李 瑞, 李偉兵, 王曉鳴, 李文彬

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點實驗室, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

爆炸成型彈丸(explosively formed projectile, EFP)具有遠距離(有效炸高可達1000倍裝藥口徑)攻擊目標的能力,被廣泛應(yīng)用于反裝甲武器。在EFP遠距離飛行過程中,為了保證飛行彈道穩(wěn)定并準確命中目標,對EFP的氣動外形、飛行阻力及著靶精確度都提出了較高的要求[1]。尾翼EFP是通過一定的技術(shù)措施使EFP尾部發(fā)生規(guī)律性的褶皺,形成具有呈星形布置多個鰭狀尾翼的特殊EFP,具有良好的空氣動力穩(wěn)定性和飛行彈道性能,適合于攻擊遠距離目標[2]。實現(xiàn)尾翼EFP方法有多種,研究表明采用多點同步起爆網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)同步起爆是形成尾翼EFP一種簡單可行的方式[3-5]。近年來,許多學(xué)者對多點同步起爆網(wǎng)絡(luò)及其起爆精度做了大量的研究,如溫玉全等[6]、白穎偉等[7]分別設(shè)計了剛性、柔性多點同步起爆網(wǎng)絡(luò),測量其同步誤差分別為80 ns和200 ns; 沈慧銘等[8]設(shè)計一種板式結(jié)構(gòu)的8點環(huán)形起爆器,其輸出同步性為170 ns。研究表明,實際中多點起爆網(wǎng)絡(luò)同步誤差總是存在。而針對多點起爆同步誤差對毀傷元成型的影響國內(nèi)外也開展了大量研究,如李偉兵等[9-10]研究了6點起爆網(wǎng)絡(luò)同步起爆精度對形成聚能侵徹體的速度、長徑比等參數(shù)的影響規(guī)律,該研究主要基于小炸高情況下聚能侵徹體侵徹威力的考慮; 羅健等[11]在研究起爆點數(shù)對尾翼EFP的影響時,提出多點起爆的同步性對EFP的飛行穩(wěn)定性有較大的影響,必須嚴格加以控制,但未對多點起爆的同步性對EFP成型參數(shù)的影響規(guī)律進行研究; D.Cardoso和F.Teixeira-Diasd[12]研究了起爆點數(shù)和起爆點位置對EFP成型參數(shù)的影響,但是沒有考慮多點起爆同步偏差對EFP成型的影響,尤其是起爆精度對尾翼EFP成型有何影響有待研究。

本研究利用LS-DYNA非線性動力有限元軟件,仿真研究三點起爆同步誤差對尾翼EFP成型及飛行速度的影響,分析三點起爆EFP尾翼形成過程及三點同步起爆誤差的影響原因,找出三點起爆成型裝藥形成較佳尾翼EFP應(yīng)滿足的最大同步起爆誤差。為多點起爆形成遠距離攻擊目標的尾翼EFP毀傷元的相關(guān)研究、設(shè)計提供參考。

2 計算模型及數(shù)值模擬方案

本研究引用文獻[13]形成尾翼EFP的成型裝藥結(jié)構(gòu),如圖1所示,其中裝藥直徑Dc=65 mm,裝藥長度Lc=32.5 mm,罩頂厚度δ=2.8 mm,藥型罩外曲率半徑為70 mm,內(nèi)曲率半徑為78 mm,采用端面三點環(huán)起爆,起爆環(huán)直徑Di=40 mm。文獻[13]試驗驗證了三點同時起爆形成規(guī)則尾翼EFP的可行性及仿真計算結(jié)果。有限元三維計算模型及起爆點分布如圖2,主裝藥采用JH-2,用高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程描述,紫銅藥型罩用Johnson_Cook本構(gòu)模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述,具體計算參數(shù)見文獻[13]。

在實際中多點起爆網(wǎng)絡(luò)的起爆同步誤差是參差不齊的,有一定的隨機性,但是為了找出起爆同步誤差對EFP尾翼成型的影響規(guī)律,將延遲起爆時間Δt分別設(shè)定為0,50,100,150,200,300,500 ns,將延遲起爆時間進行分配得到28種工況,如表1所示,其中設(shè)起爆點O1、O2、O3的延遲時間分別Δt1、Δt2、Δt3,三點同時起爆為工況n=0。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of EFP charger

