超高速聚能碎片成型的影響因素分析

駱建華，檀艷朝，唐生勇，郭銳，劉榮忠

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超高速聚能碎片成型的影響因素分析

駱建華1，檀艷朝2，唐生勇3，郭銳1，劉榮忠1

（1. 南京理工大學 機械學院，南京 210094；2. 河南紅陽機械廠，南陽 473003； 3. 上海航天技術研究院，上海 201109）

為了研究超高速聚能驅動裝置結構參數對超高速碎片成型的影響，以裝置截斷體以及藥型罩的6個主要尺寸為優化對象，以成型超高速碎片的質量與速度為指標，應用正交設計法設計仿真方案。運用非線性顯式動力學軟件AUTODYN-2D對超高速碎片的形成進行數值仿真，并對仿真結果進行參數分析。結果表明：對碎片成型速度影響較大的依次為藥型罩錐角、截斷體小孔厚度、藥型罩厚度；對碎片質量影響較大的依次為藥型罩錐角、藥型罩厚度、截斷體小孔厚度。最終根據最優化設計方案得到了速度為11.2km/s、質量為1.452g的超高速碎片。

超高速碎片；成型；數值模擬；正交設計

0 引言

隨著人類的空間活動逐漸頻繁，日益增多的空間碎片對軌道上的航天器安全構成了嚴重威脅[1]。這些碎片平均速度達到10km/s，具有極強的毀傷能力。在空間碎片防護中，目前對于微小的碎片還未有較為可行的預警防護措施，主要依靠航天器自身結構設計被動抵御。因此，在地面模擬超高速碎片侵徹航天器防護結構的實驗具有重要意義。現有的超高速碎片驅動技術中，最常用的有二級輕氣炮[2-3]、電炮（含電磁炮）加載技術[4-5]等，產生的碎片速度一般在7km/s左右；電磁炮加速裝置雖能產生15km/s的超高速粒子，但是存在著大電流和電流通過軌道時的耗能問題，幾乎不可能將密實顆粒加速到10km/s以上。聚能碎片驅動裝置結構簡單、成本低，可以將碎片加速到10km/s以上。因此通過聚能效應驅動碎片被認為是最具有應用潛力和前途的發射技術。趙峰[6]通過試驗和理論分析證實了炸藥強爆轟驅動高速金屬飛片是可行的。Walker[7]實現了將重0.5～1g的鋁碎片加速到(11.2±0.2)km/s。

本文為研究驅動裝置結構參數對超高速碎片成型的影響，利用AUTODYN二維仿真模擬碎片產生過程，并設計正交試驗方案進行仿真。

1 工作原理及問題描述

1.1 爆轟模型

如圖1所示的超高速碎片驅動技術方案[8]，通過聚能效應產生超高速射流，在射流頭部通過截斷體后，截斷體在爆轟壓力的作用下向內壓合，將形成的射流頭部截斷，初步得到速度在10km/s以上、質量約為1g的超高速碎片。同時為了得到尾隨物質較少的碎片，在驅動裝置前方設置二次截斷裝置（擋板），在碎片通過擋板時，炸藥起爆驅動擋板向軸向壓合，從而擋住跟隨在碎片后方的物質。上述2次起爆之間有一個時間間隔，由導爆索控制。以藥型罩與截斷體的結構尺寸為研究對象，設定藥型罩的錐角為、厚度為，截斷體厚度為、小孔孔徑為0、大孔與小孔直徑之差為1、小孔厚度為。對這6個結構參數進行優化設計，研究它們對碎片成型的影響。裝置的其他基本幾何參數為：裝置整體直徑84mm，裝藥直徑56mm，裝藥長徑比3.3，殼體底部厚度42mm，藥型罩弧頂圓半徑5mm，弧錐交界處距中心線3mm，參見圖1。

圖1 超高速碎片驅動裝置

驅動裝置6個結構參數的變化范圍分別是，：28°～36°；：1.8～2.2mm；：24～32mm；：3～7mm；0：6.6～7.4mm；1：1～5mm。采用正交設計表L25(56)安排仿真方案，共需對25組模型進行仿真計算，仿真因素水平如表1所示。

