多模式毀傷元成形的數值仿真和實驗研究*

龔柏林,初 哲,王可慧,吳海軍,耿寶剛,吳崇欣

(西北核技術研究所,西安 710024)

多模式毀傷元成形的數值仿真和實驗研究*

龔柏林,初 哲,王可慧,吳海軍,耿寶剛,吳崇欣

(西北核技術研究所,西安 710024)

為實現多模戰斗部中3種毀傷模式的集成,同時提高定向破片群的徑向發散能力,設計了多模戰斗部彈體結構,并開展了3種模式毀傷元成形過程的數值仿真,最后通過相應的靶板效應實驗進行了驗證。研究結果表明,基于設計的彈體結構,可以分別實現爆炸成型彈丸、聚能桿和定向破片群模式的毀傷元成形,其中定向破片群的徑向散布角達18°,且3種模式能有效兼容。

爆炸力學;多模戰斗部;定向破片群;聚能裝藥

0 引言

現代戰爭對彈藥的毀傷能力提出了嚴峻的挑戰,要求彈藥能夠有效對付各種類型的目標,適應武器系統通用化、多功能化的趨勢。多模戰斗部采用特定的模式打擊不同類型的目標,既可提高彈藥的作戰效能,又可節省作戰時間,把握戰場時機,是彈藥技術發展的一個重要方向。

根據典型的目標類型,多模戰斗部普遍認為應具有3種毀傷模式。第一種模式是爆炸成型彈丸模式,藥型罩成形為一個飛行穩定的爆炸成型彈丸,可遠距離攻擊輕型裝甲目標。第二種模式是聚能桿(或射流)模式,藥型罩成形為聚能桿彈丸或射流,可近距離對付重型裝甲目標。第三種模式是定向破片群模式,藥型罩能在特定方向上形成破片群,可以覆蓋較大面積,可對付地面雷達等面目標,具有較強的戰術意義。多模戰斗部要求3種模式可任意選擇,有效集成,互相兼容。

國內外針對前兩種模式成形的研究較多且技術較成熟,難點在于第三種模式的成形及3種模式的集成。為實現定向破片群模式,目前通常采取兩種方法。第一種方法是在藥型罩前端設置網狀隔柵或切割索等切割裝置[1-9]。聚能裝藥驅動下,藥型罩在初始時刻被隔柵分割,可以形成多個定向性能較好的破片,但由于藥型罩在壓垮和切割過程中均存在向軸線方向匯聚的速度分量,這將導致破片群的徑向發散不足(徑向散布角通常在10°以內),打擊覆蓋的面積較小。第二種方法是直接在藥型罩上預開槽[10]或預置多個小爆炸成型彈丸藥型罩[11-13],但這種方法破壞了藥型罩的整體性,根本無法實現3種模式的集成。

為了實現3種毀傷模式的兼容,同時提高定向破片群模式毀傷元的徑向發散能力,改進設計了多模戰斗部彈體結構,并開展了3種模式毀傷元成形過程的數值仿真,最后通過相應的靶板效應實驗進行了驗證。

1 彈體結構改進設計

一般的聚能彈體結構主要包括裝藥、殼體和藥型罩,改進設計的多模彈體結構在此基礎上增加了破片群成形裝置和具有3種起爆方式的起爆網絡盤,其結構如圖1所示。

圖1 彈體結構示意圖

破片群成形裝置的主要功能是針對定向破片群模式,可以有效切割、破壞藥型罩,并形成藥型罩破片群。該裝置是一個中心帶空腔的網狀切割片,固定于藥型罩口部下方的殼體上。切割片由45#鋼材料制成,厚3 mm,軸向高15 mm。主裝藥起爆后,藥型罩首先被壓垮,當接近呈平板狀時與網狀切割片發生作用。由于中心空腔的存在,可使切割片避開藥型罩頂部區域對其的高速沖擊。同時該空腔內置徑向擴張驅動源,驅動源可在藥型罩被切割的同時推動切割片結構向外擴張,從而增強破片群的徑向發散能力。驅動源可以為機械機構驅動或爆炸驅動,根據藥型罩壓垮時的徑向聚合速度和定向破片群的徑向散布要求設計其輸出能量。主裝藥直徑為90 mm,長徑比為0.8,選用鑄裝B炸藥;藥型罩為2.5 mm厚球缺形紫銅罩;殼體和起爆網絡盤均由45#鋼制成。

