LEFP對(duì)帶殼裝藥沖擊起爆過(guò)程的數(shù)值模擬與試驗(yàn)

李 兵, 陳 曦, 杜忠華, 王 琪, 徐立志

(南京理工大學(xué)智能彈藥國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

利用高速預(yù)制破片、含能破片以及聚能射流來(lái)侵徹、引爆來(lái)襲戰(zhàn)斗部,是現(xiàn)有反導(dǎo)技術(shù)中常用的毀傷方式,其本質(zhì)為不同毀傷元對(duì)帶殼炸藥沖擊起爆的問(wèn)題。關(guān)于破片與聚能射流對(duì)覆蓋鋁板或薄鋼板的B炸藥沖擊起爆問(wèn)題已進(jìn)行大量研究,總結(jié)出關(guān)于殼體尺寸和材料,破片的初速、形狀與材質(zhì)等參數(shù)對(duì)炸藥在外界刺激下起爆影響的規(guī)律性結(jié)論[1-6]。隨著來(lái)襲武器殼體防護(hù)能力提升以及精確制導(dǎo)武器的廣泛運(yùn)用,通過(guò)現(xiàn)有毀傷元引爆來(lái)襲戰(zhàn)斗部的難度不斷增加,因此研究新型毀傷元沖擊起爆來(lái)襲戰(zhàn)斗部具有重要的意義。

聚能效應(yīng)的原理與應(yīng)用已相當(dāng)成熟,依據(jù)聚能裝藥原理而發(fā)展起來(lái)的線性裝藥所形成的線性爆炸成型侵徹體(Linear Explosive Formed Projectile,LEFP)在國(guó)內(nèi)外已有一定研究:美Sandia National Laboratories[7-8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出精密V型線性裝藥整體優(yōu)于傳統(tǒng)V型線性裝藥的結(jié)論,并得到裝藥炸高與靶板侵徹深度的關(guān)系; Seokbin Lim[9]推導(dǎo)出V型裝藥在非流動(dòng)狀態(tài)條件下所形成線性侵徹體的速度公式,并對(duì)理論數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。但V型藥型罩結(jié)構(gòu)的線性裝藥所形成的侵徹體炸高有限,只能用于特定環(huán)境。為克服炸高小的缺點(diǎn),茍瑞軍[10]等對(duì)圓缺型藥型罩結(jié)構(gòu)下LEFP的成型機(jī)理、炸高和侵徹性能方面進(jìn)行了大量研究,并推導(dǎo)出LEFP成型機(jī)理的理論公式; 杜忠華[11]等針對(duì)起爆方式對(duì)LEFP的成型及侵徹影響方面進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出多楞線性起爆方式相較于單楞線性起爆方式具有更強(qiáng)的侵徹威力的結(jié)論; 劉杰[12]等研究了LEFP裝藥結(jié)構(gòu)中爆轟波波速與波形的傳播變化規(guī)律及其對(duì)LEFP成型的影響,測(cè)得藥型罩中部壓力為兩端壓力的2.63倍。但在LEFP對(duì)帶殼裝藥的沖擊起爆研究卻很少。根據(jù)圓缺形藥型罩所形成的LEFP自身具有速度高、炸高大,有效作用質(zhì)量與動(dòng)能大,且能與來(lái)襲目標(biāo)以一定角度呈線性交匯的特點(diǎn)[13],與傳統(tǒng)毀傷元相比,LEFP存在動(dòng)能大、接觸面廣和形狀不規(guī)則的優(yōu)點(diǎn)。因此,將其作為新型毀傷元來(lái)研究LEFP對(duì)來(lái)襲彈藥殼體的侵徹以致使其結(jié)構(gòu)損毀或引爆解體的毀傷效果。

