起爆方式對雙聚焦戰(zhàn)斗部性能的影響

榮吉利， 甘振坤， 覃光明， 蔚紅建， 項大林

(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西，西安 710065)

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起爆方式對雙聚焦戰(zhàn)斗部性能的影響

榮吉利1， 甘振坤1， 覃光明2， 蔚紅建2， 項大林1

(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西，西安 710065)

為了分析起爆點數(shù)量和位置對雙聚焦式戰(zhàn)斗部破片飛散特性的影響，對某型號的雙聚焦式破片戰(zhàn)斗部進行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果與試驗值具有較好的一致性，對比分析了采用不同起爆方式時破片的飛散特性. 研究結(jié)果表明，軸向起爆時改變起爆點的位置和數(shù)量對破片初速影響小，對聚焦效果影響大；采用偏心起爆時，破片初速與起爆半徑成正比關(guān)系，起爆點的周向夾角對破片飛散特性影響小，偏心軸向上起爆點數(shù)量和位置影響較大. 適當改變起爆點位置和數(shù)量能優(yōu)化破片飛散，增強聚焦帶對目標的毀傷作用.

雙聚焦式戰(zhàn)斗部；起爆方式；飛散特性；聚焦效果；數(shù)值模擬

聚焦式戰(zhàn)斗部可使軸向能量在一個位置上形成環(huán)帶匯焦，形成以彈軸為中心的破片聚焦帶[1-2]. 魏繼峰等[3]采用LS-DYNA模擬對比了軸線單點、兩點、三點起爆方式下雙聚焦戰(zhàn)斗部的爆轟波傳播過程和破片飛散特性；嚴瀚新等[4]研究了偏心和中心起爆對單聚焦破片戰(zhàn)斗部飛散特性的影響. 目前針對偏心起爆的研究尚未包括起爆半徑和起爆點周向夾角對雙聚焦破片戰(zhàn)斗部的影響，因此有必要對起爆方式影響破片飛散性能作進一步的研究.

本文采用LS-DYNA軟件對某雙聚焦戰(zhàn)斗部的破片飛散特性進行了模擬仿真，并將數(shù)值仿真值與試驗結(jié)果進行了對比. 在此基礎(chǔ)上改變起爆方式(軸線起爆、偏心起爆)進行了模擬，重點研究了起爆半徑、起爆點周向夾角和起爆點數(shù)量變化對破片飛散和聚焦效果的影響.

1 數(shù)值仿真

1.1 有限元模型

戰(zhàn)斗部的有限元模型包括主裝藥、襯殼和破片. 戰(zhàn)斗部長324 mm，最大直徑為203 mm，彈體母線為圓弧形. 破片尺寸為7 mm×7 mm×7 mm，共1344枚，均勻排列在襯殼的外表面. 有限元模型采用8節(jié)點6面體實體單元.

1.2 算法選擇

與Lagrange算法相比，采取ALE算法能更好地模擬炸藥與襯殼、破片的相互作用. 炸藥和空氣劃分為Euler網(wǎng)格，破片和襯殼為Lagrange網(wǎng)格. 破片與襯殼之間的接觸采用自動面對面接觸，破片之間的接觸設(shè)置為單面自動接觸. 起爆方式為中心起爆.

1.3 材料模型

主裝藥為硝酸酯類炸藥，仿真時采用JWL狀態(tài)方程，參數(shù)值見表1. 襯殼為鋁合金材料，采用彈塑性模型；破片為鎢合金材料，采用剛體模型. 材料參數(shù)見表2.

表1 裝藥爆炸性能參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表2 材料力學(xué)參數(shù)

1.4 計算結(jié)果與分析

從圖1(a)可知破片是沿著徑向均勻飛散，戰(zhàn)斗部同一橫截面上的破片飛散情況基本一致；由圖1(b)可知上下束破片朝著各自的聚焦點飛散，形成了兩條很明顯的聚焦帶，軸向位置不同，破片的初速也不同. 爆轟產(chǎn)物從兩邊側(cè)向飛出，產(chǎn)生側(cè)向稀疏波，減少了對襯殼的做功，使破片的加速不夠充分，因此戰(zhàn)斗部端部和中部的破片初速值較低.

由于模型對稱性，所以選用軸向一列共20個破片(考慮到爆轟波端部效應(yīng)，除去兩端部和中部破片)為研究對象. 破片的排列和編號如圖2所示.

對于雙聚焦戰(zhàn)斗部，破片的初速、飛散角和聚焦帶傾角都是重要的毀傷效能指標. 由圖3(a)可知，裝藥起爆后大約20 μs時破片開始加速，50 μs時已達最大值，此速度也稱為初速，此后破片處于勻速狀態(tài). 從圖3可得破片最大速度為2 261.62 m/s，最小速度為1 839.85 m/s，速度差最大值約是200 m/s，破片與軸向中截面夾角為3.6°～5.6°，破片飛散角約為2°.

