裝置影響,該破片群由前、后兩部分藥型罩破片組成。前部分主要來自球缺形藥型罩的中間部位,速度較高(約1 600～1 890m/s);后部分主要來自藥型罩的外圍部位,速度略低(約1 100～1 600m/s)。圖5為藥型罩破片群在140μs時刻的軸向速度vz分布圖(單位:cm/μs)。

圖5　藥型罩破片群軸向速度分布數值仿真結果

3復合破片場成型靶效實驗

為進一步驗證該成型技術方案的可行性,在數值仿真的基礎上,開展了戰斗部靜爆打靶實驗。實驗彈體結構參數如前所述,彈體實物如圖6所示。其中,端蓋的圓盤部分主要用于彈體的懸吊。起爆方式為主裝藥上端面中心單點起爆。

實驗時炸高設為1m。參考數值仿真結果中破片場的徑向散布范圍,采用尺寸為1 000mm×1 000mm×10mm的45#鋼板作為效應靶板。靶板平置于地面,通過靶架將彈體懸吊于靶板上方,彈體垂直向下,彈體中心與靶板中心對正。實驗現場彈靶布局如圖7所示。

圖6　實驗彈體實物

圖7　實驗現場彈靶布局

實驗回收的靶板如圖8所示。在復合破片場的作用下,靶板嚴重毀傷。整個破片落點場呈規則圓形分布,密度均勻,無明顯的覆蓋盲區。靶板中心區的破片落點基本均為貫穿,且越靠近瞄準中心,靶板落點的侵深越深。根據靶板上穿孔或彈坑的形狀,以及落點邊緣有無殘留紫銅痕跡,可以判斷對應的破片為預制破片或藥型罩破片。觀察發現,藥型罩破片主要分布在破片場中心區域,而預制破片分布于外圍。這些現象均與數值仿真結果比較一致。

圖8　實驗回收的靶板

落區中心為藥型罩破片落點,落點穿孔或彈坑形狀不規則。貫穿靶板的有效藥型罩破片有34枚,其中最小穿孔直徑3mm,最大穿孔直徑50mm。藥型罩破片群中有效破片落點區直徑為205mm,徑向散布角約為11.7°。

落區外圍為預制破片落點,落點穿孔或彈坑形狀呈規則圓形。有效預制破片落點區直徑為430mm,徑向散布角約22.5°。而數值仿真結果統計中破片最大徑向散布角為32°,散布角在0～22.5°之間的破片數占87%。出現這個偏差的原因是,數值仿真中統計了所有破片單元節點的數據,而實驗中僅統計了有效破片數,即侵深在6mm以上的破片數量,外圍一些侵深較淺的破片數未統計在內。預制破片群中有20枚貫穿10mm靶板,主要分布在直徑為205～260mm的圓環區域,其余未貫穿。約92枚預制破片落點侵深8～10mm,主要分布在直徑為260～375mm的圓環區域。約41枚預制破片落點侵深6～8mm,主要分布在直徑為375～430mm的圓環區域。

4結論

提出了藥型罩破片群與預制破片群相結合的復合破片場成型技術, 并得到了數值仿真和靶效實驗

的初步驗證。形成的破片場中心區域為藥型罩破片群,外環區域為預制破片群。破片場中的破片密度均勻,散布角達22.5°。該復合破片場成型技術可應用于巡飛彈戰斗部。

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