前向戰(zhàn)斗部破片散布均勻性研究*

石志彬，高 敏，米雙山，李 兵

（解放軍軍械工程學院，石家莊 050003）

0 引言

前向戰(zhàn)斗部的破片位于圓柱形裝藥前端，起爆后形成沿軸向飛散的破片束，在目標前方形成一個破片幕，依靠高相對速度將目標毀傷，該戰(zhàn)斗部殺傷元素相對集中，可應用于防空導彈攔截各種空中目標［1］。由于前向戰(zhàn)斗部破片數(shù)量相對有限，為獲得盡量大的破片幕面積同時保證目標不會在破片之間的縫隙中“溜走”，需要破片分布盡量均勻。破片散布均勻性是指破片在分布區(qū)內(nèi)散落的均勻程度，具體包括周向均勻性和徑向均勻性［2］，它是評價前向戰(zhàn)斗部性能的重要參數(shù)。

文中通過靜爆試驗得出小長徑比前向戰(zhàn)斗部的破片著靶數(shù)據(jù)，然后根據(jù)破片分布特點提出與之適應的散布均勻性評價方法，定量評估前向戰(zhàn)斗部破片散布均勻性并提出有針對性的改進措施。

1 前向戰(zhàn)斗部靜爆試驗

靜爆試驗目的是得到前向戰(zhàn)斗部爆炸后的破片分布數(shù)據(jù)，作為分析破片散布均勻性的基礎。

試驗所用的前向戰(zhàn)斗部如圖1所示。戰(zhàn)斗部為圓柱形，整體尺寸為Φ240 mm×180 mm。采用立方體預制破片，破片材料為高密度鎢合金，單枚破片質(zhì)量25 g，破片數(shù)量N=261枚，均勻緊密排列在戰(zhàn)斗部的前端。破片之間的縫隙由橡膠填充，橡膠同時起到粘接作用。起爆點位于戰(zhàn)斗部底端中心位置。

圖1 試驗用前向戰(zhàn)斗部

試驗場地的布置如圖2所示。用兩塊尺寸為1.5 m×1.5 m鋼質(zhì)靶板攔截破片，鋼靶板與地面垂直，且每塊靶板與戰(zhàn)斗部爆心的距離為5m。前向戰(zhàn)斗部水平臥放于托彈架上，與鋼靶板中心同高，且戰(zhàn)斗部軸線延長線經(jīng)過兩靶板接縫的中點。

圖2 戰(zhàn)斗部與靶板的位置關系

試驗后通過研究靶板上的穿孔情況來分析破片散布均勻性。靶板上的穿孔如圖3所示，攔截破片數(shù)總計196枚，破片場中間密度大，外圍密度小，破片散布中心位于兩靶板接縫中點附近。

圖3 鋼靶板的穿孔情況

2 破片分布特性總體分析

由于靶板高度限制，在其上下側逸出了較多破片，因此需要合理估計對應區(qū)域逸出的破片數(shù)。文獻［3］在處理小口徑榴彈破片場分布數(shù)據(jù)時，根據(jù)對稱性對落在靶板外的破片數(shù)據(jù)進行了填補，文中填補靶板上下側逸出破片數(shù)時可參考其方法。

圖4是穿孔數(shù)據(jù)的坐標化顯示，其中陰影部分表示試驗用鋼靶板的面積，坐標原點附近星號位置是破片散布幾何中心。由于戰(zhàn)斗部結構的軸對稱性，可認為破片場分布是近似軸對稱的。圖4中矩形區(qū)域A和B內(nèi)的破片數(shù)分別為7枚和8枚，故可估計區(qū)域C和D內(nèi)的破片數(shù)之和為15枚。E1、E2、E3、E4區(qū)域內(nèi)破片非常稀疏，可參考A、B區(qū)域破片的分布，認為其內(nèi)部各有1枚破片。綜上，在圖4所示3 m×3 m正方形區(qū)域內(nèi)，攔截破片總數(shù)為Nl=196+15+4=215枚，占破片總數(shù)的82.4%。

