于佳鑫,李偉兵,任冠群,王曉鳴

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京 21009)

1 引言

定向戰(zhàn)斗部是一種能按照不同交會方向控制破片飛散方向的戰(zhàn)斗部，通常旨在提高破片利用率，增進(jìn)對目標(biāo)的毀傷效果。根據(jù)實(shí)現(xiàn)定向毀傷的原理不同，定向戰(zhàn)斗部有多種類別，其中，偏心起爆式定向戰(zhàn)斗部改變起爆方式對爆轟波形進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)破片的定向飛散，原理相對簡單，應(yīng)用廣泛。

目前單一裝藥結(jié)構(gòu)偏心戰(zhàn)斗部的相關(guān)理論和應(yīng)用已比較成熟。近年來有學(xué)者將復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)應(yīng)用于偏心式定向戰(zhàn)斗部并展開研究。Arthur Spencer等應(yīng)用內(nèi)層為PWXMod19，外層為PBXN-110的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行破片加速實(shí)驗(yàn)，并與2種裝藥的單一裝藥結(jié)構(gòu)對比，證明了復(fù)合裝藥相比單一裝藥更能有效提高破片加速能力。Kao等研究了高爆速炸藥和含鋁粉高密度炸藥的復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合裝藥的爆速爆壓均明顯提高。王輝等利用正交多狹縫技術(shù)對復(fù)合裝藥偏心起爆時產(chǎn)生的爆轟波進(jìn)行測量，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化調(diào)整爆轟波形，尤其是爆轟波跨越中心孔后，沿中心線的爆速提高使得對破片的驅(qū)動能力提高。吳成等分別針對單一裝藥與復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，仿真研究了8種起爆模式下的定向區(qū)破片的平均速度和密度，結(jié)果表明：同種起爆模式下，復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)可使破片在速度不下降的基礎(chǔ)上定向分布密度增益3%～6%。史志鑫等利用LS-DYNA軟件，對不同起爆方式下的預(yù)制破片戰(zhàn)斗部進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)端面環(huán)起爆相比端面中心單點(diǎn)起爆，破片平均速度和密集度均有提高。

目前國內(nèi)外已逐步從單一裝藥結(jié)構(gòu)下的偏心單點(diǎn)起爆發(fā)展至復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)下的多種偏心起爆，以期實(shí)現(xiàn)彈藥威力的增強(qiáng)和定向毀傷效果的優(yōu)化。上述學(xué)者已將復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)和偏心起爆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，并驗(yàn)證了復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)相比單一裝藥結(jié)構(gòu)更能有效提高定向威力。現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭和城市作戰(zhàn)條件千變?nèi)f化，有時并不希望戰(zhàn)斗部以最大威力毀傷，要求減小附帶毀傷避免沖突升級，這就需要一種多級毀傷威力靈活轉(zhuǎn)換的定向戰(zhàn)斗部。通過改變起爆方式轉(zhuǎn)換威力等級是可行且方便的，但是不同偏心起爆方式對復(fù)合裝藥戰(zhàn)斗部定向破片特征參數(shù)的具體影響規(guī)律有待于進(jìn)一步研究，如何通過改變起爆方式調(diào)節(jié)定向戰(zhàn)斗部威力仍缺乏相關(guān)指導(dǎo)依據(jù)。

本研究針對復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了8種偏心起爆方案，并與端面中心單點(diǎn)起爆方案對比，分析研究起爆點(diǎn)數(shù)、偏心夾角等因素對定向區(qū)域內(nèi)破片威力的影響規(guī)律，為今后定向戰(zhàn)斗部起爆方式的優(yōu)化選取和威力可調(diào)定向戰(zhàn)斗部起爆模式的設(shè)計(jì)提供參考。

2 復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及起爆方案設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)

