軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片的作用過程?

張世林黃德雨樊雪鋒吳建萍中船重工第710研究所（湖北宜昌，443000）中國人民解放軍95874部隊(duì)（江蘇南京，210022）

軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片的作用過程?

張世林①黃德雨②樊雪鋒①吳建萍①
①中船重工第710研究所（湖北宜昌，443000）
②中國人民解放軍95874部隊(duì)（江蘇南京，210022）

為提高艦炮末端硬攔截反艦導(dǎo)彈的能力，提高對(duì)目標(biāo)的毀傷效能，設(shè)計(jì)了一種軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部。應(yīng)用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)破片戰(zhàn)斗部進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬結(jié)果表明:采用PTFE（聚四氟乙烯）作為內(nèi)襯可以有效提高破片的完整性和拋撒速度。通過試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗部進(jìn)行了毀傷效能驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明:反應(yīng)破片在侵徹靶板后，具有爆燃等二次毀傷效應(yīng)，造成的損傷效果優(yōu)于傳統(tǒng)型利用動(dòng)能打擊目標(biāo)的惰性破片，可使艦船硬攔截反導(dǎo)效能顯著提高。

反應(yīng)破片；數(shù)值模擬；毀傷；飛散特性

引言

破片殺傷戰(zhàn)斗部是對(duì)付反艦導(dǎo)彈的重要手段［1］。目前，自然破片、預(yù)制破片和控制破片等惰性重金屬破片［2］殺傷戰(zhàn)斗部起爆后，破片沿戰(zhàn)斗部周向均勻分布并向外飛散，通過高速動(dòng)能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行穿甲、侵徹或毀傷，毀傷效能不足，目標(biāo)的剩余破壞效應(yīng)難以消除，大部分戰(zhàn)斗部的殺傷元素不能得到有效利用，破片利用率較低，戰(zhàn)斗部質(zhì)量大，已經(jīng)不能滿足攔截超音速、高超音速、掠海飛行的反艦導(dǎo)彈的效能要求。國內(nèi)學(xué)者為解決破片戰(zhàn)斗部的毀傷效能做了大量的研究:邢恩峰等提出了一種艦用防空彈藥方案，研究了炸藥驅(qū)動(dòng)惰性破片軸向拋擲速度的規(guī)律［3］；張輝等對(duì)軸向前置破片戰(zhàn)斗部破片場(chǎng)和毀傷效能進(jìn)行了研究，證明其毀傷概率遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)型破片戰(zhàn)斗部［4］；黃亨建等進(jìn)行了毀傷增強(qiáng)型破片的研究，其毀傷效能明顯優(yōu)于鋼制惰性破片［5］；徐松林等對(duì)PTFE（聚四氟乙烯）/Al反應(yīng)復(fù)合物的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了JC塑性模型的壓縮本構(gòu)方程，驗(yàn)證了方程的合理性［6］；陽世清等對(duì)PTFE/ Al復(fù)合反應(yīng)材料的壓制工藝及性能進(jìn)行了研究，為工程應(yīng)用提供了指導(dǎo)價(jià)值［7］。

筆者設(shè)計(jì)的軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部是一種新型高效毀傷多用途戰(zhàn)斗部，能夠形成軸向能量相對(duì)集中的定向反應(yīng)破片束和徑向均勻分布的自然破片群，在毀傷過程中除了自身的動(dòng)能侵徹外，還伴隨著強(qiáng)烈的燃燒、爆炸等效應(yīng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)烈的附帶損害，即C級(jí)毀傷或者K級(jí)毀傷［8］。從而提高攔截目標(biāo)的毀傷效能，相比導(dǎo)彈攔截目標(biāo)消耗量最低。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并結(jié)合靜爆試驗(yàn)，驗(yàn)證了軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部的高效毀傷能力是明顯的，為后續(xù)戰(zhàn)斗部的工程設(shè)計(jì)提供了借鑒。

1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部如圖1所示。其彈體結(jié)構(gòu)類似于瑞士厄利空公司的Ahead戰(zhàn)斗部。反應(yīng)破片主要置于戰(zhàn)斗部內(nèi)襯端面，采用中心端點(diǎn)起爆方式，通過裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以控制破片的飛散方向，進(jìn)而獲得高密度破片束。圖1中，彈體直徑為D，高度為L；主裝藥采用B炸藥，其中裝藥直徑為d，裝藥高度為h；內(nèi)襯厚度為H；軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片殼體采用45#鋼，結(jié)構(gòu)是長度為a的立方體；破片內(nèi)裝有亞穩(wěn)態(tài)反應(yīng)材料PTFE/Al，反應(yīng)破片沿著戰(zhàn)斗部端面等距排列，破片總個(gè)數(shù)為21個(gè)，密度為ρ；戰(zhàn)斗部殼體材料為硬質(zhì)鋁合金。

