殺傷增強(qiáng)裝置破片低速拋撒技術(shù)研究

梁安定，黃靜，何勇，孫興昀

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

殺傷增強(qiáng)裝置技術(shù)是防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)的前沿技術(shù)之一，通過(guò)拋撒低速破片形成破片幕，依靠彈目相對(duì)動(dòng)能攔截高超聲速飛行的導(dǎo)彈目標(biāo)。殺傷增強(qiáng)裝置技術(shù)屬于動(dòng)能碰撞攔截殺傷的防空反導(dǎo)模式[1-8]。

根據(jù)資料[9]顯示，國(guó)外用于反導(dǎo)和反飛機(jī)目的的攔截方式主要是動(dòng)能碰撞攔截殺傷和戰(zhàn)斗部破片殺傷。相比戰(zhàn)斗部破片殺傷方式，動(dòng)能碰撞攔截殺傷的優(yōu)點(diǎn)主要是：減少了導(dǎo)彈引戰(zhàn)配合的難度，減少了彈上部件，可以增加導(dǎo)彈作戰(zhàn)空域，費(fèi)效比也較低。美軍對(duì)帶有殺傷增強(qiáng)裝置的動(dòng)能碰撞攔截殺傷反導(dǎo)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)表明動(dòng)能碰撞攔截殺傷在2 m內(nèi)脫靶量情況下具有良好的反導(dǎo)效果[10]。

殺傷增強(qiáng)裝置是動(dòng)能碰撞攔截反導(dǎo)導(dǎo)彈的主要功能件，如何實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量破片的低速拋撒是主要研究難題之一。本文提出了一種以炸藥為驅(qū)動(dòng)能源的大質(zhì)量破片低速拋撒結(jié)構(gòu)，對(duì)其拋撒速度進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

根據(jù)資料調(diào)研，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有研究機(jī)構(gòu)開展了以火藥作為驅(qū)動(dòng)能源的殺傷增強(qiáng)裝置研究。美國(guó)專利[11]公開了一種由推進(jìn)裝置、網(wǎng)和多個(gè)桿組成的殺傷增強(qiáng)裝置，推進(jìn)裝置包括有燃?xì)獍l(fā)生器，通過(guò)推進(jìn)裝置將裝有多個(gè)桿的網(wǎng)推開，當(dāng)網(wǎng)撞擊到導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標(biāo)上時(shí)，利用桿的動(dòng)能可將目標(biāo)摧毀。國(guó)內(nèi)一些單位也開展了以火藥為驅(qū)動(dòng)能源的破片拋撒殺傷增強(qiáng)裝置，主要的技術(shù)特點(diǎn)是每個(gè)破片下具有獨(dú)立的活塞式推動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)活塞大小調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力大小，實(shí)現(xiàn)破片的不同拋撒速度，拋撒后破片將在空間分布形成破片幕[8,10,12]。

然而，火藥驅(qū)動(dòng)拋撒過(guò)程中，火藥的反應(yīng)時(shí)間處于毫秒級(jí)，對(duì)于導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)反應(yīng)慢往往導(dǎo)致系統(tǒng)精度的降低，甚至脫靶。而采用炸藥進(jìn)行破片加載，炸藥的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為微秒級(jí)，能夠很好地滿足導(dǎo)彈系統(tǒng)的啟動(dòng)需要[12-13]。因此，采用炸藥作為殺傷增強(qiáng)裝置破片的驅(qū)動(dòng)能源成為了研究熱點(diǎn)。

2 理論分析

殺傷增強(qiáng)裝置要在空間形成破片幕，常用的破片幕分布為同心圓環(huán)節(jié)點(diǎn)式，如圖1所示。通常破片通過(guò)機(jī)械連接固定在裝置本體上，破片下端布置炸藥，圖2是一種簡(jiǎn)化的殺傷增強(qiáng)裝置結(jié)構(gòu)單元。由于破片為低速加載，因此單個(gè)破片驅(qū)動(dòng)所需的炸藥的裝藥量很少。

從結(jié)構(gòu)上講，殺傷增強(qiáng)裝置結(jié)構(gòu)單元可以簡(jiǎn)化成如圖3的一維形式。對(duì)于這種一維模型，可以采用Gurney模型進(jìn)行分析。Gurney模型通常進(jìn)行如下的假設(shè)[14-15]：