表1 仿真計算因素水平表

1.2 數值模擬

使用非線性顯式動力學軟件 AUTODYN 對正交設計表內的各方案進行仿真。由于研究的裝藥結構為軸對稱結構，可以對模型進行一定的假設，將三維空間問題轉化為二維平面問題，即可采用AUTODYN-2D進行數值仿真。因聚能射流形成是大變形、高壓、高應變率的問題，所以采用Euler求解器求解。假設：

1）裝藥結構為嚴格軸對稱結構；

2）炸藥、藥型罩、殼體與截斷體均為連續介質材料；

3）整個爆炸過程為絕熱過程。

裝置中裝藥為奧克托金（HMX）炸藥，在仿真過程中采用JWL狀態方程描述，

式中：為爆轟產物壓力；為爆轟波傳播速度；0為炸藥具有的比內能；、、1、2和均為材料參數。式中參數的具體取值和物態參數值如表2所示，其中為炸藥密度。

表2 奧克托金（HMX）炸藥材料模型的主要參數

截斷體材料為TU2紫銅，殼體與擋板材料選用45#鋼，藥型罩為鋁材料。這3種金屬材料狀態方程均選用Shock狀態模型，本構方程為Johnson- Cook，材料的沖擊波速度和物質點運動速度可以根據線性關系式近似擬合，

=1+1； (2)

表3 金屬材料參數

2 仿真結果分析與優化

2.1 仿真結果

影響碎片成型效果的主要為碎片的質量及速度，根據仿真結果得到每個方案的碎片速度與質量（見表4）。

表4 超高速碎片質量與速度

表4（續）

為了分析裝置各結構參數對碎片質量與速度的影響，得到全部6個參數的極差分析對比圖（見圖2）。由圖可見：隨著藥型罩錐角和厚度的增加，得到的碎片質量減小，速度降低；小孔厚度與碎片成型關系不大；小孔孔徑與碎片成型質量成正比關系，與碎片速度關系不大；碎片質量與速度隨孔徑差變化規律不明顯；隨著截斷體厚度增加，碎片的質量先減小后增加，而碎片速度先增加后減小。

圖2 各結構參數極差分析對比

基于碎片質量與速度，分別對以上幾種影響因素進行極差分析，結果見表5和表6。

表5 碎片質量影響因素的極差分析結果

表6 碎片速度影響因素的極差分析結果

由表5可知，影響碎片質量的因素從大到小依次為藥型罩錐角、小孔厚度、藥型罩厚度、孔徑差、小孔孔徑、截斷體厚度。由表6可知，影響碎片質量的主要因素從大到小主要有藥型罩錐角、藥型罩厚度、截斷體厚度等。

2.2 優化方案

通過分析結果得到超高速碎片驅動裝置最優方案參數如表7所示。

表7 驅動裝置最優方案參數組合表

對方案進行仿真計算，結果見圖3。可以看到：在12μs時爆轟波到達藥型罩頂部，開始對藥型罩作用，藥型罩在爆轟壓力的驅動下形成射流；在18μs時射流頭部到達截斷體，截斷體對射流頭部進行截斷；在25μs時射流頭部通過截斷體，初步形成所需的超高速碎片；27μs時，爆轟波對超高速碎片的作用已經很小（為了仿真方便，刪除裝藥部分網格）；在40μs時，射流頭部到達二次截斷裝置，擋板驅動炸藥起爆；50μs時，二次截斷裝置攔截了碎片后方的跟隨物質，得到了干凈的超高速碎片。

圖4是最終獲取的超高速聚能碎片結構尺寸，可以看出，得到的碎片為較規則的圓錐型碎片，長度為35mm，最大直徑為9.5mm，成型速度為11.2km/s，碎片質量為1.452g。

