水下聚能爆破技術(shù)研究

周迪鋒，唐 娟，賴建云

(中船重工第七一○研究所，湖北 宜昌 443000)

現(xiàn)代水下兵器為了增強(qiáng)自身生命力，加強(qiáng)了自身防護(hù)性能。有的采取了減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如采用雙殼體設(shè)計(jì)，以提高抗沖擊性能;同時(shí)不敏感主裝藥使目標(biāo)更難被摧毀。采用爆破型戰(zhàn)斗部，靠裝藥爆轟波形成水中沖擊波能和氣泡能毀傷目標(biāo)，其能量利用率較低，毀傷效能隨彈/目距離增加而顯著下降［1］。

為快速可靠地處理作戰(zhàn)目標(biāo)，可使用小型的水下聚能爆破裝置，將其固定在目標(biāo)殼體，通過聚能戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的高速射流來處理水下目標(biāo)。

1 水下聚能爆破技術(shù)原理

水下聚能爆破技術(shù)是指將爆炸所產(chǎn)生的能量定向攻擊目標(biāo)的技術(shù)。在該方向的射彈能量比常規(guī)爆炸裝藥提高許多，可擊穿單層厚殼和帶夾水層的殼體目標(biāo)。

聚能裝藥的主要作用機(jī)理是通過炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波和爆轟產(chǎn)物迅速壓垮藥型罩，使得金屬罩向中心軸方向運(yùn)動(dòng)會(huì)聚，最后碰撞產(chǎn)生高速射流［2-3］。金屬射流的高速度和大密度使得其具有很強(qiáng)的侵徹能力。

聚能裝藥攻擊水中目標(biāo)時(shí)，由于目標(biāo)周圍環(huán)繞有一定厚度的水(這一厚度取決于目標(biāo)及目標(biāo)離爆炸中心的距離)，形成聚能流的動(dòng)能在水介質(zhì)中形成空腔時(shí)被消耗了，這樣減弱了對(duì)目標(biāo)的毀傷效果。本文采用數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)的方法來研究聚能裝藥形成和在水介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，以及不同炸高下聚能裝藥破壞水下目標(biāo)的情況。聚能裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 聚能裝置結(jié)構(gòu)

2 水下聚能爆破的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法

聚能裝藥在水中爆炸形成和金屬射流侵徹靶板是流體一固體耦合問題。利用非線性動(dòng)力有限元軟件LS-DYNA，使用歐拉-拉格朗日耦合算法，對(duì)聚能裝藥水下作用行為進(jìn)行數(shù)值模擬［4］。為提高計(jì)算效率，當(dāng)聚能射流形成以后刪除殼體材料，裝藥為B炸藥，口徑為100 mm，鋼質(zhì)殼體為3 mm，藥型罩為紫銅，采用圓錐罩，水層為200 mm。殼體和靶板采用拉格朗日方法，二者通過流固耦合算法作用。爆炸作用系統(tǒng)關(guān)于xyz軸對(duì)稱，為提高計(jì)算效率，建1/4模型。在模型外表面采用壓力透射邊界，使能量在模型外表面?zhèn)鬟f出去。在對(duì)稱邊界上施加對(duì)稱約束［5］，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置及模擬目標(biāo)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 射流成形過程數(shù)值模擬

如圖3所示，炸藥爆轟波驅(qū)動(dòng)圓頂錐形罩微元向軸線壓垮運(yùn)動(dòng)形成射流，在軸線處碰撞時(shí)，罩壁內(nèi)速度極高形成射流，而外壁部分速度較低，形成杵體。在25 μm，罩錐頂開始閉合出現(xiàn)射流;到40 μm形成完整的射流，頭部速度6934.81 m/s，杵體的最低速度為951.73 m/s。射流的直徑隨其延伸而減小，形成的射流又細(xì)又長。

射流從第70 μm開始進(jìn)入水介質(zhì)中，射流在向前運(yùn)動(dòng)過程中形成空腔，細(xì)長的射流形成的空腔直徑遠(yuǎn)小于杵體直徑，致使杵體對(duì)水介質(zhì)進(jìn)行侵徹，使水介質(zhì)第2次形成空腔，這樣射流能量在水介質(zhì)中消耗過大，侵徹出水箱后，射流的后效作用變小。

圖3 錐角藥型罩的成形過程

2.2.2 錐角藥型罩射流在水介質(zhì)中速度變化

在水介質(zhì)中每隔10 mm處取1點(diǎn)，記錄射流經(jīng)過每點(diǎn)時(shí)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖4所示。從圖4中可以看出，由眾多的速度曲線組成了5條明顯線跡。