本研究以裝甲車輛主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)[14]毀傷元攔截來(lái)襲聚能戰(zhàn)斗部為背景,結(jié)合LEFP對(duì)82 mm口徑聚能裝藥戰(zhàn)斗部的動(dòng)態(tài)攔截試驗(yàn),采用高速攝影觀察攔截過(guò)程,對(duì)比分析被攔截戰(zhàn)斗部與未受干擾戰(zhàn)斗部對(duì)鋼筋混凝土靶板的侵徹結(jié)果。然后采用LS-DYNA數(shù)值仿真軟件對(duì)LEFP的成型、侵徹殼體與炸藥的沖擊起爆過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,得出LEFP在所給炸高范圍內(nèi)可引爆帶殼裝藥的結(jié)果。研究結(jié)果為L(zhǎng)EFP作為新型毀傷元應(yīng)用于裝甲車輛主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)及其他防空反導(dǎo)系統(tǒng)提供了重要參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

圖1為總體試驗(yàn)方案俯視示意圖,包括LEFP、發(fā)射筒、82 mm聚能裝藥破甲彈、毫米波探測(cè)器、鋼筋混凝土靶板和高速攝像等。圖2為L(zhǎng)EFP支架示意圖,動(dòng)態(tài)攔截試驗(yàn)中LEFP炸高約為1.5 m,支架上以45°間隔放置三個(gè)LEFP裝藥來(lái)提高攔截概率。圖3為L(zhǎng)EFP與82 mm聚能裝藥破甲彈實(shí)物圖。LEFP裝藥選取8701炸藥,藥型罩材料為無(wú)氧紫銅,藥型罩口部寬度為30 mm,裝藥高度為48 mm,長(zhǎng)度為200 mm,其形成的LEFP速度約為2140 m·s-1,起爆方式為端點(diǎn)起爆。破甲彈彈身總長(zhǎng)約為650 mm,裝藥部分在彈體中前部,裝藥長(zhǎng)度超過(guò)200 mm,裝藥直徑為72 mm。

圖1 試驗(yàn)方案布置示意圖

Fig.1 Overlook schematic diagram of testing program

圖2 LEFP支架示意圖

Fig.2 Schematic diagram of LEFP holder

a. LEFP

b. high explosive anti-tank cartridge

圖3 LEFP裝藥與82 mm破甲彈

Fig.3 LEFP charge and 82 mm high explosive anti-tank cartridge

2.2 攔截撞擊試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中,毫米波探測(cè)器探測(cè)來(lái)襲破甲彈,當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入炸距范圍內(nèi),給出信號(hào)起爆LEFP。共設(shè)置四組比對(duì)試驗(yàn),第一組試驗(yàn)用來(lái)確認(rèn)彈目交匯條件及毫米波探測(cè)器相對(duì)位置,試驗(yàn)中聚能裝藥戰(zhàn)斗部作填沙處理,并且對(duì)鋼筋混凝土靶板做防護(hù)處理。第二組試驗(yàn)在第一組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證攔截效果。第三組試驗(yàn)使用正常聚能裝藥戰(zhàn)斗部,鋼筋混凝土靶板裸露。第四組試驗(yàn)為戰(zhàn)斗部直接撞擊鋼筋混凝土靶板,觀察其侵徹效果。

通過(guò)高速攝像拍攝LEFP的形成與攔截過(guò)程,拍攝頻率為4000幀/s,相機(jī)距離攔截處大于40 m,圖4為L(zhǎng)EFP攔截撞擊聚能裝藥戰(zhàn)斗部簡(jiǎn)化模型示意圖。

圖4 撞擊過(guò)程的簡(jiǎn)化模型

Fig.4 Simplified model of striking

2.3 結(jié)果與分析

四組試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,圖5為第三組試驗(yàn)中LEFP撞擊帶殼裝藥戰(zhàn)斗部前后過(guò)程。

表1 LEFP撞擊帶殼裝藥試驗(yàn)結(jié)果

Table 1 Test results of LEFP impacting on charge with shell

testprojectresultsituationofchargereinforcedconcretetargetfirstfailedfilledwithsanddefendedsecondsuccessfilledwithsanddefendedthirdsuccessdetonationminordamagefourthstrikingtargetdirectlyexplosivepenetrating

