爆炸作用下艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的安全性分析

劉曉夏，王偉力，呂鵬博，苗 潤

(海軍航空工程學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264001)

隨著我海軍的快速發(fā)展，垂直發(fā)射系統(tǒng)的投入使用，使得載彈數(shù)量得到大幅度增加，雖然大大增加了作戰(zhàn)能力，但是彈藥的安全也應(yīng)受到極大的重視。

當(dāng)彈藥受到外來典型刺激的威脅時(shí)，從起爆機(jī)理方面來講，主要包括熱刺激和沖擊起爆兩大類[1-2]，其中爆炸沖擊波作為典型的毀傷元，對(duì)其作用下彈藥響應(yīng)進(jìn)行分析，對(duì)于戰(zhàn)斗部的安全防護(hù)有著較大的意義。

對(duì)導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部安全性的研究主要是針對(duì)裸炸藥和帶殼裝藥[3-4]，而并未考慮載彈平臺(tái)的影響，對(duì)于存放在垂發(fā)系統(tǒng)中的艦載導(dǎo)彈，其周圍有一定的防護(hù)措施，當(dāng)反艦導(dǎo)彈在發(fā)射艙外爆炸后，其產(chǎn)生的爆炸沖擊波并非直接作用到艦載導(dǎo)彈上，因此需對(duì)此時(shí)沖擊波的耗散過程，以及耗散后的沖擊波作用于戰(zhàn)斗部裝藥，炸藥發(fā)生相應(yīng)響應(yīng)的過程進(jìn)行分析，從而確定艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的安全距離，為垂發(fā)系統(tǒng)內(nèi)艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的防護(hù)提供建議。

1 計(jì)算模型及物理參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

艦載導(dǎo)彈放置于垂直發(fā)射系統(tǒng)中，垂直發(fā)射架為鋼架式結(jié)構(gòu)，對(duì)爆炸沖擊波的傳播影響不大，在建模過程中不考慮。為減少計(jì)算，只針對(duì)垂發(fā)系統(tǒng)中某一艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部進(jìn)行研究，與之相鄰的結(jié)構(gòu)設(shè)置(包括相鄰的發(fā)射箱結(jié)構(gòu))為剛體，從而減小對(duì)沖擊波傳播過程的影響。艙室中焊縫的處理采用ANSYS中的固連失效接觸(TSTS)接觸方式，設(shè)置固定的失效應(yīng)力。

采用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。艙壁、輕質(zhì)防護(hù)裝甲、發(fā)射箱、戰(zhàn)斗部殼體、艦載戰(zhàn)斗部炸藥均采用拉格朗日網(wǎng)格，空氣域和來襲戰(zhàn)斗部炸藥采用歐拉網(wǎng)格，采用流固耦合算法，單位采用cm·g·us制。具體模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.頂板; 2.底板; 3.側(cè)舷; 4.復(fù)合防護(hù)裝甲; 5.艙壁6.發(fā)射箱壁; 7.艦載戰(zhàn)斗部裝藥; 8.艦載戰(zhàn)斗部艙壁; 9.預(yù)制破片控制器; 10.發(fā)射箱相鄰結(jié)構(gòu); 11.來襲戰(zhàn)斗部

圖1 來襲戰(zhàn)斗部在發(fā)射艙內(nèi)臨艙爆炸模型結(jié)構(gòu)

1.2 物理參數(shù)

以某典型反艦導(dǎo)彈為例，其戰(zhàn)斗部技術(shù)參數(shù)：全長900 mm，質(zhì)量220 kg，裝藥質(zhì)量90 kg，裝藥類型為B炸藥。為便于模擬計(jì)算，將來襲戰(zhàn)斗部簡化，通過公式換算為等效裸炸藥質(zhì)量。

帶殼裝藥的等效裸裝藥質(zhì)量為[5]

(1)

其中A為裝填系數(shù)， 對(duì)于圓柱形帶殼裝藥a=1、b=2，則：

(2)

