周向液體層對戰(zhàn)斗部破片加速過程的影響

李彪彪，袁寶慧，王 輝，沈 飛，張立建

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對遠(yuǎn)程打擊與機(jī)動(dòng)打擊要求的提升，一些新型巡航導(dǎo)彈(如BGM-109A)為提高其續(xù)航性與機(jī)動(dòng)性，不斷提升其內(nèi)部空間的緊湊性及儲油量，甚至將戰(zhàn)斗部內(nèi)置于導(dǎo)彈的燃油艙。然而，當(dāng)戰(zhàn)斗部裝藥爆炸時(shí)，燃油可能會(huì)隨著爆轟產(chǎn)物的膨脹而吸收部分驅(qū)動(dòng)能量，進(jìn)而可能降低破片的初速，同時(shí)，燃油作為一種液體，也可能會(huì)在破片飛散過程中對其產(chǎn)生較大的阻力。這些因素將可能使內(nèi)置于燃油艙內(nèi)的戰(zhàn)斗部爆炸后的破片速度與空氣中存在著顯著差異，因此，在戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)過程中需要詳細(xì)分析周向燃油層對破片速度的影響規(guī)律。然而目前對于戰(zhàn)斗部破片初速影響因素的研究主要關(guān)注于裝藥能量[1-3]、裝藥結(jié)構(gòu)[4-7]、起爆方式[8-10]等，鮮有關(guān)于外部燃油等液體介質(zhì)對戰(zhàn)斗部破片速度影響的研究。

鑒于此，本研究為模擬巡航導(dǎo)彈迎擊目標(biāo)過程中油箱滿腔、半滿和空腔3種典型工況設(shè)計(jì)了空腔、半滿、滿腔(即半邊圓柱充水)3種狀態(tài)的模擬樣機(jī)，由于裝藥爆炸過程中，燃油反應(yīng)可能會(huì)對破片初速產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響，為了便于對該問題進(jìn)行解耦分析，用水介質(zhì)代替燃油，開展了模擬樣機(jī)靜爆試驗(yàn)，獲得不同狀態(tài)下模擬樣機(jī)靜爆后破片的速度，并利用有限元分析軟件LS-DYNA對不同狀態(tài)下模擬樣機(jī)裝藥驅(qū)動(dòng)破片的過程進(jìn)行分析，獲得了外部液體介質(zhì)對戰(zhàn)斗部破片速度的影響規(guī)律，以期為相關(guān)殺傷戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1 模擬樣機(jī)靜爆試驗(yàn)

1.1 模擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)

對于含有周向液體層的模擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，其主要的變化參量為裝填比及液體層的厚度。根據(jù)相關(guān)戰(zhàn)斗部的裝填比及其周向液體層的厚度，設(shè)計(jì)了如圖1所示的裝藥直徑與液體層厚度之比約為1∶1的模擬樣機(jī)。

圖1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

模擬樣機(jī)主要由主裝藥、起爆藥、內(nèi)襯、破片、外殼和上下端蓋組成。其中主裝藥為Φ110mm×200mm的某含鋁炸藥，起爆藥為Φ25mm×25mm的JH-14；為了提升裝藥加載過程中破片的完整性，在主裝藥與外部破片層之間墊有厚度為1mm鋁襯；鋁襯外側(cè)同時(shí)粘貼有方形鎢破片(5.7mm×5.7mm×5.7mm，3.24g)與球形鎢破片(Φ7mm，3.14g)，從圖1中俯視圖方向觀察，球形鎢破片排列于戰(zhàn)斗部左側(cè)，方形鎢破片排列于戰(zhàn)斗部右側(cè)，兩種形狀的破片各占180°范圍；破片與外殼之間為模擬樣機(jī)的液體艙部分，液體艙的厚度與裝藥的直徑相等；上下蓋板上的凹槽與內(nèi)襯、外殼之間緊密配合，并通過專用防水膠密封。模擬樣機(jī)的空腔與滿腔工況通過是否將液體艙內(nèi)填充水介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，對于模擬樣機(jī)半滿工況(即半邊圓柱充水)，加工了與模擬樣機(jī)內(nèi)部液體艙半邊相吻合的薄膜塑料水囊(可忽略塑料薄膜對水介質(zhì)的約束)，達(dá)到了與實(shí)際工況相似的效果。