圖2 數(shù)值計算模型

Fig.2 A model for numerical simulation

表1 三點起爆同步誤差分布

Table 1 Distribution of three-point initiation synchronization error

synchronizationerror/nsconditionn012345678910111213Δt100000000000000Δt20050050100050100150050100150Δt305050100100100150150150150200200200200synchronizationerror/nsconditionn1415161718192021222324252627Δt100000000000000Δt2200050100150200300050100150200300500Δt3200300300300300300300500500500500500500500

3 同步誤差對尾翼EFP成型影響

3.1 帶同步誤差三點起爆對藥型罩不對稱壓垮過程分析

為了分析帶同步誤差三點起爆引起藥型罩不對稱壓垮過程,選取工況n=18的尾翼EFP成型過程進行分析。圖3為裝藥端面起爆后形成的復(fù)合爆轟波對藥型罩作用的壓力等值線圖。從圖3中可以看出先后在O1、O2,O1、O3和O2、O3起爆點形成的半球面爆轟波兩兩碰撞處形成高壓區(qū),隨后三個高壓區(qū)相連,面積增大形成三叉形高壓區(qū)。同等時間,三個半球面爆轟波對藥型罩作用面積不相等,進而形成的三叉形高壓區(qū)偏離了兩兩起爆點對稱面。t=3.89 μs,3個半球面爆轟波碰撞作用點運動到三叉形高壓區(qū)交點處的藥型罩上,在藥型罩上發(fā)生碰撞,在三叉形中心形成超高壓作用區(qū),超高壓作用區(qū)對EFP頭部形成至關(guān)重要。由于三個半球面爆轟波形成有先后,使得相同時間內(nèi)形成的三個半球面爆轟波半徑大小不同,進而三個半球面爆轟波碰撞疊加后形成的三叉形高壓區(qū)偏離裝藥正中,三叉形中心的超高壓作用區(qū)偏離裝藥中心軸線,作用偏離藥型罩的頂點中心。t=4.59 μs,在三叉形靠近裝藥周邊形成三個周邊高壓區(qū),這三個周邊高壓區(qū)阻止EFP尾群向中心壓合。

各起爆點形成的半球面爆轟波相互碰撞作用于藥型罩表面形成三叉形高壓區(qū)、三叉形中心超高壓區(qū)以及周邊高壓區(qū),對藥型罩材料加載過程和初速度獲得至關(guān)重要。圖4為藥型罩質(zhì)點在不同時刻的速度等值線圖,圖4中181771點為藥型罩頂點。圖5為藥型罩在不同時刻的變形。從圖4看出藥型罩先后在三個半球面爆轟波作用處獲得速度,發(fā)生壓垮(圖5,t=7.20 μs); 隨后藥型罩先后在O1、O2,O1、O3和O2、O3起爆點形成的半球面爆轟波兩兩碰撞處形成的三叉形高壓區(qū)的速度最大,表明藥型罩在三叉形高壓區(qū)先后形成三叉突起翻轉(zhuǎn)(圖5,t=14.99 μs); 接著藥型罩在三叉形中心的超高壓區(qū)處速度達到最大,表明藥型罩在三叉形中心超高壓作用下發(fā)生拉伸(圖5,t=64.99 μs)。從圖4可以看出藥型罩三叉形中心速度最大區(qū)域偏離藥型罩中心點,表明超高壓作用區(qū)偏離藥型罩中心。藥型罩尾翼質(zhì)點速度相對較低向中心軸線壓合,而三叉形靠近藥型罩周邊在三個周邊高壓區(qū)作用下阻止向中心軸線壓合,最后形成尾翼EFP(圖5,t=90.01 μs)。

圖3 不同時刻爆轟波陣面的壓力等值線(單位: 102GPa)

Fig.3 Pressure isolines of detonation wave at different times (unit: 102GPa)