(1) 裝藥瞬時(shí)爆轟，所釋放出的能量完全轉(zhuǎn)換成爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能和殼體的動(dòng)能；

(2) 爆轟產(chǎn)物的速度沿軸線線性分布；

(3) 爆轟產(chǎn)物均勻膨脹，忽略端部稀疏，密度處處相等，壓力也是均勻的。

根據(jù)上述假設(shè)建立動(dòng)量守恒和能量守恒方程[14-16]：

(1)

式中：M1，M2分別為殼體和破片質(zhì)量；v1，v2分別為殼體和破片的速度；ρ和u分別為炸藥爆轟產(chǎn)物密度和粒子速度；C為炸藥的質(zhì)量；E為炸藥的Gurney能；X1，X2分別為炸藥的前后位置。

根據(jù)Gurney假設(shè)，可以推導(dǎo)出

求解方程組(1)～(4)，可以得到

式中：

從公式(5)可以看出，破片的速度v2可通過(guò)炸藥的Gurney能E、殼體質(zhì)量M1、破片質(zhì)量M2和炸藥質(zhì)量C而求得。公式(5)可以用于低速拋撒破片的速度計(jì)算，滿足殺傷增強(qiáng)裝置方案設(shè)計(jì)需求。

3 方案設(shè)計(jì)

殺傷增強(qiáng)裝置需要在空間形成動(dòng)態(tài)的破片幕，為了有效攔截目標(biāo)，需要破片幕能夠有效覆蓋導(dǎo)彈的脫靶距離，且破片的間隙小于目標(biāo)的特征尺寸，保證具有巨大相對(duì)動(dòng)能的破片至少1枚撞擊到目標(biāo)。從技術(shù)上講，需要破片幕內(nèi)的破片呈現(xiàn)同心多層，每層破片具有等梯度的拋撒速度，不同速度的破片呈同心圓環(huán)形式分布，組成分層形式的破片幕。殺傷增強(qiáng)裝置可以分解為不同的破片拋撒環(huán)結(jié)構(gòu)，一層拋撒環(huán)實(shí)現(xiàn)一種速度的破片的拋撒，分層拋撒結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)殺傷增強(qiáng)裝置的組合化和模塊化[12-13]。

破片拋撒環(huán)的截面形式類似于圖2結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了破片連接形式和結(jié)構(gòu)緊固件的設(shè)計(jì)，破片環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖4。破片拋撒環(huán)采用了圓環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)，即破片拋撒環(huán)的本體為鋁制中心管，其外圓面嵌入環(huán)形裝藥，在環(huán)形裝藥的外側(cè)等圓心角裝配破片。圓環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)連續(xù)，裝藥連續(xù)，工藝容易實(shí)現(xiàn)。若在每個(gè)破片下單獨(dú)裝藥，則需要復(fù)雜的傳爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工藝復(fù)雜，可靠性低。在破片拋撒環(huán)側(cè)設(shè)計(jì)卡環(huán)，并通過(guò)凹形缺口等角分度分布實(shí)現(xiàn)破片的等圓心角布置。破片拋撒環(huán)設(shè)計(jì)方案見圖4。

為了實(shí)現(xiàn)不同速度的拋撒，首先計(jì)算出了單枚破片下的裝藥質(zhì)量，并根據(jù)單枚破片下裝藥質(zhì)量計(jì)算出圓環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)的總裝藥量后進(jìn)行破片拋撒環(huán)的裝藥裝配。為了對(duì)不同速度的破片環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，共設(shè)計(jì)了5種破片速度的破片拋撒環(huán)。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)拋撒環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)破片拋撒環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Structural design parameters of the experimental fragment dispersal ring

4 數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)破片加載單元開展了數(shù)值模擬工作。數(shù)值模擬是基于ANSYS/LS-DYNA非線性仿真軟件進(jìn)行。采用流固耦合方法進(jìn)行計(jì)算，拉格朗日材料間定義自動(dòng)面—面接觸算法。計(jì)算建模中僅對(duì)破片拋撒環(huán)當(dāng)中的一個(gè)破片加載單元進(jìn)行三維建模。破片材料選用STEEL 4340鋼，中心管結(jié)構(gòu)選用AL-2024-T4硬鋁。因撓性炸藥與B炸藥的爆轟參數(shù)基本相近，故裝藥采用COMP B炸藥的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。以上材料及狀態(tài)方程參數(shù)均是AUTODYN軟件材料庫(kù)中給定的[17]。數(shù)值仿真的模型見圖5。仿真得到了破片的不同速度曲線見圖6。