1.2 試驗(yàn)布局

試驗(yàn)選擇在以爆心為中心、周圍200m內(nèi)無障礙物的野外進(jìn)行，試驗(yàn)場地的布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)布局圖

由圖2可知，距爆心6m處布局有6個(gè)測速靶，測速靶1、2、3之間的夾角為30°，測速靶4、5、6之間的夾角為30°，測速靶1、2、3與測速靶4、5、6左右對稱布置。當(dāng)液體艙為空腔或滿腔時(shí)，測速靶1、2、3與戰(zhàn)斗部球形破片一側(cè)相對應(yīng)，測速靶4、5、6與戰(zhàn)斗部方形破片一側(cè)相對應(yīng)；當(dāng)液體艙為半滿狀態(tài)時(shí)，測速靶1、6與戰(zhàn)斗部球形破片一側(cè)相對應(yīng)，測速靶3、4與戰(zhàn)斗部方形破片一側(cè)相對應(yīng)，通過測速靶板1、2、3可測得無水一側(cè)破片的速度，測速靶4、5、6所測得的破片速度為有水一側(cè)的速度。同時(shí)，為更直觀地觀察模擬樣機(jī)的靜爆過程，在距爆心500m處掩體內(nèi)布置有FastcamSA4高速攝影儀，實(shí)驗(yàn)中高速攝影儀的攝影頻率設(shè)置為5000fps。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬樣機(jī)靜爆試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)布局分別進(jìn)行了滿腔、半滿與空腔3種工況下的模擬樣機(jī)靜爆試驗(yàn)，3種工況下測得爆心與測速靶之間的平均速度如表1所示。

表1 不同工況下測速靶測得的破片速度

注：代表球形破片飛散的過程中未穿水；代表球形破片飛散的過程中穿過了水層；代表方形破片飛散的過程中未穿過水層；代表方形破片飛散的過程中穿過了水層。

對比表1中半滿工況下破片的速度，發(fā)現(xiàn)在該工況下有水一側(cè)方形破片與無水一側(cè)方形破片的速度之比略低于有水一側(cè)球形破片與無水一側(cè)球形破片的速度之比。通過分析認(rèn)為，破片在水中的衰減規(guī)律是造成該現(xiàn)象的主要因素。破片在水中飛散的過程，只考慮水介質(zhì)的阻力作用。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，可得到如下的速度衰減公式[11]：

(1)

式中：m為破片的質(zhì)量；v為破片的速度；Cx為空氣阻力系數(shù)；S為破片的迎風(fēng)面積；ρ為水介質(zhì)的密度。通過查閱資料[11]，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所用球形與方形破片的阻力系數(shù)分別為0.97和1.80，迎風(fēng)面積分別為38.5和48.7mm2。則在該模擬樣機(jī)靜爆過程中周向液體介質(zhì)對方形破片的衰減作用約為球形破片的2.3倍。

根據(jù)表1中滿腔工況下破片的速度，還能夠得到該工況下球形鎢破片的速度約為方形鎢破片的1.19倍，略大于空腔工況下球形鎢破片與方形鎢破片的速度之比。同樣可以認(rèn)為是破片在水中的衰減規(guī)律影響了模擬樣機(jī)滿腔工況下球形鎢破片與方形鎢破片的速度之比。

為了更進(jìn)一步分析周向液體介質(zhì)對破片速度的影響規(guī)律，將不同工況下破片的速度呈現(xiàn)于圖3所示的極坐標(biāo)中，極坐標(biāo)以爆心為極點(diǎn)，以爆心為起點(diǎn)指向測速靶2的射線為極軸，取逆時(shí)針方向?yàn)榻嵌鹊恼较颍瑯O徑表示破片的速度，極角表示破片飛散的方向。