a. 0.25 ms b. 0.5 ms c. 1 ms d. 1.25 ms

e. 2.0 ms f. 10.50 ms g. 11.50 ms

圖5 LEFP撞擊戰(zhàn)斗部不同時(shí)刻高速攝影圖像

Fig.5 High-speed photography of LEFP striking warhead at different moments

第一組試驗(yàn)由于探測(cè)器調(diào)試以及彈目交匯位置問(wèn)題,LEFP未能成功撞擊目標(biāo)。第二組成功攔截到目標(biāo)。第三組試驗(yàn)依照第二組試驗(yàn)條件繼續(xù)進(jìn)行,成功攔截聚能裝藥戰(zhàn)斗部,如圖5所示,其中圖5a為探測(cè)器給出信號(hào)起爆LEFP,圖5b～ 圖5d為L(zhǎng)EFP成型過(guò)程,火光光亮程度依次遞減,圖5e中火光光亮程度明顯大于圖5d所示,可認(rèn)為此時(shí)LEFP已成功撞擊破甲彈聚能裝藥部分,并與炸藥發(fā)生反應(yīng),但由于爆炸現(xiàn)場(chǎng)火光過(guò)大,無(wú)法辨別成功攔截破甲彈的LEFP數(shù)量,根據(jù)試驗(yàn)準(zhǔn)備條件,可認(rèn)為至少中間放置的LEFP已成功撞擊聚能裝藥破甲彈。在圖5f、圖5g中左下部發(fā)出火光,可以看出被擊中的彈身整體部分,由于受到LEFP的沖擊以及炸藥的作用使彈體發(fā)生一定角度偏移且?guī)Щ鸸怙w行,火光光亮程度逐漸變大,從高速攝像采集的有效信息判斷,LEFP有效攔截位置為破甲彈聚能裝藥部分且彈體已結(jié)構(gòu)失效,由于高速攝影視場(chǎng)條件約束,未能進(jìn)一步觀察反應(yīng)情況。圖6為回收到的彈體尾桿部分和其他破片,可以看出尾桿部分(圖6a)發(fā)生斷裂,因此判斷存在其他LEFP攔截到彈體尾桿部分致使其發(fā)生斷裂的現(xiàn)象,且現(xiàn)場(chǎng)并未發(fā)現(xiàn)殘余炸藥,通過(guò)已觀測(cè)到的試驗(yàn)現(xiàn)象以及回收到的破片,并對(duì)比戰(zhàn)斗部對(duì)外界刺激響應(yīng)等級(jí)[15-17]可推斷炸藥發(fā)生了Ⅲ級(jí)爆炸響應(yīng)。受到?jīng)_擊的破甲彈繼續(xù)飛行一段距離與鋼筋混凝土靶板撞擊,由于炸藥在此之前已經(jīng)發(fā)生反應(yīng),因此未能有效形成聚能射流來(lái)侵徹鋼筋混凝土靶板,圖7為靶板初始狀態(tài)(圖7a)與受到損毀戰(zhàn)斗部彈體(圖7b)的撞擊作用而發(fā)生一些脫落現(xiàn)象。

a. remnant part b. fragment

圖6 回收到的殘余部件與破片

Fig.6 The remnant part and fragment by recycle

a. concrete target b. target after first strike

圖7 鋼筋混凝土靶板初始狀態(tài)與失效戰(zhàn)斗部撞擊靶板

Fig.7 Original state of concrete target and losing efficacy warhead striking concrete target

第四組試驗(yàn)中的破甲彈發(fā)射條件與第三組試驗(yàn)相同,圖8為其所形成的高速聚能射流直接擊穿鋼筋混凝土靶板的正面(圖8a)和背面(圖8b)狀態(tài)。

a. the front of target b. the reverse side of target

圖8 戰(zhàn)斗部直接撞擊鋼筋混凝土靶板

Fig.8 Warhead striking concrete target directly

綜上所述,試驗(yàn)結(jié)果表明在給定炸高條件下LEFP對(duì)運(yùn)動(dòng)中聚能裝藥戰(zhàn)斗部的沖擊作用,能夠使帶殼裝藥發(fā)生爆炸反應(yīng),從而成功攔截來(lái)襲戰(zhàn)斗部,以達(dá)到對(duì)目標(biāo)的防護(hù)作用。后續(xù)可進(jìn)一步改進(jìn)LEFP的裝藥條件與起爆方式,形成更大威力LEFP,則在大炸高的條件下可引爆帶殼裝藥。