某研究所對該破片戰(zhàn)斗部進行了地面靜爆試驗，試品的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)與仿真模型的基本一致. 表3為破片平均初速、飛散角及聚焦帶傾角實驗值與仿真值的對比.

從表3可知仿真值與試驗值的誤差在12%以內(nèi). 破片平均初速的仿真值存在誤差的原因是仿真模型中沒有考慮戰(zhàn)斗部外殼和端蓋. 缺少這兩者時，爆轟產(chǎn)物未能充分燃燒釋放能量[5]，對破片的做功時間短，破片所獲的初速也小. 仿真忽略空氣阻力，而破片速度方向會影響飛散角和聚焦帶傾角，因此該因素也導(dǎo)致飛散角和聚焦帶傾角的仿真值與實驗值存在誤差.

表3 數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2 起爆方式的影響

2.1 軸向起爆

為了研究軸向起爆點數(shù)量和位置變化對破片飛散特性的影響，設(shè)計軸向2點和3點起爆類型，共8種起爆方式，見表4. 起爆點將戰(zhàn)斗部的中心軸8等分，如圖4所示. 不同點起爆方式的破片分布圖如圖5所示.

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表4 軸向起爆方式

由圖6(a)和圖7(a)可知：相比中心起爆，兩點起爆時破片的平均初速增益分別為1.02%，2.63%，2.00%；隨著起爆點距離變大，中心處破片增速變快，速度差增大，聚焦帶分束效果變差，兩聚焦帶中心夾角減小. 起爆方式B的聚焦效果不明顯，破片密度小；起爆方式C和D的破片飛散相似，兩束聚焦帶有聚攏趨勢. 起爆方式A的破片速度差最小，聚焦明顯且中心夾角大，其破片聚焦效果更好.

從圖6(b)和圖7(b)可知：與中心起爆相比，3點起爆時破片的平均初速增益分別為0.96%，2.53%，3.39%，3.59%；聚焦帶中心夾角隨著起爆點間距變大而減小. 起爆方式F和G的破片分布空間相似，速度差較大. E和H起爆的破片聚焦最好，E的最大速度和速度差比H小，聚焦帶夾角比H的大，但H的聚焦帶寬度最小，因此H的破片密度最大.

總的來說，3點起爆時聚焦帶破片速度差比兩點起爆的小，所形成的聚焦帶也明顯，所以3點起爆能更好地控制破片飛散，使聚焦帶破片速度差變小、密度增大，對目標毀傷更強.

2.2 偏心起爆狀態(tài)對破片飛散特性影響

偏心起爆戰(zhàn)斗部可選擇起爆點來改變爆轟波傳播途徑和波形，提高目標方向上的破片速度、密度和殺傷半徑[1，6]. 偏心點起爆和偏心線起爆如圖8所示，圖中：2L為戰(zhàn)斗部高度；R為橫截面最大半徑；2θ為起爆點夾角. 偏心點起爆和偏心線起爆分別研究起爆點半徑、周向夾角和起爆點變化對破片飛散特性影響. 偏心點起爆方式見表5；偏心軸線(R/2)3點起爆:方式T(偏心軸線中點和距其L/4處對稱兩點同時起爆)，方式U(偏心軸線中點和距其L處對稱兩點同時起爆)；偏心線起爆：方式V(起爆點間距L/2)，方式W(起爆點間距L/4)，方式X(起爆點間距L/8).

Tab.5 Numbers of initiation manners of eccentric points on middle axial section

起爆半徑2θ=0°2θ=30°2θ=60°2θ=90°R/4方式IR/2方式J3R/4方式KR方式M方式N方式Q方式S

為了研究起爆點沿著周向夾角變化對環(huán)向破片影響，除考察軸向破片飛散情況外，還選取了同一橫截面上的破片為研究對象，破片選取如圖9所示.

由圖10知，在軸向中截面0°徑向處，破片速度隨著起爆半徑變大而增大. 起爆半徑為R時，破片的平均初速達到2 486.45 m/s，比中心起爆時增益為16.02%.

從表6可知，聚焦帶軸向張角隨著起爆半徑增大而變小，即是破片數(shù)量相同時，聚焦帶破片密度變大.