2 破片飛散特性

破片的初始拋撒速度是破片飛散特性的主要內(nèi)容之一，它是評(píng)估殺傷戰(zhàn)斗部威力的重要依據(jù)［2］。發(fā)散角的大小直接影響到形成的破片束的侵徹能力和打擊面積。

本文的戰(zhàn)斗部模型為完全軸對(duì)稱的，選擇破片速度方向與對(duì)稱軸z軸反向之間的夾角為發(fā)散角。根據(jù)破片的速度分析，可以確定每個(gè)破片的發(fā)散角α的值，進(jìn)而近似求得破片的打擊密度。本文只考慮破片發(fā)散角穩(wěn)定時(shí)的狀況。破片的發(fā)散角為:

式中:t0為破片從開始飛散至擊中目標(biāo)的時(shí)間；H為t=t0時(shí)刻破片在z方向的位移；l為破片的發(fā)散半徑；vz為z軸速度，即軸向速度；vx為破片的徑向速度；v為破片初始拋撒速度。

定義打擊面積為S，破片總數(shù)為N，打擊密度為ω（S），打擊密度作為打擊面積的函數(shù)，即

其中:打擊面積S=π（Htanα+lz）2，lz為某破片到彈軸線的距離。

3 數(shù)值模擬

3.1計(jì)算模型、材料模型及參數(shù)

采用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬分析，采用流固耦合算法。數(shù)值模型由戰(zhàn)斗部殼體、主炸藥、內(nèi)襯和反應(yīng)破片（殼體和反應(yīng)材料）組成。其中，主炸藥、空氣和內(nèi)襯采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，戰(zhàn)斗部殼體和反應(yīng)破片均采用拉格朗日網(wǎng)格建模。采用TrueGrid軟件進(jìn)行有限元模型的建立，模型簡化如圖2所示。

網(wǎng)格單元采用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元；戰(zhàn)斗部殼體材料模型選用Plastic_Kinematic材料模型；破片殼體和反應(yīng)材料選用Mat_Johnson_Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程；主炸藥采用High_ Explosive_Burn材料模型和JWL狀態(tài)方程描述；內(nèi)襯模型選用Mat_Elastic_Plastic_Hydro；空氣采用Null材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述。主要材料參數(shù)如表1所示，參考值見文獻(xiàn)［6，9-11］。

表1　主要材料參數(shù)Tab.1 Main parameters of materials

3.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

反應(yīng)破片在主裝藥爆轟過程中，瞬間受到爆轟壓力的驅(qū)動(dòng)，以防止破片在加速飛散過程中不發(fā)生破碎或者受熱提前反應(yīng)，確保反應(yīng)破片的完整性，避免毀傷能力削弱。本文中，研究了6種方案:無內(nèi)襯和分別以泡沫鋁、尼龍、泡沫塑料、橡膠和PTFE低密度材料作為內(nèi)襯，其方案編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#、6#，數(shù)值模擬分析其對(duì)反應(yīng)破片飛散特性和完整性的影響。

3.2.1反應(yīng)破片飛散數(shù)值模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬，得到了不同內(nèi)襯時(shí)反應(yīng)破片的初始拋撒速度和飛散角曲線，如圖3和圖4所示。由仿真計(jì)算可知，起爆后大約在25 μs時(shí)，破片的拋擲速度趨于穩(wěn)定，爆轟壓力與空氣阻力相等，爆轟產(chǎn)物對(duì)破片束的作用基本消失。破片的最大速度出現(xiàn)在端面中心處，破片的最小速度出現(xiàn)在靠近殼體處，反應(yīng)破片的最大速度為2 400 m/s，最小速度為1 595 m/s。由公式知:破片發(fā)散角主要集中在-16°～16°范圍內(nèi)，表明破片基本上沿著戰(zhàn)斗部端面法線方向飛行。破片飛散穩(wěn)定后，發(fā)散角標(biāo)準(zhǔn)差值較大，說明破片發(fā)散角度呈離散化，導(dǎo)致破片發(fā)散角增大，同時(shí)破片束的密度有所降低。