圖3 不同工況下不同形狀破片速度的極坐標(biāo)圖

圖3中η表示艙體中的水量，η=1表示滿腔狀態(tài)，η=0.5表示半滿狀態(tài)，η=0表示空腔狀態(tài)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的形狀代表破片的形狀，空心數(shù)據(jù)點(diǎn)代表破片穿過空氣后的速度，實(shí)心數(shù)據(jù)點(diǎn)代表破片穿過水層后的速度。結(jié)合表1和圖3可知，在空腔狀態(tài)下球形破片的速度能夠達(dá)到1370m/s，方形破片的速度能夠達(dá)到1200m/s；而滿腔狀態(tài)下球形破片的速度僅能達(dá)到904m/s，方形破片的速度約為760m/s。在外部液體介質(zhì)包覆下戰(zhàn)斗部裝藥爆炸加載破片的速度僅為空腔狀態(tài)下破片速度的55%～60%。在半滿狀態(tài)下，液體介質(zhì)包覆一側(cè)破片的速度略低于滿腔狀態(tài)下破片的速度，但外部無液體介質(zhì)一側(cè)破片的速度約為空腔狀態(tài)下破片速度的1.67倍。

在爆轟產(chǎn)物膨脹驅(qū)動(dòng)破片的過程中，為了方便研究該過程對破片速度的影響，假設(shè)3種工況下模擬樣機(jī)靜爆過程中軸向稀疏作用的近似一致，忽略模擬樣機(jī)殼體破裂過程中消耗的能量，且認(rèn)為破片的初速相等，水介質(zhì)的徑向飛散速度近似相等。根據(jù)上述假設(shè)，可得到如下的能量方程：

meE=Ef+Eb+Ew

(2)

式中：me為裝藥的質(zhì)量；E為裝藥的格尼能；Ef為破片的動(dòng)能；Eb為爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能；Ew為水層的動(dòng)能。

式(2)中破片的動(dòng)能可通過測速靶測得的破片速度計(jì)算得到，爆轟產(chǎn)物的動(dòng)能可借助于Gurney模型與破片的速度獲得。對于水層動(dòng)能的計(jì)算，通過高速攝影照片中兩側(cè)測速靶的距離與測速靶的實(shí)際距離獲得照片與實(shí)物之間的放大比，結(jié)合照片與實(shí)物之間的放大比能夠得到水介質(zhì)的拋灑距離，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)中高速攝影儀的攝影頻率(5000fps)得到水介質(zhì)的拋灑時(shí)間，進(jìn)而能夠計(jì)算得到水介質(zhì)的拋灑速度。拋灑過程中，忽略水層的速度差異，假定同一拋灑方向上水的速度相同，即可通過水的拋灑速度得到水層的動(dòng)能。模擬樣機(jī)靜爆的高速攝影照片如圖4所示。

圖4 模擬樣機(jī)靜爆的高速攝影照片

由圖4可知，當(dāng)模擬樣機(jī)艙體為全滿狀態(tài)時(shí)，爆炸過程中水介質(zhì)的拋灑速度約為820m/s；當(dāng)模擬樣機(jī)艙體為半滿狀態(tài)時(shí)，水介質(zhì)的拋灑速度約為520m/s。因此，全滿工況下裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)所需的能量為4.44MJ，半滿工況下裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)水介質(zhì)所需的能量為0.89MJ，利用裝藥的格尼系數(shù)(2.667mm/s)[12]，計(jì)算得到裝藥格尼能為12.87MJ。由上述計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模擬樣機(jī)艙體為全滿工況時(shí)，推動(dòng)水介質(zhì)向外膨脹所需要的能量約為裝藥格尼能的34.5%，因此該工況下破片的速度必將遠(yuǎn)低于空腔狀態(tài)下破片的速度。當(dāng)模擬樣機(jī)艙體為半滿狀態(tài)時(shí)，需要消耗裝藥6.9%的格尼能推動(dòng)水介質(zhì)向外膨脹，半滿狀態(tài)時(shí)推動(dòng)水介質(zhì)所需的能量遠(yuǎn)低于滿倉狀態(tài)下推動(dòng)水介質(zhì)能量的一半，可以認(rèn)為在半滿狀態(tài)時(shí)，水介質(zhì)的徑向慣性約束作用使得爆轟產(chǎn)物并未均等地向各個(gè)方向膨脹作功，空腔一側(cè)約束較弱，有水一側(cè)約束較強(qiáng)，導(dǎo)致爆轟產(chǎn)物在空腔一側(cè)的膨脹作用增強(qiáng)，導(dǎo)致類似于局部泄爆的現(xiàn)象出現(xiàn)，其能量也就出現(xiàn)了不均衡分配，進(jìn)而影響到空腔一側(cè)破片的加速效果。從圖4更能夠直觀地看出類似局部泄爆的現(xiàn)象，因而導(dǎo)致了無水一側(cè)破片的速度能夠達(dá)到空腔狀態(tài)下破片的速度的1.67倍。