3 數(shù)值模擬部分

3.1 計(jì)算模型

在試驗(yàn)部分,由于LEFP的攔截作用致使聚能裝藥戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)失效且發(fā)生爆炸反應(yīng),完成了對(duì)靶板的有效防護(hù)工作。為進(jìn)一步驗(yàn)證LEFP引爆帶殼裝藥的可行性以及為后期LEFP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做指導(dǎo)改進(jìn),運(yùn)用數(shù)值模擬軟件LS-DYNA,對(duì)LEFP的成型以及在不同炸高條件下沖擊帶殼裝藥的過(guò)程進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬,其中聚能裝藥部分作簡(jiǎn)化處理,圖9為L(zhǎng)EFP沖擊帶殼裝藥數(shù)值模型示意圖。LEFP裝藥選取8701炸藥,藥型罩材料為無(wú)氧紫銅且尺寸與試驗(yàn)中保持一致。帶殼裝藥采用5 mm厚的鋁制殼體,被發(fā)裝藥為B炸藥。計(jì)算模型采用3D Solid164號(hào)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮LEFP網(wǎng)格畸變問(wèn)題,采用ALE-Lagrange耦合算法,其中藥型罩、炸藥和空氣采用ALE算法,為節(jié)省計(jì)算時(shí)間采用1/2平面對(duì)稱模型建模。

被發(fā)裝藥材料模型為彈塑性模型(Elastic Plastic Hydro),狀態(tài)方程為點(diǎn)火與增長(zhǎng)方程(Ignition Growth of Reaction HE)[1,4],參數(shù)如表2所示。藥型罩材料模型為Steinberg模型,狀態(tài)方程為Gruneisen狀態(tài)方程。裝藥材料模型為高聚能爆轟模型,狀態(tài)方程為JWL狀態(tài)方程[10]。由于炸藥、藥型罩以及空氣之間采用ALE算法,故空氣采用空物質(zhì)模型,狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式。殼體材料模型為Johnson-Cook,采用Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)表述其動(dòng)力學(xué)行為[10,18]。

圖9 LEFP沖擊帶殼裝藥數(shù)值模擬模型

Fig.9 The simulation model of LEFP striking protected explosive

表2 炸藥參數(shù)

Table 2 The parameters of explosive

namematerialρ/g·cm-3DCJ/m·s-1pCJ/GPashapedcharge87011．70830029．6targetchargeComp．B1．71770026．8

3.2 LEFP成型過(guò)程

不同起爆方式對(duì)于LEFP的成型具有重要影響,為了與試驗(yàn)方案一致,仿真模型中LEFP采用端點(diǎn)處起爆方式,另外在底部中心線上等間距均勻設(shè)置10個(gè)同時(shí)起爆點(diǎn)作為線起爆方式對(duì)比。如圖10中LEFP頭部速度曲線所示,中心線起爆所形成的LEFP速度整體高于端點(diǎn)起爆方式。在LEFP成型過(guò)程初期,頭部速度大于尾部速度,存在一定的速度梯度,尾部在頭部的拉扯作用下,速度逐漸趨于一致。中心線起爆所形成的LEFP在50 μs左右頭尾速度趨于一致,端點(diǎn)起爆則在100 μs之后頭尾速度趨于一致。圖11為中心線起爆條件下形成的LEFP在256 μs時(shí)的狀態(tài),圖12則為端點(diǎn)起爆方式下所形成的LEFP在294 μs時(shí)狀態(tài)。從圖11、圖12可看出,在LEFP成型過(guò)程中,存在一些速度差過(guò)大的尾部藥型罩碎片脫落于主體的現(xiàn)象。

圖10 不同時(shí)刻LEFP頭部速度

Fig.10 Head velocity of LEFP at different time

圖11 中心線起爆LEFP速度穩(wěn)定時(shí)飛行姿態(tài)

Fig.11 Flight state of stable LEFP by center line ignition

圖12 端點(diǎn)起爆LEFP速度穩(wěn)定時(shí)飛行姿態(tài)