本文中采取的復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：內(nèi)層裝藥、隔板、外層裝藥、殼體、端蓋五部分。戰(zhàn)斗部裝藥高度200 mm，裝藥直徑95 mm；內(nèi)層裝藥選取8701炸藥，直徑35 mm；隔板選取聚氨酯材料，厚度15 mm；外層裝藥為鈍黑鋁炸藥，厚度15 mm；殼體和上下端蓋為45#鋼材料，厚度均為6 mm。

圖1 復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

由于模型對稱性，為減少計(jì)算量，根據(jù)圖1所示復(fù)合裝藥戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)建立如圖2所示的1/2計(jì)算模型。本研究選擇的拉格朗日算法網(wǎng)格隨材料一起變形，適于追蹤小變形、大位移的固體材料動態(tài)行為，能較好模擬材料強(qiáng)度。在殼體厚度方向、周向、高度方向分別等分出16個、48個、160個網(wǎng)格；外層裝藥和隔板網(wǎng)格劃分方法一致，在厚度方向、周向、高度方向分別等分出16個、24個、80個網(wǎng)格；內(nèi)層裝藥半徑方向和高度方向分別等分出12個、80個網(wǎng)格；上下端蓋非重點(diǎn)研究對象，網(wǎng)格較大，在半徑方向和高度方向分別等分出24個、6個網(wǎng)格。

圖2 復(fù)合裝藥有限元模型示意圖

裝藥由外層起爆，經(jīng)過聚氨酯隔爆板引爆內(nèi)層炸藥，產(chǎn)生超壓爆轟現(xiàn)象。外層炸藥為鈍黑鋁炸藥，為更好地描述高能炸藥爆炸過程及爆轟產(chǎn)物作用過程，選用JWL狀態(tài)方程描述。內(nèi)層炸藥為8701炸藥，為描述內(nèi)層炸藥的超壓爆轟行為，內(nèi)層炸藥選用點(diǎn)火增長模型(Lee-Tarver狀態(tài)方程)描述。選取聚氨酯作為隔爆材料將中心高能炸藥和外層含鋁炸藥隔開，以便更好地控制內(nèi)外層裝藥爆轟波間的相互作用，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部最佳當(dāng)量可調(diào)，采用Shock狀態(tài)方程描述。殼體和端蓋選用45#鋼材料，采用Shock狀態(tài)方程描述。

模型各部分運(yùn)用的材料種類及相關(guān)參數(shù)如表1所示，各材料參數(shù)已經(jīng)過課題組大量試驗(yàn)驗(yàn)證，見文獻(xiàn)[14-15]。

表1 材料參數(shù)

2.2 偏心起爆方案

本文中主要研究起爆點(diǎn)數(shù)和偏心夾角2個因素對復(fù)合裝藥戰(zhàn)斗部形成的定向破片特征參數(shù)的影響規(guī)律。其中偏心夾角指起爆點(diǎn)與裝藥幾何中心連線的夾角；對于多點(diǎn)偏心起爆，偏心夾角定義為起爆點(diǎn)分布弧形端點(diǎn)處的2個起爆點(diǎn)與裝藥幾何中心連線的夾角。為此設(shè)置了8種偏心起爆方案，并與端面中心單點(diǎn)起爆對比，共完成9種方案的數(shù)值計(jì)算。所選用起爆方案見圖3所示，方案0為端面中心單點(diǎn)起爆，主要用于對比偏心起爆時定向破片特征參數(shù)的增益；方案1 為偏心單點(diǎn)起爆；固定偏心夾角為180°不變，將起爆點(diǎn)數(shù)由2點(diǎn)增加至5點(diǎn)形成方案2～方案5；計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中2點(diǎn)起爆時定向破片密度和平均動能均為方案2～方案5中的最大值，則保持起爆點(diǎn)數(shù)為2點(diǎn)不變，改變偏心夾角設(shè)置了方案6～方案8和方案2。本文所述起爆點(diǎn)均設(shè)置在裝藥上端面，起爆半徑等于裝藥半徑。