從數(shù)值仿真得到的破片速度曲線可以看出，不同的驅(qū)動(dòng)裝藥結(jié)構(gòu)下破片的速度呈現(xiàn)梯度。數(shù)值仿真得到的破片速度最大值以及與理論計(jì)算速度的相對(duì)誤差見表2。

表2 數(shù)值模擬得到的破片速度計(jì)算結(jié)果Table 2 Results of fragment velocity calculated by numerical simulation

數(shù)值模擬結(jié)果校驗(yàn)了驅(qū)動(dòng)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。數(shù)值模擬得到的破片速度與理論分析方法計(jì)算的速度相對(duì)誤差相比較小，5種破片拋撒環(huán)仿真計(jì)算的破片速度的相對(duì)誤差不大于9.8%。數(shù)值模擬結(jié)果說(shuō)明理論分析方法合理可信。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證破片拋撒環(huán)的性能，開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。根據(jù)前面的理論分析結(jié)果，進(jìn)行了不同拋撒速度的破片拋撒環(huán)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)中，采用高速攝影儀拍攝了破片拋撒環(huán)拋撒的破片拋撒過(guò)程，根據(jù)2個(gè)時(shí)刻拍攝圖像中破片位置和時(shí)間間隔計(jì)算出破片的平均速度。為了對(duì)破片的空間位置進(jìn)行清晰判別，在破片拋撒環(huán)背部設(shè)置同心圓環(huán)組成的鋼架，鋼架后襯白布。鋼架上固定了半徑0.4，0.8，1.2和1.6 m的剛性圓環(huán)。實(shí)驗(yàn)布置圖見圖7。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中典型時(shí)刻的破片分布照片見圖8～12。

高速攝影拍攝到了每個(gè)破片拋撒環(huán)的破片拋撒過(guò)程。從圖8～12可以看出，半徑0.4 m的鋼架剛性圓環(huán)由于爆炸火光影響，無(wú)法分辨，因此僅分析了破片在半徑0.8 m至1.6 m剛性圓環(huán)之間的飛行情況。經(jīng)過(guò)計(jì)算，各組破片拋撒環(huán)的速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 影像拍得的破片速度計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of fragment velocity calculated by images

從影像拍得的破片平均速度與理論計(jì)算速度的數(shù)值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者相差較小，5件破片拋撒環(huán)的相對(duì)誤差不大于9.1%，說(shuō)明理論分析方法較為準(zhǔn)確。

靜爆實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)件殘骸以及回收到的破片照片見圖13所示。從實(shí)驗(yàn)后中心管的殘骸和回收的破片可以看出，實(shí)驗(yàn)后的破片拋撒環(huán)中心管上的炸藥裝藥爆炸痕跡整齊、均勻，說(shuō)明裝藥均已穩(wěn)定爆轟。從回收到的破片可以看出，破片與炸藥裝藥接觸面有輕微變形，但破片形狀完整，沒有碎裂。加載前的破片質(zhì)量平均值為30.17 g,加載后的破片質(zhì)量平均值為30.14 g，破片質(zhì)量沒有明顯的差別，可見爆炸加載后破片無(wú)明顯的質(zhì)量損失。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出，采用炸藥加載方式可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量為30 g的破片的低速拋撒，實(shí)驗(yàn)后破片完整，無(wú)質(zhì)量損失。炸藥加載方式能夠很好地實(shí)現(xiàn)殺傷增強(qiáng)裝置的功能。炸藥加載相比火藥方式更為迅速，加載結(jié)構(gòu)也更為簡(jiǎn)潔，可行性好，也易于實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)防空反導(dǎo)殺傷增強(qiáng)裝置技術(shù)需要，通過(guò)Gurney模型推導(dǎo)出了低速拋撒破片速度的理論計(jì)算公式，提出了采用炸藥驅(qū)動(dòng)破片形式的殺傷增強(qiáng)裝置結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)數(shù)值模擬校驗(yàn)了裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和理論分析方法的可信性。同時(shí)，設(shè)計(jì)了殺傷增強(qiáng)裝置的破片拋撒環(huán)方案，并進(jìn)行了5組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的破片速度與理論計(jì)算結(jié)果相比，相對(duì)誤差不大于9.1%。