圖4 最終成型的碎片

3 結束語

根據以上仿真分析結果可以知道，對碎片成型影響最大的是藥型罩的錐角，其次是藥型罩厚度。利用炸藥驅動擋板可以很好地擋住碎片后的跟隨物質，得到較為干凈的碎片。較難控制的是驅動炸藥的起爆時間：必須在超高速碎片通過擋板裝置后，才能起爆炸藥驅動擋板對碎片后方的跟隨物質進行攔截，而不會對碎片的飛行速度造成影響。

根據優化方案得到速度在10km/s以上、質量約1g的超高速碎片，達到了模擬超高速碎片對飛行器防護結構進行侵徹試驗的條件，且碎片后跟隨物質被擋板很好地攔截，得到的碎片較為干凈。

[1] 徐全軍, 白帆, 伍睿星. 占據式聚能裝藥射流形成的數值模擬及試驗研究[J]. 爆破器材, 2011, 40(3): 11-13

XU Q J, BAI F, WU R X. Numerical simulation and of jet formation by shaper charge with the inhibitor and experimental investigation[J]. Explosive Materials, 2011, 40(3): 11-13

[2] 徐坤博, 龔自正. 超高速發射技術研究進展[C]//中國數學力學物理學高新技術交叉研究學會第十三屆學術年會論文集. 敦煌, 2010: 499-520

[3] MORNDH T, KAWAI N, NAKAMURA K G, et al. Three-stage light-gas gun with a preheating stage[J]. Review of Science Instruments, 2004, 75(2): 537-540

[4] 張曉, 魯軍勇, 侯重遠, 等. 應用地面電磁發射清除空間碎片方法[J]. 國防科技大學學報, 2016, 38(6): 54-58

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[5] 馬偉明, 魯軍勇. 電磁發射技術[J]. 國防科技大學學報, 2016, 38(6): 1-5

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[6] 趙峰. 炸藥強爆轟驅動高速金屬飛片的試驗和理論研究[D]. 綿陽: 中國工程物理研究院, 2005

[7] WALKER J D, GROSCH D J, MULLIN S A. A hypervelocity fragment launcher based on an inhibited shaped charge[J]. International Journal of Impact Engineering, 1993, 14: 763-774

[8] 李志龍, 徐全軍, 姜楠, 等. 實驗室聚能高速碎片生成裝置設計與研究[J]. 爆破器材, 2012, 41(5): 5-8

LI Z L, XU Q J, JIANG N, et al. Design and research of laboratory hypervelocity debris launcher based on speed charge[J]. Explosive Materials, 2012, 41(5): 5-8

（編輯：張艷艷）

The factors influencing the speed and the mass of convergent hypervelocity debris

LUO Jianhua1, TAN Yanchao2, TANG Shengyong3, GUO Rui1, LIU Rongzhong1

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. Hongyang Machinery Factory of He’nan, Nanyang 473003, China; 3. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

In order to study the impact of ultra-high-speed convergent drive parameters on the shapes of hypervelocity debris, we take the six main dimensions of the truncated body and the trichrome as the optimization objects, and the mass quality and the speed of the hypervelocity debris as the indicators, to construct a simulation scheme using the he orthogonal design method. The nonlinear explicit dynamics software AUTODYN is applied to simulate the formation of hypervelocity debris, with the simulation results optimized with parameter analyses. It is shown that the major influential factors on the forming speed of the chips are, in descending order, the cone angle of the trichrome, the thickness of the truncated hole, and the thickness of the trochanter; while those on the mass of the chip are the trochanter angle, the thickness of the trochanter, and the truncated hole thickness. In the end, a hypervelocity debris sample with a speed of 11.2 km/s and a mass of 1.452 g is obtained according to the optimal design.

hypervelocity debris; shaping; numerical simulation; orthogonal design

TP69; V211.73

A

1673-1379(2018)02-0148-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.008

駱建華（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為侵徹與毀傷；E-mail: 15205192650@163.com。指導教師：郭銳（1980—），男，博士學位，副教授，主要研究方向為兵器科學與技術；E-mail: guoruid@163.com。

2017-11-08；

2018-03-24