靶上破片的分布是非常不均勻的，靠近散布中心的區(qū)域破片密度高，在超出一定半徑處，破片密度迅速下降。除此之外仍有17.6% 的破片散布在3 m×3 m正方形區(qū)域之外，其破片分布密度比靶上稀疏區(qū)破片密度還要低很多，由于過于分散，這部分破片對攔截目標的作用更是微乎其微的。

上文所得破片分布總體特性與戰(zhàn)斗部作用原理是一致的。戰(zhàn)斗部起爆后，爆轟波在裝藥內(nèi)近似以球面形狀傳播，邊緣破片受力偏離軸線，且越靠邊緣偏離越厲害，再加上裝藥側向稀疏波的影響，外圍破片分布更加分散。

圖4 破片的分布

3 破片徑向散布均勻性分析

定量評價破片散布均勻性，首先要建立與其分布特點相適應的評價方法。前向戰(zhàn)斗部破片在散布范圍成軸對稱分布，因此分析其破片散布均勻性時，可參考導彈子彈散布均勻性的一些評價方法［4－6］。在評價方法建立過程中，需著重考慮前向戰(zhàn)斗部的破片分布特點和作戰(zhàn)需求，確定合理的均勻性標準值。

3.1 徑向均勻性評價方法及其定量分析

考慮到數(shù)據(jù)的有效性，以破片散布中心為圓心，作半徑R=700mm的圓如圖4虛線所示，以此圓內(nèi)破片為研究對象分析破片徑向散布的均勻性。該圓內(nèi)包含破片數(shù)為170枚，占破片總數(shù)的65.1%。將此半徑為R的圓分成面積相等的若干同心圓環(huán)，若破片分布絕對均勻，則各圓環(huán)內(nèi)所包含的破片數(shù)量應該相等，因此可通過落入各圓環(huán)內(nèi)破片的數(shù)量分析徑向散布均勻性。

在確定圓環(huán)數(shù)時，要既能體現(xiàn)出破片數(shù)量的變化規(guī)律，又不能劃分太細以防隨機因素引起的破片位置變化影響分析結果。經(jīng)多次試分，令圓環(huán)數(shù)n=12，由內(nèi)向外各圓環(huán)（圓）的半徑依次為R1，R2，…，R12，如圖5所示，為便于觀察，第3、6、9、12個圓環(huán)用粗虛線表示。

圖5 面積相等的同心圓環(huán)

統(tǒng)計各圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)量，作柱狀圖如圖6所示。可以看出中間區(qū)域破片密度大，邊緣部分密度小，從內(nèi)向外整體呈下降趨勢，分布不均勻性明顯。

圖6 各圓環(huán)內(nèi)的破片數(shù)量

定量分析徑向散布均勻性首先應確定落入各圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)量的標準值。如果以n個圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)量平均值作為標準值，則存在一定的不合理性，這是因為最靠外的圓環(huán)包含破片數(shù)量很少，相當于無效破片區(qū)，而把這部分區(qū)域納入徑向散布均勻性的計算中顯然是不合理的。從圖6中還可發(fā)現(xiàn)，各圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)量分布有明顯的階梯性，靠近中心的前5個圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)量較多且相互間差別不是很大，從第6個圓環(huán)開始，破片數(shù)量明顯減少。中間破片對攔截目標起主要作用，因此可將靠近中心的前5個圓環(huán)內(nèi)破片平均數(shù)作為各圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)的標準值。前5個圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)的平均值為:

在各個圓環(huán)內(nèi)，定義破片數(shù)量偏離標準值的程度作為評價均勻性的參數(shù)，即均勻性指數(shù):

顯然一般情況下有0≤ui≤1，且ui值越接近1，表示對應圓環(huán)內(nèi)破片數(shù)越接近標準值，整體分布也就越均勻。

依據(jù)此定義，求出各圓環(huán)內(nèi)破片分布的均勻性指數(shù)如圖7所示?？梢钥闯?，靠近破片幾何中心的前5個圓環(huán)的均勻性較好，均勻性指數(shù)在0.73以上，平均值為0.84，此區(qū)域圓半徑R5=451.8mm。從第6到第12個圓環(huán)，均勻性急劇下降。