圖4中:AB是射流頭部在水介質(zhì)中的速度變化曲線。速度降最大，射流頭部在70 μm開始侵徹水面，在230 μm侵出水介質(zhì)。CD是射流段在水介質(zhì)中的速度變化曲線。射流段在170 μm進(jìn)入水介質(zhì)，在220 μm有速度降趨勢(shì)，這是因?yàn)?見圖3)小錐角藥型罩形成的射流又細(xì)又長，這段時(shí)間內(nèi)射流頭部在水介質(zhì)中形成的空腔直徑也很小，其后射流段的直徑就大于空腔直徑，這段射流的側(cè)面也與水介質(zhì)侵徹作用，從而引起速度降低。過后射流頭部穿出水介質(zhì)，空腔四周的水介質(zhì)在慣性作用下繼續(xù)對(duì)外擴(kuò)展，使得射流段的直徑小于形成空腔的直徑，從而使射流段在水介質(zhì)中保持低阻運(yùn)動(dòng)。EF段顯示了射流段與杵體間在460～660 μm時(shí)間內(nèi)射流在水介質(zhì)的速度變化情況。GH是杵體斷裂出的前段杵體在210～920 μm時(shí)間內(nèi)射流在水介質(zhì)中的速度變化曲線。從圖3可以看出，在射流對(duì)水介質(zhì)侵徹形成的空腔直徑小于前端杵體直徑時(shí)，前段杵體只能再次對(duì)水介質(zhì)侵徹分流和氣化形成更大的空腔，從而在水介質(zhì)中受到水介質(zhì)的阻力，其速度成線性衰減。IJ是杵體斷裂出的后段杵體在240～1050 μm內(nèi)在水介質(zhì)中的速度變化曲線。從圖3可以看到，后段杵體在前段杵體于水介質(zhì)形成的空腔中保持高速低阻運(yùn)動(dòng)。在530 μm前兩杵體距離逐漸拉開，在530 μm時(shí)二者的距離最大，在此之后二者的距離又減小。

圖4 射流在水介質(zhì)各點(diǎn)處的速度與時(shí)間關(guān)系

2.2.3 射流侵徹靶板圖

如圖5所示，侵徹出水介質(zhì)的射流，由于直徑較小，對(duì)靶板侵徹穿孔直徑也小。杵體對(duì)靶板的侵徹中，前杵體由于在水介質(zhì)中受阻，速度低于500 m/s，靶板強(qiáng)度的作用愈來愈明顯，杵體只是對(duì)靶板進(jìn)行擴(kuò)空，雖然后杵體在1000 m/s左右，但所占質(zhì)量比例小，且在前杵體的阻礙下，對(duì)間隔靶板侵徹不明顯，在1500 μm終止侵徹，射流殘?jiān)逊e在孔底之間。

3 水下聚能爆炸試驗(yàn)

根據(jù)模擬數(shù)值的分析結(jié)果，進(jìn)行了聚能爆破裝置的設(shè)計(jì)和加工，并進(jìn)行了水下作用威力驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)要求，加工了3套試驗(yàn)裝置。在3種不同炸高情況下，進(jìn)行了聚能爆破試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)與工程試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果可以看出，二者比較一致，射流在水下侵徹目標(biāo)時(shí)對(duì)炸高比較敏感，炸高過高或者過低，破甲威力都會(huì)明顯下降。當(dāng)炸高為裝藥口徑的1.5倍左右時(shí)，金屬射流在水下對(duì)目標(biāo)的毀傷效果最佳。

表1 數(shù)值模擬與工程試驗(yàn)結(jié)果比較

圖5 射流侵徹靶板

4 結(jié)束語

采用有限元軟件LS-DYNA對(duì)單錐罩聚能裝藥的水下作用過程進(jìn)行了仿真，直觀描述了金屬射流在水下運(yùn)動(dòng)過程中的現(xiàn)象。射流在水介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度下降比較快。同時(shí)利用工程手段進(jìn)行了試驗(yàn)，射流侵徹靶板形成的孔徑和深度滿足工程要求。采用聚爆破技術(shù)能明顯提高處理水中目標(biāo)的能力，有著廣闊的應(yīng)用前景。這一技術(shù)的成功應(yīng)用將提高處理目標(biāo)的效率和可靠性，具有很強(qiáng)的生命力，應(yīng)用前景光明。

［1］凌榮輝.聚能型魚雷戰(zhàn)斗部對(duì)潛艇目標(biāo)毀傷研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2001(2)：23-27.

［2］何廣沂.聚能爆破的研究與實(shí)踐［C］//第七屆工程爆破學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.成都：中國力學(xué)學(xué)會(huì)，2001.

［3］齊子風(fēng).提高深水炸彈戰(zhàn)斗部威力的途徑探討［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2002(2)：35-3.

［4］ANSYS/LS-DYNA中國技術(shù)支持中心.ANSYS/LS-DYNA算法基礎(chǔ)和使用方法［M］.北京：北京理工大學(xué)，1999.

［5］孫業(yè)斌.爆炸作用與裝藥設(shè)計(jì)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1987.