另外,該設計方案也能較好的兼容其它模式的成形。當要實現爆炸成型彈丸或聚能桿模式時,可以首先啟動徑向擴張驅動源,破壞破片群成形裝置,為爆炸成型彈丸或聚能桿的成形留出通道,一定延時后再中心單點或環形多點起爆主裝藥,即可分別實現爆炸成型彈丸或聚能桿的成形。

與爆炸成型彈丸、聚能桿和定向破片群3種模式相對應,起爆網絡盤可以提供三種起爆方式,分別為:主裝藥上端面中心單點起爆和破片群成形裝置聯合作用(起爆點1和3)、主裝藥上端面多點同時起爆與破片群成形裝置聯合作用(起爆點2和3)、僅主裝藥上端面中心單點起爆(起爆點1)。

2 多模式毀傷元成形過程的數值仿真

為驗證上述彈體結構的合理性,對3種模式下藥型罩的成形過程進行了數值仿真。破片群成形裝置采用爆炸驅動源,空腔內置太安炸藥作為輔助裝藥。仿真工具選用大型有限元計算軟件DYNA3D,采用流固耦合算法。計算中,主裝藥、輔助裝藥、藥型罩和空氣被剖分為歐拉網格,殼體、端蓋和破片群成形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。計算模型中,主裝藥和輔助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、端蓋及破片群成形裝置均采用流體彈塑性材料模型和Gruneisen狀態方程描述。計算中采取的材料模型及參數分別如表1～表4所示。

表1 主裝藥的材料參數

表2 輔助裝藥的材料參數

表3 藥型罩的材料參數

表4 殼體、端蓋及切割片的材料參數

計算中,爆炸成型彈丸及聚能桿模式下暫未考慮破片群成形裝置的破壞過程。在定向破片群模式下,破片群成形裝置中的輔助裝藥采取定量延時的方式起爆,延時量取從主裝藥起爆至藥型罩接觸作用于輔助裝藥的時間間隔(約16 μs)。3種模式下藥型罩的成形過程數值仿真結果分別如圖2、圖3和圖4所示。

當采取主裝藥端面中心單點起爆時,藥型罩能形成爆炸成型彈丸。120 μs時刻之后成型體形狀基本穩定,此時成型體頭部軸向速度達到2 685 m/s。當采取主裝藥端面多點環形起爆時,藥型罩能形成聚能桿毀傷元,110 μs時刻成型體已運動至3倍口徑距離處,此時毀傷元頭部軸向速度達到3 669 m/s。當采取端面中心單點起爆與破片群成形裝置聯合作用時,藥型罩經破片群成形裝置作用后形成了一個徑向發散的破片群。破片群中外圍破片的軸向速度范圍為2 000～3 000 m/s,中心破片頭部軸向速度最高達4 290 m/s。計算中藥型罩被剖分為歐拉單元,因此無法定量給出破片群的數量、質量分布及散布范圍。但從仿真結果可以看出,藥型罩被切割裝置破壞后,形成了中心一個大破片、周圍較多小破片的破片群,且具有明顯的徑向發散效果。

圖2 爆炸成型彈丸成形過程數值仿真結果

圖3 聚能桿成形過程數值仿真結果

圖4 定向破片群成形過程數值仿真結果

數值仿真結果表明,彈體能夠實現3種毀傷模式,且各模式成形特征明顯。

3 毀傷元靶效實驗

為進一步考核改進彈體結構下3種模式毀傷元的成形性能和毀傷能力,采用靜爆打靶的方式,進行了毀傷元靶板效應實驗。

實驗彈體結構參數如前所述,彈體實物如圖5所示。爆炸成型彈丸和聚能桿模式靶效實驗中,炸高設為3倍口徑,通過將多層45#鋼靶板疊加的方式形成450 mm厚的靶板,各單層靶板的尺寸為180 mm×180 mm×50 mm。在定向破片群模式靶效實驗中,實驗炸高設為1 m,采用單層45#鋼靶板,尺寸為500 mm×500 mm×8 mm。實驗布局如圖6所示,圖7為回收的靶板。

