大炸高下藥型罩高度及曲率半徑對射流侵徹能力的影響*

付 璐，李樹強，王景文，尹兆杰，于國輝，周俊祥

(中國兵器工業(yè)第208研究所，北京 102202)

0 引言

在受限的彈體空間內(nèi)，戰(zhàn)斗部威力的提高對武器裝備作戰(zhàn)性能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用。目前，爆炸成型戰(zhàn)斗部的技術(shù)發(fā)展趨勢為小尺寸緊湊型戰(zhàn)斗部技術(shù)、高初速侵徹體戰(zhàn)斗部優(yōu)化技術(shù)［1］、遠(yuǎn)距離飛行穩(wěn)定控制技術(shù)、大炸高下提高侵徹體毀傷威力技術(shù)、新型高能炸藥及藥型罩材料在戰(zhàn)斗部上的應(yīng)用技術(shù)。

高速桿式射流具有抗干擾性強的優(yōu)點，尤其在大炸高下可以減輕戰(zhàn)斗部質(zhì)量，并保持較高的破甲威力，一直是戰(zhàn)斗部設(shè)計者研究的重點。國內(nèi)外對高速桿式射流的研究比較活躍，主要基于通過計算機(jī)仿真和試驗的研究方法，研究大錐角藥型罩壓垮、射流的形成、延伸和失穩(wěn)全過程以及影響因素分析等方面［1-4］。但是，關(guān)于較大炸高(20倍裝藥口徑)下桿式射流侵徹威力的報道較少。

文中利用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了在大炸高下，藥型罩罩高、曲率半徑對桿式射流侵徹威力的影響，并得到了最佳的裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍;試驗統(tǒng)一在相同的炸高1.2 m(20D)情況下，對同一結(jié)構(gòu)因素做出改變的戰(zhàn)斗部進(jìn)行了靜爆試驗，以桿式射流侵徹鋼靶的深度為考核指標(biāo)，得到了最佳的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過研究大炸高條件下桿式射流戰(zhàn)斗部的裝藥結(jié)構(gòu)和侵徹威力，擬獲得了抗干擾能力強的高速桿式射流，這對于大幅度縮短裝藥，提高防空反導(dǎo)彈藥和反輕型裝甲目標(biāo)彈藥的毀傷效能有著現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

1 偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

1.1 偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)

文中設(shè)計的偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有:采用船尾裝藥結(jié)構(gòu)，藥型罩口徑D，藥型罩罩高H，藥型罩外曲率半徑R1，內(nèi)曲率半徑R2，裝藥長度L。殼體厚度δ。

圖1 偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 戰(zhàn)斗部幾何模型

1.2 數(shù)值模擬算法和材料參數(shù)選擇

計算模型建立和有限元網(wǎng)格劃分使用Truegrid前處理軟件。為了簡化計算，模型中不考慮殼體，僅考慮藥型罩、炸藥和空氣三部分，見圖2。采用多物質(zhì)Euler格式來模擬炸藥的爆轟、藥型罩的壓垮和侵徹體的成型過程。

網(wǎng)格單元選用solid164八節(jié)點六面體單元。模型共劃分318 125節(jié)點，301 840單元。藥型罩采用MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來描述動態(tài)響應(yīng)過程以及高應(yīng)變下的材料變形問題。材料參數(shù)見表1。

表1 銅材料參數(shù)［2］

炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能材料模型和JWL狀態(tài)方程，JWL狀態(tài)方程精確描述了在爆炸驅(qū)動過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性，表達(dá)式為:

式中:peos為來自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力;P為炸藥單元所釋放的壓力;F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù);V為爆轟產(chǎn)物相對體積;E為爆轟產(chǎn)物單位體積的內(nèi)能;A、B、R1、R2和w為輸入?yún)?shù)。采用8701炸藥，材料參數(shù)如表2。

表2 8701炸藥材料參數(shù)［2］

空氣材料采用流體模型為MAT_NULL，狀態(tài)方程用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來描述。線性多項式狀態(tài)方程表示單位初始體積內(nèi)能的線性關(guān)系，壓力值由下式給出:

式中:C0、C1、C2、C3、C4、C5和 C6為常數(shù);E 為初始內(nèi)能。其中，μ=1/V－1，V為相對體積。材料參數(shù)見表3。

表3 空氣材料參數(shù)［2］

1.3 數(shù)值模擬分析

1)藥型罩高度對侵徹體成型性能的影響

為研究罩高對偏心亞半球藥型罩形成侵徹體的影響，藥型罩采用等壁厚設(shè)計，參考尺寸:口徑D=100 mm，外曲率半徑R1=134 mm，內(nèi)曲率半徑R2=130 mm，裝藥長度L=150 mm，殼體厚度δ=2 mm。

分別取 H/D 為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 和0.4的偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)在其他參數(shù)不變情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。起爆方式采用裝藥頂端環(huán)形起爆。