Fig.12 Flight state of stable LEFP by endpoint ignition

3.3 LEFP沖擊帶殼裝藥過(guò)程

為了充分驗(yàn)證LEFP對(duì)帶殼裝藥的沖擊起爆影響,設(shè)置了不同炸高、不同起爆方式撞擊被發(fā)裝藥的計(jì)算模型,且在每組模型中設(shè)置不同觀察點(diǎn)來(lái)查看炸藥爆炸時(shí)的壓力峰值,結(jié)果見表3。

表3 LEFP對(duì)帶殼裝藥沖擊起爆的數(shù)值仿真結(jié)果

Table 3 The numerical simulation results of LEFP impacting on charge with shell

wayofinitiationtime/μsblastingheight/mmvelocity/m·s-1resultcenterline22503100initiation682002889initiation2588002796initiation48215002714initiationendpoint28503014initiation732002530initiation2968002376initiation56515002304initiation

從仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)看,炸高為50～1500 mm時(shí),中心線起爆與端點(diǎn)起爆的LEFP均成功引爆了帶殼裝藥Comp.B。如圖13所示,中心線起爆的炸藥壓力峰值整體大于端點(diǎn)起爆的壓力峰值,其平均峰值為端點(diǎn)起爆的1.17倍,且炸藥爆炸的峰值壓力均大于B炸藥的C-J爆轟壓力,約為26.8 GPa[4],圖14為引爆時(shí)帶殼裝藥狀態(tài)。

圖13 不同炸高條件下炸藥的峰值壓力曲線

Fig.13 Pressure peak curves of explosive at different blasting height

圖14 引爆時(shí)炸藥狀態(tài)

Fig.14 The state of explosive when detonated

線性聚能侵徹體與聚能射流同為聚能裝藥,但是對(duì)炸藥的沖擊起爆方式有很大不同,雖然LEFP的速度低于聚能射流,但是其有效接觸面積與作用質(zhì)量遠(yuǎn)大于聚能射流。對(duì)于破片來(lái)說(shuō),不規(guī)則與高密度的破片則更容易沖擊起爆帶殼裝藥[5],且在破片質(zhì)量一定的條件下,炸藥的臨界起爆速度隨著破片撞擊殼體的接觸面積的增大而降低[6]。而從LEFP的成型與沖擊起爆帶殼裝藥的數(shù)值模擬來(lái)看,LEFP在某種程度上屬于形狀不規(guī)則且質(zhì)量較大的破片,且接觸面積比普通破片大的多。

將端點(diǎn)起爆方式在1500 mm炸高條件下的數(shù)值仿真結(jié)果與相同條件下試驗(yàn)結(jié)果相比較,兩者均引爆帶殼裝藥,因此仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了LEFP引爆帶殼裝藥的可行性,且為之后的研究與試驗(yàn)提供了指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

研究了LEFP攔截撞擊聚能裝藥戰(zhàn)斗部的試驗(yàn)過(guò)程以及相應(yīng)模型的數(shù)值模擬仿真,結(jié)果表明:

(1) 線性聚能侵徹體對(duì)彈徑82 mm的聚能裝藥戰(zhàn)斗部的動(dòng)態(tài)攔截試驗(yàn)表明因其攔截撞擊作用而致使聚能裝藥戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)失效且炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng),從而喪失對(duì)鋼筋混凝土靶板的侵徹能力。因此高速LEFP可作為新型反導(dǎo)毀傷元,應(yīng)用到裝甲車輛的主動(dòng)防御系統(tǒng)或其他防空反導(dǎo)系統(tǒng)中。

(2) 數(shù)值仿真模擬表明LEFP作為不規(guī)則破片引爆被發(fā)裝藥,與普通破片與聚能射流相比,具有質(zhì)量大、接觸面積廣和形狀不規(guī)則的優(yōu)點(diǎn)。起爆方式對(duì)LEFP沖擊引爆炸藥的影響較大,相同條件下; 底部中心線起爆所形成的LEFP具有整體速度高,且頭部沒有閉合而與帶殼裝藥作用面積廣的特點(diǎn),因此其效果要優(yōu)于端點(diǎn)起爆方式。

本研究?jī)H為階段性成果,后續(xù)將開展線性聚能成型侵徹體對(duì)炸藥的沖擊起爆機(jī)理、炸藥的臨界起爆速度和不同角度撞擊效果的研究。

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