2.2 模擬樣機(jī)靜爆過程數(shù)值模擬分析

試驗(yàn)部分僅能根據(jù)測速系統(tǒng)獲得破片的速度來分析周向液體層對戰(zhàn)斗部破片速度的影響，而難以得到周向液體層對裝藥爆炸加速破片過程的影響。為了進(jìn)一步分析周向液體層對戰(zhàn)斗部破片加速過程的影響，本研究運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA非線性仿真軟件對液體介質(zhì)包覆下炸藥驅(qū)動(dòng)破片過程進(jìn)行數(shù)值模擬[12-14]。數(shù)值計(jì)算中采用流固耦合算法，模型按照模擬樣機(jī)的實(shí)際工況建立，如圖5所示。

圖5 模擬樣機(jī)數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算模型中主裝藥爆轟過程采用JWL狀態(tài)方程來描述，參數(shù)見表2。內(nèi)襯與外殼均采用鋁加工而成，其材料模型采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。空氣采用空物質(zhì)材料(NULL)描述，對應(yīng)的狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式。水采用空物質(zhì)材料(NULL)模型，其狀態(tài)方程采用GRUNEISEN狀態(tài)方程。

表2 某含鋁炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)[15]

3種工況下模擬樣機(jī)爆炸后不同形狀破片速度的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示，圖中η表示艙體中的水量，數(shù)據(jù)點(diǎn)的形狀代表破片的形狀，空心數(shù)據(jù)點(diǎn)與實(shí)心數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表破片穿過空氣與水層。為便于對比數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果，將數(shù)值模擬中加速后期近乎穩(wěn)定的破片速度與試驗(yàn)所測得的破片速度均值呈現(xiàn)于圖7中。

圖6 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

圖7 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖6和圖7可看出，模擬樣機(jī)在空腔狀態(tài)下爆炸后球形破片與方形破片的速度較為吻合；模擬樣機(jī)在滿腔狀態(tài)下爆炸后方形破片與球形破片的速度略大于實(shí)驗(yàn)中得到的速度；半滿狀態(tài)下，數(shù)值模擬得到的破片速度也在實(shí)驗(yàn)得到破片速度的附近。由于數(shù)值模擬中難以考慮能量在水中的耗散，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值上將略有差異，但能夠得到相似的規(guī)律，即戰(zhàn)斗部外側(cè)液體介質(zhì)降低了殺傷戰(zhàn)斗部爆炸后破片的速度，但在非全滿狀態(tài)下，由于液體介質(zhì)的約束作用，導(dǎo)致爆轟能量的不均衡分配，這將有效地提高無液體部分破片的速度。

3 結(jié) 論

(1)周向液體介質(zhì)約束下，戰(zhàn)斗部裝藥爆炸后，推動(dòng)周向液體介質(zhì)向外膨脹需消耗其爆轟能量，因此戰(zhàn)斗部裝藥爆轟能量的分配必將改變，其爆轟加載破片的性能將降低，當(dāng)液體層厚度與裝藥直徑為1∶1時(shí)，滿腔狀態(tài)下破片的速度僅能達(dá)到空腔狀態(tài)下的55%～60%。

(2)當(dāng)周向液體非全包覆時(shí)，有水一側(cè)阻礙著爆轟產(chǎn)物向外膨脹，無水一側(cè)出現(xiàn)明顯的泄爆現(xiàn)象，液體層約束使得裝藥爆轟能量不均衡分配，顯著提高了無水一側(cè)破片的速度，當(dāng)液體層厚度與裝藥直徑為1∶1時(shí)，半滿狀態(tài)下無水一側(cè)破片的速度能夠達(dá)到空腔狀態(tài)下的1.65倍。