表6 不同起爆半徑時聚焦帶軸向張角

Tab.6 Axial opening angle of focal zones with different detonation radius

起爆方式聚焦帶1張角/(°)聚焦帶2張角/(°)中心162172I148157J111140K112102M094089

Tab.7 Axial opening angle of focal zones with different circumferential angle of initiation points

起爆方式聚焦帶1張角/(°)聚焦帶2張角/(°)中心162172M094089N082080Q106105S120115

由圖12知，起爆半徑相同時，定向區(qū)域內(nèi)同一橫截面周向破片的初速分布曲線斜率與起爆周向夾角成正比，速度變化幅度分別為2.20%，3.93%，6.12%，6.78%，中心起爆為0.73%. 聚焦帶毀傷目標時，要求破片速度差盡可能小，否則在動態(tài)情況下破片命中區(qū)拉大，命中密度減低，影響切割作用. 此外，這4種起爆方式同一橫截面周向破片與定向區(qū)域?qū)ΨQ面夾角基本相同，都比中心起爆的小，所以偏心起爆能增大定向區(qū)域內(nèi)周向破片密度，但增幅較小.

通過對比，起爆方式M與N的軸向破片平均初速增益、聚焦帶軸向張角基本相同，但起爆方式N的周向破片初速曲線斜率要比M的大很多，即M的周向速度差較小，所以在偏心起爆中采用偏心單點起爆的效果更好.

從圖13可計算出，相比中心起爆該6種起爆方式的破片平均初速增益分別為8.96%，11.10%，13.93%，14.23%，14.59%，14.86%，聚焦帶軸向平均張角降幅分別為0.52°，0.86°，0.94°，1.24°，1.17°，1.21°，聚焦帶軸向破片速度差變化幅度分別為71.5，106.1，243.1，181.8，200.5，204.4 m/s. 偏心線起爆的起爆點數(shù)量從5～17個時，圖13中V，W和X的曲線基本重合，這說明起爆點增加到一定數(shù)量后對破片飛散特性影響趨于穩(wěn)定. 線起爆的破片初速與聚焦帶密度均比起爆方式U的大，而速度差比它的??；線起爆的破片初速與聚焦帶密度增益雖均比起爆方式T大，但其破片速度差比起爆方式T的大，兩聚焦帶夾角也小.

從毀傷角度看，聚焦帶內(nèi)破片速度差越小，切割效果越好，聚集帶夾角大，殺傷范圍就廣. 增大軸向上起爆距離和數(shù)量雖能增大破片速度和聚焦帶密度，若重點考慮破片聚焦效果、殺傷范圍和切割效果時，起爆方式T要比其余5種起爆方式更適合此類戰(zhàn)斗部.

3 結(jié) 論

① 軸向起爆時，改變起爆點的數(shù)量和位置，對破片軸向初速分布和聚焦帶的形成影響較大，軸向3點起爆的聚焦效果要比軸向2點的好.

② 偏心起爆時，起爆半徑越大，定向區(qū)域內(nèi)破片的初速就越大. 起爆半徑相同時，起爆點周向夾角對定向區(qū)域內(nèi)軸向破片初度分布和聚焦帶破片密度的影響較小，但會造成聚焦帶同一截面上周向破片存在不同的速度差，當起爆點周向夾角為0°時破片速度差最小.

③ 偏心線起爆時，起爆點達到一定數(shù)量后，破片飛散特性趨于一致. 偏心點起爆時，軸向起爆點數(shù)量與距離對破片速度分布與聚焦有較大影響. 在考察破片速度差和聚焦帶毀傷范圍時，偏心軸線中點和距其L/4處對稱兩點同時起爆是相對較好的一種起爆方式.參考文獻：

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(責(zé)任編輯：劉雨)

Effect of Initiation Manners on Scattering Characteristics of Double-Beam Focusing Warhead

RONG Ji-li1， GAN Zhen-kun1， QIN Guang-ming2， YU Hong-jiang2， XIANG Da-lin1

(1.School of Aerospace Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China;2.Xi’an Modern Chemistry Research Institute， Xi’an， Shaanxi 710065， China)

In order to study the effects of quantities and position of initiation points on double-beam focusing warhead, numerical simulation was conducted on a certain double-beam fragment focusing warhead. The simulation results were accordant well with the test results. The fragment scattering characteristics under different initiation manners were made comparison and analysis. The research results show that when taking axial initiation, the quantity and position of initiation points have less effect on the fragment velocity, large effect on the focusing effects of fragment. When using eccentric initiation, fragment velocity is proportional to the detonation radius, the quantities and location of initiations in the eccentric shaft have much effect on the fragment scattering characteristics than the circumferential angle of initiation point. The fragment scattering can be optimized and the damage effect caused in fragment focal zones can be enhanced by changing the quantities and location of initiation points appropriately.

double-beam focusing warhead; initiation manner; scattering characteristics; focusing effect; numerical simulation

2014-08-12

國家部委預(yù)研項目(00401030102)

榮吉利(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:rongjili@bit.edu.cn.

TJ 410.3

A

1001-0645(2016)04-0359-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.04.005