圖7 各圓環(huán)內(nèi)破片分布均勻性參數(shù)的變化

半徑R=700 mm的圓內(nèi)所有破片徑向散布均勻性的總體指標可以下式計算:

可見對于靠近散布中心占總數(shù)65%的破片而言，其總體均勻性仍不是十分理想，如果考慮更外圍的破片，其徑向散布均勻性更差。

3.2 徑向均勻性特點及戰(zhàn)斗部改進措施

在評價戰(zhàn)斗部威力時，一般以90%破片散布區(qū)域為破片威力場?？紤]數(shù)據(jù)的有效性，文中以靠近散布中心的65.1% 破片為對象研究了其分布的均勻性，在這部分破片之外的區(qū)域，破片分布非常稀疏。

因此根據(jù)密度變化，大致可將戰(zhàn)斗部破片在徑向分為4個區(qū)域，即中心均勻破片區(qū)、過渡區(qū)、稀疏區(qū)和外緣無效破片區(qū)，其各自的均勻性指數(shù)、面積范圍和破片分布特點如表1所示。

表1 不同區(qū)域內(nèi)破片分布的特點

從表1中各區(qū)域內(nèi)的破片數(shù)量來看，中心均勻區(qū)包含的破片不到總數(shù)的50%，而約一半的破片分布在過渡區(qū)和之外的稀疏區(qū)，沒有得到有效利用，這對于提高毀傷效能是極為不利的。因此需要從戰(zhàn)斗部結構上改進，使邊緣破片向內(nèi)收斂。具體改進措施可從以下兩方面考慮:

1）通過波形控制器或起爆點設置，調(diào)整爆轟波形，使戰(zhàn)斗部外圍破片的受力方向向內(nèi)收斂;

2）改進破片層形狀，適當調(diào)整外圍破片逐漸向前凸出，形成內(nèi)凹式的破片層。

4 破片周向散布均勻性分析

分析周向均勻性時，將半徑為R的破片散布圓沿周向分為6個部分，考查各區(qū)域內(nèi)破片數(shù)與平均值的偏離程度。

以x軸正向為起點，逆時針方向每間隔60°劃分一個扇形區(qū)域，編號依次為1～6，各區(qū)域內(nèi)的破片數(shù)如圖8中所示。每個扇形區(qū)內(nèi)的破片數(shù)平均值為÷6=32.7枚。圖8中顯示了依據(jù)第3節(jié)方法求出的各扇形區(qū)內(nèi)均勻性指數(shù)，可見破片周向散布均勻性指數(shù)最差為0.83，平均為0.92。因此可認為破片周向散布均勻性良好，這一結論與戰(zhàn)斗部軸對稱結構相一致。

圖8 破片區(qū)的周向劃分及其均勻性參數(shù)

5 結論

文中在前向戰(zhàn)斗部靜爆試驗數(shù)據(jù)的基礎上，以靠近散布中心65.1% 破片為研究對象，針對中間破片密度高且比較均勻的特點，提出了確定破片散布均勻性標準值和分區(qū)分析的方法，并利用此方法定量分析了不同區(qū)域的破片散布特點。主要的研究結論如下:

1）破片散布從內(nèi)向外可分為中心均勻破片區(qū)、過渡區(qū)、稀疏破片區(qū)和邊緣無效破片區(qū)等4個部分。

2）中心均勻破片區(qū)內(nèi)破片占破片總數(shù)的45%，破片場密度高，均勻性指數(shù)為0.84，是戰(zhàn)斗部殺傷元素的核心組成部分;過渡區(qū)和稀疏破片區(qū)內(nèi)破片約占破片總數(shù)的45%，破片分布密度隨半徑下降很快，作戰(zhàn)時利用效率很低，應采取措施使這部分破片向中間收斂，以提高戰(zhàn)斗部毀傷效能。

3）破片周向分布均勻性良好，均勻性指數(shù)平均為 0.92。

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