計算結(jié)果表明:H/D＜0.2時，形成的侵徹體形狀短而粗，即形成爆炸成型彈丸。H/D≥0.2形成桿式侵徹體。H/D值越大，侵徹體越細(xì)長，頭尾速度差越大，有分裂成高速射流和低速杵體的趨勢。侵徹體成型如圖3所示。

2)曲率半徑對侵徹體成型性能的影響

參考模型參數(shù)為:藥型罩采用等壁厚設(shè)計，口徑D=100 mm，罩高H=30 mm，裝藥長度L=150 mm，殼體厚度δ=2 mm。

圖3 不同藥型罩高度的裝藥結(jié)構(gòu)在t=150 μs形成的侵徹體形狀

圖4 t=150 μs時刻，裝藥長徑比對侵徹體頭尾速度的影響

為研究藥型罩曲率半徑對偏心亞半球藥型罩形成侵徹體的影響，文中分別對 R/D 為 0.5、0.7、0.9、1.1、1.3、1.5 和1.7 的偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)在其他參數(shù)不變情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。

表4 不同曲率半徑t=150 μs時的計算結(jié)果

計算結(jié)果表明:彈丸頭、尾部速度隨R/D值增大而增大。隨R/D值增大，彈丸外形也逐漸變得更加密實，彈丸尾部空腔逐漸減小。綜合考慮彈丸外形、速度等因素，1.3≤R/D≤1.7時，形成的桿式射流較好。侵徹體成型如圖5所示。

圖5 不同藥型罩曲率半徑的裝藥結(jié)構(gòu)在t=80 μs形成的侵徹體形狀

1.4 桿式射流侵徹靶板的數(shù)值模擬

根據(jù)總體模型進(jìn)行模型簡化，建立了數(shù)值模擬所需要的幾何模型，為了節(jié)省計算單元，建立1/4模型，模型由藥型罩、炸藥、空氣域、靶板四部分組成，如圖6所示。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:裝藥口徑為63 mm、H/D=0.3、R/D=1.7，靶板采用 45#鋼錠，直徑為 200 mm，厚度為90 mm。

圖6 幾何模型示意圖

建立有限元計算模型的基礎(chǔ)上，采用LS-DYNA有限元軟件，在1.2 m(20D)炸高下，對前面單因素數(shù)值仿真確定的優(yōu)化方案進(jìn)行了侵徹靶板的數(shù)值模擬，圖7為不同時刻桿式射流侵徹90 mm厚靶板的全過程。

仿真結(jié)果得到:亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流能夠穿透90 mm厚的鋼錠，可以清楚看到桿式射流侵徹鋼靶的開坑階段、準(zhǔn)定常階段和穿透階段;通過模擬可知，侵徹初始階段具有較高頭部速度，速度在3 800 m/s左右，但受靶板阻力影響，頭部速度逐漸降低，大約在320 μs時射流集中對靶板進(jìn)行穩(wěn)定侵徹，在360 μs時完全穿透靶板，其入口口徑為Φ32 mm，出口口徑為Φ20 mm。桿式射流在穿透靶板后仍具有一定的余速，為900 m/s左右。

圖7 桿式射流侵徹90 mm厚鋼靶過程

2 靜破甲試驗

2.1 試驗條件及布置

為研究大炸高情況下桿式射流的侵徹威力，根據(jù)需要設(shè)計了六種方案，開展靜爆試驗，主要針對藥型罩高度和曲率半徑對桿式射流侵徹深度和侵徹孔徑的影響進(jìn)行了分析。設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù):裝藥口徑為63 mm，殼體厚度2.25 mm。選用紫銅藥型罩，藥柱選用8701炸藥。偏心亞半球型戰(zhàn)斗部放在自制的一定高度的試驗臺上，用電雷管引爆。試驗彈體及現(xiàn)場布置如圖6所示。戰(zhàn)斗部豎直放置，藥型罩口朝下，彈體正下方放置鋼質(zhì)靶板，保證戰(zhàn)斗部軸線與靶板平面垂直。靶板采用45#鋼錠，直徑為200 mm，厚度為90 mm。

圖8 試驗布置圖

2.2 試驗方案

選擇相同藥型罩曲率半徑、不同罩高的偏心亞半球型戰(zhàn)斗部，試驗炸高為1.2 m，實施靜爆試驗。戰(zhàn)斗部形成的桿式射流對45#鋼靶的侵徹試驗結(jié)果照片如圖9所示，試驗方案與結(jié)果數(shù)據(jù)見表5。

表5 試驗方案與侵徹結(jié)果

選擇相同藥型罩罩高、不同曲率半徑的偏心亞半球型戰(zhàn)斗部，試驗炸高為1.2 m，實施靜爆試驗。戰(zhàn)斗部形成的桿式射流對45#鋼靶的侵徹試驗結(jié)果照片如圖10所示，試驗方案與結(jié)果數(shù)據(jù)見表6。