3.2.2內(nèi)襯對(duì)反應(yīng)破片飛散的影響分析

通過數(shù)值模擬得到了不同內(nèi)襯時(shí)反應(yīng)破片的初始拋灑狀態(tài)。由表2可以看出，內(nèi)襯對(duì)破片的飛散特性影響較大。隨著內(nèi)襯材料密度的增加，破片的平均拋撒速度增大，平均發(fā)散角減小，并且破片的破損現(xiàn)象也相對(duì)減小。采用泡沫鋁為內(nèi)襯時(shí)，破片的速度最低，而采用密度相對(duì)較大的PTFE時(shí)，破片的速度最大。采用PTFE作為內(nèi)襯時(shí)，其速度比無內(nèi)襯時(shí)提高了27.8%。從圖5不同方案的破片變形狀態(tài)也可以看出，隨著內(nèi)襯密度的增加，破片的完整性逐漸趨于完好。

表2　不同內(nèi)襯材料對(duì)反應(yīng)破片飛散的影響Tab.2 Effects of different liner materials on dispersion of response fragments

這是由于無內(nèi)襯時(shí)，炸藥與反應(yīng)破片直接接觸，當(dāng)爆轟波傳至端面時(shí)，爆轟產(chǎn)物迅速向周圍運(yùn)動(dòng)，壓縮空氣形成沖擊波，削弱了爆轟產(chǎn)物對(duì)破片的有效作功；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片沿著端面法線方向高速飛行；破片受到爆轟的直接載荷，造成外殼的變形。而采用內(nèi)襯時(shí)，避免了反應(yīng)破片與主裝藥的直接接觸，一方面防止過度的動(dòng)壓加載，避免反應(yīng)破片破碎，另一方面阻止過熱的炸藥爆轟產(chǎn)物的直接作用，削弱了爆轟波壓力，避免反應(yīng)破片過早受高熱而發(fā)生快速分解反應(yīng)。同時(shí)，內(nèi)襯有效阻止稀疏波向爆轟產(chǎn)物內(nèi)傳入，起到了約束、延緩的作用，使得對(duì)破片的加載時(shí)間延長，提高了爆轟產(chǎn)物對(duì)破片的做功能力。

4 試驗(yàn)及分析

4.1試驗(yàn)裝置

根據(jù)數(shù)值模擬分析，開展試驗(yàn)驗(yàn)證。如圖6試驗(yàn)裝置簡圖所示，戰(zhàn)斗部距目標(biāo)靶板距離3.0 m，靶板為1.2 m×1.0 m×3.0 mm的鋼板。靶心距離地面1.0 m。圖7為反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部內(nèi)置反應(yīng)破片21枚，破片密度為ρ，內(nèi)襯層采用PTFE，共計(jì)4枚試驗(yàn)樣機(jī)（圖6所示）。試驗(yàn)時(shí)，戰(zhàn)斗部橫向放置在試驗(yàn)架，且中心與靶板中心水平對(duì)正。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

通過圖8攝像可以看出，燃燒式反應(yīng)破片在撞擊靶板瞬間，伴有強(qiáng)烈的火焰產(chǎn)生，火焰長度約半米。這是由于高速飛行的破片在撞擊靶板瞬間，破片內(nèi)部壓力瞬間變大，溫度升高，反應(yīng)材料受到高溫高壓后，達(dá)到臨界爆壓值，發(fā)生燃燒效應(yīng)。由試驗(yàn)結(jié)果（圖9）可知:靶板表面均出現(xiàn)穿孔痕跡，穿孔21個(gè)，與預(yù)制反應(yīng)破片數(shù)目相同，且彈坑處均有燃燒熏蝕痕跡，表明反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部在炸藥爆轟后，預(yù)制破片比較完整。在穿過靶板后，受到靶板的擠壓摩擦后，反應(yīng)材料發(fā)生爆炸燃燒反應(yīng)，釋放大量的熱，大部分反應(yīng)彈丸在靶板上能夠有較完整的穿孔，穿孔孔徑均大于10 mm，破片穿透靶板后仍有較高的剩余速度，且反應(yīng)性黑色痕跡較多，反應(yīng)破片分布在寬940～1 200 mm、高870～1 000 mm的區(qū)域內(nèi)，最大飛散角為18°～22°，其打擊密度為17.5～25.6m-2。通過高速攝影圖像，可近似求得4枚樣機(jī)反應(yīng)破片的平均速度為1 800～2 000 m/s。

試驗(yàn)表明:設(shè)計(jì)的軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部發(fā)射的反應(yīng)破片完整性較好，破碎情況較少，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

1）數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):無內(nèi)襯時(shí)，軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片拋撒速度最低，且在爆轟載荷下受損嚴(yán)重；采用密度相對(duì)較大的PTFE作為內(nèi)襯，可以有效提高破片的完整性和拋撒速度。

2）軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片在侵徹靶板后，具有燃燒等二次毀傷效應(yīng)，造成的復(fù)合毀傷效果優(yōu)于傳統(tǒng)型單一利用動(dòng)能打擊目標(biāo)的惰性破片。

3）軸向驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片戰(zhàn)斗部具有定向功能，其速度提升和打擊密度均優(yōu)于傳統(tǒng)型破片戰(zhàn)斗部。

［1］ 周智超，吳曉鋒，冷畫屏.艦炮近炸引信預(yù)制破片彈在反導(dǎo)中的彈丸威力分析［J］.軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程，2005，19（2）:67-70.