圖4 不同時刻藥型罩質(zhì)點的速度等值線(單位: 104m·s-1)

Fig.4 Nodal velocity isolines of liner at different times (unit: 104m·s-1)

圖5 EFP成型過程的數(shù)值計算結(jié)果

Fig.5 Simulated results of the forming process of EFP

從圖4中可以看出,藥型罩在三叉形中心超高壓區(qū)作用下速度達到最大,發(fā)生拉伸形成尾翼EFP頭部。由于三叉形中心超高壓區(qū)偏離藥型罩中心,導(dǎo)致最終形成的EFP尾翼外形不規(guī)則,外形不規(guī)則的EFP尾翼在飛行過程中受到空氣阻力不均勻,導(dǎo)致空氣動力不穩(wěn)定,攻擊遠距離目標會偏離預(yù)定軌道。試驗也表明多點同步起爆網(wǎng)絡(luò)存在同步誤差下形成的EFP形狀不完全對稱[11]。

3.2 不同工況下EFP尾翼成型情況分析

數(shù)值計算過程中,三點起爆同步誤差按表1依次進行模擬,考慮只存在一點起爆偏差的工況,分別取工況n=0、1、3、6、10、15、21進行分析。圖6為外形穩(wěn)定時刻尾翼EFP的正視圖和底視圖。

從圖6可以看出,工況n=0,三點同時起爆,EFP成型規(guī)則,EFP尾翼形成規(guī)則的褶皺。其他工況下,如果最大延遲時間在100 ns以內(nèi),三點起爆同步誤差對EFP成型及尾翼形成的褶皺有影響,但形成的EFP及其尾翼較規(guī)則。當最大延遲時間大于100 ns,EFP開始成型不規(guī)則,EFP的尾翼也變的不規(guī)則。特別是到了300 ns,EFP發(fā)生嚴重不規(guī)則變形,底部尾翼也發(fā)生嚴重變形。

圖6中可以看出起爆同步誤差對EFP底部尾翼的成型影響較大,為此對不同工況下形成的EFP尾翼翼長進行測量并進行標準差分析。測量示意圖如圖7,三個較大尾群(外側(cè)尾翼)翼長分別為A1、A2、A3,三個較小尾群(內(nèi)側(cè)尾翼)翼長分別為a1、a2、a3。

只存在一點起爆偏差工況下的三個外側(cè)尾翼和三個內(nèi)側(cè)尾翼翼長標準差分析結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯鲎畲笱舆t時間在100 ns以內(nèi),內(nèi)、外側(cè)尾翼翼長偏差都較小,說明形成的EFP尾翼較規(guī)則; 當最大延遲時間從100 ns到150 ns,內(nèi)、外側(cè)尾翼翼長偏差增大了113.1%,對EFP的尾翼對稱性產(chǎn)生了一些影響; 而當延遲時間從150 ns到200 ns,內(nèi)側(cè)尾翼翼長偏差增大了215.6%,外側(cè)尾翼翼長偏差增大了74.8%,對EFP的尾翼對稱性產(chǎn)生了較大的影響; 特別當延遲時間大于200 ns以后,內(nèi)、外側(cè)尾翼長度偏差發(fā)生劇烈變化,說明形成的尾翼變的不規(guī)則,這勢必影響EFP的飛行穩(wěn)定性。

圖6 不同工況下形成的尾翼EFP外形

Fig.6 Shapes of EFP with fins formed by different condition

圖7 尾翼翼長示意圖

Fig.7 Schematic diagram of empennage lengths

圖8 一點起爆偏差工況下形成的EFP尾翼翼長偏差

Fig.8 EFP empennage length deviation with the error of one initiation point

對于表1中設(shè)定的起爆偏差工況n=2、5、9、14、20、27,選取兩點存在相同起爆偏差,實際上等同于存在一點起爆偏差的工況,同理獲得了其內(nèi)、外側(cè)尾翼翼長的偏差和穩(wěn)定時刻尾翼EFP的底視圖(見圖9),內(nèi)、外側(cè)尾翼翼長的偏差隨起爆偏差的變化規(guī)律與圖8變化規(guī)律一致。