圖5 彈體實物圖

圖6 實驗現場布局

爆炸成型彈丸模式下,毀傷元侵徹鋼靶深度為192 mm,靶板正面穿孔直徑42 mm,背面穿孔直徑27 mm,穿孔呈漏斗狀。聚能桿模式下,毀傷元侵徹鋼靶深度為304 mm,靶板正面穿孔直徑22 mm,背面穿孔直徑15 mm,穿孔呈錐形。定向破片群模式下,約32枚藥型罩破片侵徹并貫穿8 mm厚鋼靶。經測量,靶板上有效破片落點的分布區直徑約為310 mm,由此計算出成形的破片群徑向散布角度為18°。

4 結論

為解決定向破片群徑向發散不足以及3種模式難以有效集成的問題,改進設計了多模戰斗部彈體結構,并得到了數值仿真和靶效實驗的驗證。研究結果表明,基于設計的彈體結構,戰斗部能夠分別實現爆炸成型彈丸、聚能桿和定向破片群3種毀傷模式,其中定向破片群的徑向散布角得到明顯提高,且各模式能有效兼容。

圖7 靶效實驗回收靶板

[1] FONG R. Selectable effects explosively formed penetrator warhead: US 5540156[P]. 1996-07-30.

[2] FONG R. Warhead technology advancements:ADA 394848[R]. 2000.

[3] BENDER D, FONG R, WILLIAM N G, et al. Dual mode warhead technology for future smart munitions [C]∥Proceedings of the 19th International Symposium of ballistics. Interlaken, Switzerland:IBC, 2001.

[4] 解文輝, 黃長友, 安國輝. 多模式EFP戰斗部毀傷性能試驗 [J]. 四川兵工學報, 2013, 34(3): 26-28.

[5] 湯建明. 基于ANSYS/LS-DYNA進行EFP成形及切割仿真研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2006: 52-66.

[6] 汪得功. 可選擇EFP侵徹體形成研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2007: 68-72.

[7] 李偉兵, 王曉鳴, 李文彬, 等. 隔柵對EFP破片成型及侵徹的影響 [J]. 南京理工大學學報, 2009, 33(5): 586-591.

[8] 張洋溢, 龍源, 余道強, 等. 切割網柵作用下EFP形成多破片的數值分析 [J]. 彈道學報, 2009, 21(2): 90-94.

[9] 張洋溢, 龍源, 余道強, 等. 多模戰斗部中定向破片的發散角分析 [J]. 解放軍理工大學學報, 2010, 11(4): 468-472.

[10] 李金鳳. 爆炸載荷下藥型罩形成多破片的數值模擬 [J]. 南京理工大學學報, 2006, 30(2): 186-188.

[11] RICHARD F, WILLIAM Ng, LAMAR Thompson, et al. Multiple explosively formed penetrator(MEFP) warhead technology development:ADA 432879[R]. 2004:563-568.

[12] 周翔, 龍源, 余道強, 等. 多彈頭爆炸成型彈丸數值仿真及發散角影響因素 [J]. 兵工學報, 2006, 27(1): 23-26.

[13] 尹建平, 常變紅, 王志軍. 多爆炸成型彈丸設計參數對智能雷毀傷概率的影響 [J]. 彈道學報, 2007, 19(2): 58-61.

Numerical Simulation and Experimental Research on Forming of Multimode Penetrators

GONG Bailin,CHU Zhe,WANG Kehui,WU Haijun,GENG Baogang,WU Chongxin

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)

In order to achieve integration of three damage modes from multimode warhead, and enhance the ability of radial dispersion of directional fragments, a structure of multimode warhead was proposed. Simulations of forming progress of the three mode penetrators were done, and the forming effects were validated by experiment. It could be concluded from the results that, EFP, JPC and directional fragments form respectively based on the warhead structure. Radial dispersion angle of the fragments could reach to 18°, and three modes are compatible.

explosion mechanics; multimode warhead; directional fragments; shaped charge

2015-09-06基金項目:國家自然科學基金青年基金(11202169)資助

龔柏林(1982-),男,湖北云夢人,助理研究員,博士,研究方向:常規戰斗部技術。

O383

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