圖3 起爆方案示意圖

3 起爆方式對復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部的影響

為方便描述，以方案7為例，劃分方位角如圖4所示。其中偏心起爆點(diǎn)分布弧形中點(diǎn)處定義=0°，對側(cè)定義=180°，0°～360°的方位角逆時針分布。將偏心起爆區(qū)域中心對側(cè)±30°(即=150°～210°)范圍定義為定向區(qū)域。

圖4 起爆點(diǎn)與方位角劃分示意圖

本文研究起爆點(diǎn)數(shù)和偏心夾角2個因素對定向破片平均速度、數(shù)量、平均動能、總動能等特征參數(shù)的影響規(guī)律，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表2示。其中定向破片定義為定向區(qū)域內(nèi)殼體破裂產(chǎn)生的破片。表中數(shù)據(jù)為1/2模型中定向區(qū)域，即=150°～180°范圍內(nèi)產(chǎn)生的破片的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 起爆點(diǎn)數(shù)對定向破片特征參數(shù)的影響

針對復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，對比分析方案2-5計(jì)算結(jié)果，得到隨起爆點(diǎn)數(shù)增加，定向破片特征參數(shù)影響趨勢曲線如圖5所示。

圖5 起爆點(diǎn)數(shù)對定向破片特征參數(shù)的影響趨勢曲線

由圖5可知，隨著起爆點(diǎn)數(shù)增加，定向破片平均速度先增加而后下降：由2點(diǎn)增加至4點(diǎn)，平均速度由1 413.89 m/s增加至1 437.88 m/s，增加了1.70%，而后隨著點(diǎn)數(shù)增加至5點(diǎn)，平均速度僅減小了0.02%?？傮w上定向破片平均速度變化幅度很小，即起爆點(diǎn)數(shù)對定向破片平均速度影響很小。起爆點(diǎn)數(shù)越多，定向破片數(shù)量越少，從2點(diǎn)增加至5點(diǎn)，定向破片數(shù)由72枚減少至55枚，減少了23.61%。隨著起爆點(diǎn)數(shù)增多，定向破片平均動能先減小后增大：由2點(diǎn)增加至3點(diǎn)，平均動能由最大值715.49 J減小25.70%至531.59 J，隨后點(diǎn)數(shù)增加到5點(diǎn)平均動能增加19.19%。隨著起爆點(diǎn)數(shù)增多，定向破片總動能先減小后保持平穩(wěn)：起爆點(diǎn)數(shù)由2點(diǎn)增加至3點(diǎn)，定向破片總動能大幅度下降，由51 515.42 J降低至35 084.67 J，降低了31.89%；而后起爆點(diǎn)數(shù)繼續(xù)增加，總動能平穩(wěn)保持在34 900 J左右。由于定向破片平均動能和數(shù)量均在2點(diǎn)起爆時最大，即2點(diǎn)起爆時產(chǎn)生的定向破片密度和威力最大，為最佳起爆點(diǎn)數(shù)。

3.2 偏心夾角對定向破片特征參數(shù)的影響

保持2點(diǎn)起爆，改變偏心夾角，即對比分析方案6～方案8和方案2計(jì)算結(jié)果，得到隨偏心夾角增大，定向破片特征參數(shù)變化趨勢，如圖6所示。

圖6 偏心夾角對定向破片特征參數(shù)的影響規(guī)律曲線

偏心起爆夾角變大，爆轟波匯聚時間推遲，形成的局部超壓對破片的加速效果變差。隨著偏心夾角逐漸增大，開始階段會使殼體破碎形成的破片更小更碎，部分破片質(zhì)量太小成為無效破片，定向區(qū)域內(nèi)有效破片總質(zhì)量由43.48 g減小至35.65 g，使得定向破片數(shù)量和平均質(zhì)量均減??；此時定向破片平均質(zhì)量和平均速度均下降，因此平均動能也下降；破片數(shù)量減少，因此總動能也降低。但當(dāng)偏心夾角大于135°后，偏心起爆更接近于傳統(tǒng)的中心起爆或環(huán)形起爆，殼體破碎更均勻，定向區(qū)損失的破片質(zhì)量減小，有效破片總質(zhì)量增加至57.38 g，使得定向破片數(shù)量和平均質(zhì)量增加；此時破片平均質(zhì)量增加幅度遠(yuǎn)大于平均速度下降幅度，因此平均動能呈上升趨勢；而破片數(shù)量也增多，破片總動能因而增大。