對表1中所有工況下尾翼翼長進行統(tǒng)計分析,如圖10所示?？梢钥闯鲎畲笱舆t時間在100 ns以內(nèi),內(nèi)、外尾翼翼長的偏差較小,形成的尾翼較規(guī)則。延遲時間大于100 ns后,偏差變大,尾翼變的不規(guī)則,影響其遠距離飛行空氣動力穩(wěn)定。因此,三點起爆同步誤差應(yīng)控制在100 ns范圍內(nèi),這樣形成的EFP尾翼規(guī)則,保證形成的尾翼EFP飛行穩(wěn)定。

圖9 兩點相同起爆偏差工況下形成的EFP尾翼外形和翼長偏差

Fig.9 EFP empennage shapes and length deviation with the error of two simultaneous initiation point

a. outer empennage length

b. inner empennage length

圖10 不同工況下形成的EFP尾翼翼長

Fig.10 EFP empennage length by different condition

3.3 同步誤差對尾翼EFP飛行速度的影響

尾翼EFP形成的飛行速度v在空間坐標系分成兩個分速度: 沿裝藥軸線速度分量為豎直分速度vz,垂直于裝藥軸線方向為水平分速度vx-y。豎直分速度vz是保證形成的尾翼EFP向前飛行,而水平分速度會使形成的尾翼EFP偏離預(yù)定軌道,對遠距離攻擊目標不利。圖11為28種工況下,尾翼EFP穩(wěn)定后飛行的速度分量vx-y、vz。

a. vx-y

b. vz

圖11 不同工況下尾翼EFP飛行速度

Fig.11 Velocity of EFP with fins by different conditions

從圖11中可以看出隨著最大延遲時間增加,水平分速度vx-y增大,不利于形成的尾翼EFP遠距離飛行,豎直分速度vz減小,最大只減少0.21%,說明起爆誤差的存在對EFP向前飛行速度影響較小。在圖11a中,Δt2在0～Δt3范圍內(nèi),水平分速度vx-y呈拋物線規(guī)律變化,相應(yīng)的擬合曲線如下:

當(1)～(5)式中的Δt2分別為51.54,74.03,97.26,141.03,216.89 ns,vx-y取最小值,可以看出Δt2≈Δt3/2時,水平分速度最低。因此,三點起爆應(yīng)盡量使中間起爆點誤差為最大誤差的一半,這樣可以減小水平分速度。在圖11b中可以看出,當Δt2在0～Δt3/2范圍內(nèi),豎直分速度vz略有降低,當Δt2在Δt3/2～Δt3范圍內(nèi),豎直分速度vz降低較大。因此,在實踐中應(yīng)盡量使中間起爆點誤差約為最大同步誤差的一半,這樣可以減小水平分速度,增大形成的尾翼EFP飛行穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1) 三叉形高壓區(qū)和三叉形中心超高壓區(qū)對尾翼EFP成型至關(guān)重要。由于起爆同步誤差的存在,三叉形高壓作用區(qū)偏離藥型罩正中,三叉形中心超高壓區(qū)偏離藥型罩中心,使得尾翼EFP成型不規(guī)則。

(2) 最大延遲時間在100 ns以內(nèi)時,內(nèi)外側(cè)尾翼翼長偏差都較小,三點同步起爆誤差對EFP尾翼成型影響較小; 最大延遲時間大于100 ns后,內(nèi)外側(cè)尾翼翼長偏差不斷增大,形成的EFP尾翼發(fā)生不規(guī)則變化,這勢必影響EFP的飛行穩(wěn)定性。因此,三點同步起爆網(wǎng)絡(luò)各起爆點的同步誤差應(yīng)控制在100 ns內(nèi)。

(3) 隨著最大延遲時間增加,豎直分速度減小,最大只減少0.21%,說明起爆誤差對EFP前行速度影響較小,但水平分速度vx-y增大,不利于形成的尾翼EFP遠距離飛行,因此要控制起爆同步誤差。實際過程中盡量使中間起爆點誤差約為最大誤差的一半,有利于降低水平分速度。

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