表6 試驗方案與侵徹結(jié)果

2.3 試驗分析

1)為研究單因素對桿式射流侵徹威力的影響，設(shè)計了6種試驗方案。從侵徹孔徑上，6組試驗的侵徹孔徑均在0.5D左右。以桿式射流侵徹鋼靶的深度為評價指標(biāo)，分析藥型罩罩高對桿式射流侵徹威力的影響，藥型罩H/D=0.2的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流頭尾部速度較低，侵徹能力較弱;藥型罩H/D=0.3的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流侵徹90 mm厚45#鋼錠的深度最大，侵徹威力最好;藥型罩H/D=0.4的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流由于尾部速度較低，沖擊靶板前射流拉斷，影響了侵徹威力。

2)以桿式射流侵徹鋼靶的深度為評價指標(biāo)，分析藥型罩曲率半徑對桿式射流侵徹威力的影響，藥型罩R/D=0.5、1.1的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流頭尾部速度較低，尾部空腔大;對比之下，藥型罩R/D=1.7的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流頭尾速度大、氣動外形良好，能夠穿透90 mm厚鋼錠。

從桿式射流侵徹靶板的穿深和孔徑上看，靜爆試驗侵徹鋼靶的威力結(jié)果與優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案數(shù)值模擬的結(jié)果基本一致，驗證了數(shù)值模擬的合理性。

圖9 桿式射流對鋼錠的毀傷情況

圖10 桿式射流對鋼錠的毀傷情況

3)較大的炸高對桿式射流的破甲深度存在一定的影響。試驗過程中，炸高為1.2 m條件下，桿式射流在向前運動過程中產(chǎn)生徑向分散和擺動，沖擊靶板前因不斷拉伸，斷裂成顆粒而離散，射流開孔附近形成“淺坑”，影響射流穿孔的深度。

3 結(jié)論

通過研究藥型罩高度和曲率半徑兩因素對偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)形成侵徹體侵徹威力的影響并進(jìn)行了侵徹靶板的數(shù)值模擬和靜爆試驗研究，可以得出以下結(jié)論:

1)對偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)H/D＜0.2時，形成的侵徹體形狀短而粗，即形成爆炸成型彈丸;當(dāng)H/D≥0.2形成桿式射流。另外，桿式射流頭、尾速度隨R/D值增大而增大，且隨R/D值增大，彈丸外形也逐漸變得更加密實，射流尾部空腔逐漸減小，當(dāng)1.3≤R/D≤1.7時，形成的桿式射流性能較好。

2)對藥型罩高度和曲率半徑兩因素設(shè)計了6種亞半球型戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)方案，分別為H/D=0.2、0.3、0.4 和 R/D=0.5、1.1、1.7，并相應(yīng)進(jìn)行了靜破甲試驗。試驗表明:在大炸高情況下，對于裝藥口徑63 mm的亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)而言，藥型罩參數(shù)H/D=0.3或R/D=1.7的裝藥結(jié)構(gòu)形成的桿式射流侵徹威力最佳。經(jīng)優(yōu)化后的聚能裝藥結(jié)構(gòu)在20倍裝藥口徑炸高仍具有一定的侵徹能力。

3)偏心亞半球型裝藥結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下能夠形成的高速桿式射流，具有對炸高不敏感的特點，同時，具有比EFP飛行速度大，侵徹能力更強的特點。

4)選擇優(yōu)化后的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行侵徹鋼靶的數(shù)值模擬，以鋼靶穿深為評價指標(biāo)，模擬了桿式射流侵徹靶板的全過程，其結(jié)果與靜爆試驗基本符合，說明方法是正確的。

［1］Mattsson K，Sorensen N，Ouve R，et al.Development of the K-charge，a short L/D shaped charge［C］∥ Reinecke W G.18th International Symposium on Ballistics，San Antonio，Texas，Terminal Ballistics Vulnerability Wound Ballistics，1999:528-534.

［2］吳晗玲，段卓平，汪永慶.桿式射流形成的數(shù)值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26(4):328-332.

［3］王海福，江增榮，俞為民，等.桿式射流裝藥水下作用行為研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2006，26(3):189-192.

［4］李偉兵，王曉鳴，李文彬，等.裝藥長徑比對聚能桿式侵徹體成型的影響［J］.彈道學(xué)報，2011，23(4):61-65.

［5］隋樹元，王樹山.終點效應(yīng)學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2000.

［6］北京工業(yè)學(xué)院八系編寫組.爆炸及其作用:下冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1979.

［7］汪慶桃，陳斌，張曉偉.爆炸成型桿式射流形成特性研究［C］∥第五屆全國計算爆炸力學(xué)會議，2012.

［8］李成兵，沈兆武，裴明敬.高速桿式彈丸初步研究［J］.含能材料，2007，15(3):248-252.