各特征參數(shù)具體變化趨勢如圖6所示，隨偏心夾角增大，定向破片平均速度雖然先略有提高，但幅度很小可忽略，整體呈下降趨勢：偏心夾角由45°增大到180°，平均速度下降了5.07%。偏心夾角增大，定向破片數(shù)量先減少后增多：偏心夾角由45°增大到135°，破片數(shù)量減少15.15%；繼續(xù)增大到180°，破片數(shù)量增多28.57%到最大值72枚。隨偏心夾角增大，定向破片平均動能先減小后增大：偏心夾角由45°增大到112.5°，平均動能由最大值797.58 J減小22.89%至最小值615 J左右；隨后偏心夾角增大到180°，平均動能增加16.34%至715.49 J。偏心夾角增大，定向破片總動能先減小后增大：偏心夾角由45°增大到123°左右，總動能由最大值52 640 J降低34.94%到最小值34 250 J左右；隨后增加50.41%至51 515.42 J。

綜合衡量以上4個特征參數(shù)，偏心夾角為45°時的定向破片數(shù)量雖然并非最大值，但平均動能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他角度，平均速度與最大值差異微小可忽略，即定向破片平均威力最大。利用定向破片總動能綜合考量定向威力，確定45°為本研究中最佳偏心起爆夾角。

3.3 最佳起爆方案增益

本研究中最佳起爆方案為偏心夾角為45°的2點(diǎn)起爆，對比分析該起爆方案、方案1偏心單點(diǎn)起爆、方案0中心單點(diǎn)起爆產(chǎn)生的破片速度徑向分布如圖7所示。

圖7 最佳起爆方案與對照組方案破片速度徑向分布曲線

由圖7可知，2種偏心起爆方案破片速度均隨方位角增大而提高，即離起爆位置越遠(yuǎn)，破片速度越高。方案1偏心單點(diǎn)起爆破片速度曲線幾乎一直位于方案0中心單點(diǎn)起爆之下，而本文最佳起爆方案下的破片速度在方位角大于75°時一直高于中心單點(diǎn)起爆，并在=180°時達(dá)到最高速度1 600 m/s，比中心單點(diǎn)起爆的破片速度1 399.77 m/s提高了14.30%。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用AUTODUN軟件對9種起爆方案進(jìn)行數(shù)值模擬并計(jì)算，針對起爆點(diǎn)數(shù)和偏心夾角這兩方面影響因素，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分組對比分析，整理得出如下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)了基于多層復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的偏心起爆方案，計(jì)算獲得了起爆點(diǎn)數(shù)、偏心夾角等因素對復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)形成的定向破片特征參數(shù)的影響規(guī)律。

2)偏心夾角不變，偏心起爆點(diǎn)數(shù)由2點(diǎn)增加至5點(diǎn)，定向破片平均速度無明顯變化，破片數(shù)量逐漸減小，平均動能先降低再提高，總動能先降低后趨于平穩(wěn)變化；偏心兩點(diǎn)起爆時，隨著偏心夾角由45°增大至180°，定向破片平均速度逐漸減小，破片數(shù)量、平均動能、總動能均先下降后上升。

3)獲得了所設(shè)計(jì)方案中的最優(yōu)偏心起爆方案，選取偏心夾角為45°的2點(diǎn)起爆為最優(yōu)方案，與中心單點(diǎn)起爆對比，定向破片平均動能增益52.45%，平均速度增益8.76%。