［2］ 隋樹元，王樹山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2000 SUI S Y，WANG S S.Terminal effects［M］.Beijing: National Defend Industry Press，2000.

［3］ 邢恩峰，錢建平，趙國志.裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸向預(yù)制破片拋擲速度的影響［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2007，30（1）:49-53.XING E F，QIAN J P，ZHAO G Z.Effect of structural parameters of charge on the driving velocity of axial preformed fragments［J］.Chinese Journal of Explosives& Propellants，2007，30（1）:49-53.

［4］ 張輝，李向豪，張選明.軸向增強(qiáng)炮彈破片場(chǎng)優(yōu)化控制及反導(dǎo)效能分析［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（9）:22-27.ZHANG H，LI X H，ZHANG X M.Optimal control about axial enhanced artillery shells exploding and damage analysis of missiles［J］.Computer Simulation，2012，29（9）: 22-27.

［5］ 黃亨建，黃輝，陽世清，等.毀傷增強(qiáng)型破片探索研究［J］.含能材料，2007，15（6）:566-569.HUANG H J，HUANG H，YANG S Q，et al.Preliminary research on damage enhanced fragment［J］.Chinese Joural of Energetic Materials，2007，15（6）:566-569.

［6］ 徐松林，陽世清，張煒，等.PTFE/Al含能復(fù)合物的本構(gòu)關(guān)系［J］.爆炸與沖擊，2010，30（4）:439-444.XU S L，YANG S Q，ZHANG W，et al.A constitutive relation for a pressed PTFE/Al energetic composite material ［J］.Explosion and Shock Waves，2010，30（4）:439-444.

［7］ 陽世清，徐松林，張彤.PTFE/Al反應(yīng)材料制備工藝及性能［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（6）:39-42，62.YANG S Q，XU S L，ZHANG T.Preparation and performance of PTFE/Al reactive materials［J］.Journal of National University of Defense Technology，2008，30（6）: 39-42，62.

［8］ 張世林.軸向預(yù)制破片戰(zhàn)斗部破片飛散特性影響因素分析［D］.太原:中北大學(xué)，2012.ZHANG S L.Analyze on the factors of dispersion characteristic of axial prefabricated fragments［D］.Taiyuan: North University of China，2012.

［9］ 孫文旭，李尚斌，黃亨建，等.防護(hù)材料對(duì)爆炸驅(qū)動(dòng)反應(yīng)破片的影響［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2011，29（16）:30-34.SUN W X，LI S B，HUANG H J，et al.Impact of the protective materials on explosion driving reactive fragments ［J］.Science&Technology Review，2011，29（16）:30-34.

［10］ 才鴻年，王魯，李樹奎.戰(zhàn)斗部材料研究進(jìn)展［J］.中國工程科學(xué)，2002，4（12）:21-27.CAI H N，WANG L，LI S K.Research progress in warhead materials［J］.Engineering Science，2002，4（12）: 21-27.

［11］ 時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行顯示動(dòng)力分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

Research on the Mechanism of Axial Driving Response Fragments

ZHANG Shilin①，HUANG Deyu②，F(xiàn)AN Xuefeng①，WU Jianping①
①710 Institute，China Shipbuilding Industry Corporation（HuBei Yichang，443000）
②Unit 95874，PLA（Jiangsu Nanjing，210022）

In order to improve naval gun's ability of terminal intercepting anti-ship missile，and improve the damage efficiency to target，an axial driving response fragment warhead was designed.ANSYS/LS-DYNA，the non-linear finite element analysis software，was used to perform the numerical simulation of the reliability of the fragment warhead.Results show that using PTFE（teflon）as the inner liner can effectively improve the integrity and the dispersal speed of fragments. Damage efficiency of the designed warhead was verified by experiments.Test results show:after penetrating the target plate，the burning fragments possesses secondary damage effects due to deflagration，which is superior to traditional fragment，by mean of the kinetic energy.It could greatly improve the efficient of anti missile.

response fragment；numerical simulation；damage；scattering characteristic

TJ760.3+1

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.011

2015-06-25

張世林（1986-），男，工程師，碩士，主要從事彈藥工程方面的研究。E-mail:zsl.31@163.com