鋼殼可近似取rp0=1.5r0。銅殼取rp0=2.24r0；脆性材料或預(yù)制破片此值應(yīng)小些，根據(jù)式(2)可得出，來襲戰(zhàn)斗部等效為裸炸藥當(dāng)量為71.4 kg，確定炸藥尺寸，Φ30 cm×59.2 cm。

貯運(yùn)發(fā)射箱箱本體以及發(fā)射箱環(huán)筋均為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，材料模型采用帶損傷的Composite Damage Model復(fù)合材料模型[6-7]。為了增強(qiáng)貯運(yùn)發(fā)射箱的整體強(qiáng)度，在箱體的外緣設(shè)有4條加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金。目標(biāo)戰(zhàn)斗部裝藥采用彈塑性動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型和Lee-Tarver三項(xiàng)式點(diǎn)火增長狀態(tài)方程[8-9]。

破片控制器薄壁和艙體均為鋁合金材料，選用Johnson-Cook材料模型，模型參數(shù)如表1所示。空氣材料參數(shù)如表2所示。炸藥采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，力學(xué)性能參數(shù)和材料參數(shù)如表3、表4所示[10]。通過炸藥表面壓力作為炸藥是否被引爆的判據(jù)[11]。

表1 鋁合金材料參數(shù)[12]

表2 空氣材料參數(shù)

表3 裝藥的力學(xué)性能參數(shù)

表4 裝藥材料特性參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 艙室毀傷過程分析

采用上述模型，分析來襲反艦導(dǎo)彈在發(fā)射艙臨艙內(nèi)起爆位置的不同，其產(chǎn)生的爆炸沖擊波對(duì)艙室結(jié)構(gòu)的影響。采用戰(zhàn)斗部中心起爆方式，為了便于描述，將來襲反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部頭部與輕質(zhì)防護(hù)裝甲距離定義為起爆距離。分別對(duì)起爆距離為0 cm、20 cm、60 cm和120 cm時(shí)的毀傷效果進(jìn)行分析，如圖2、圖3、圖4所示考慮要研究的對(duì)象為艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，因此需對(duì)靠近垂發(fā)系統(tǒng)的輕質(zhì)防護(hù)裝甲在爆炸沖擊波的毀傷情況進(jìn)行簡單分析。

從圖4可以看出，來襲反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部在艙室內(nèi)起爆位置的不同，對(duì)其艙壁的破壞效果不同，由于炸藥為圓柱體結(jié)構(gòu)，戰(zhàn)斗部起爆后產(chǎn)生的爆炸沖擊波以橢圓狀向四周傳播。當(dāng)起爆距離為120 cm時(shí)，此時(shí)來襲戰(zhàn)斗部的位置剛好位于艙室的中間部位，戰(zhàn)斗部爆炸后860 μs時(shí)爆炸沖擊波作用到艙室頂板和底板，形成較大凸起變形，對(duì)距離較遠(yuǎn)的輕質(zhì)防護(hù)裝甲的沖擊作用時(shí)間相對(duì)較為靠后，1 520 μs時(shí)艙室內(nèi)各艙壁間的焊縫在爆炸沖擊波的作用下被撕裂，各個(gè)艙壁向四周飛散，輕質(zhì)防護(hù)裝甲并未發(fā)生較大形變。起爆距離為60 cm時(shí)，艙室和120 cm時(shí)的失效模式相近，均為艙室分散。

當(dāng)起爆距離為20 cm時(shí)，爆炸沖擊波直接作用在輕質(zhì)防護(hù)裝甲壁面上，發(fā)生碎甲現(xiàn)象形成較大的沖塞破口，壓力由破口向內(nèi)傳播進(jìn)行泄壓，對(duì)整個(gè)艙室其他艙壁的壓力減低。當(dāng)起爆距離為0 cm時(shí)，和20 cm的破損情況相比碎甲現(xiàn)象更為突出，在輕質(zhì)防護(hù)裝甲上產(chǎn)生的破口直徑更大。

圖5分別為起爆距離為0 cm、20 cm、60 cm和120 cm時(shí)，爆炸沖擊波的傳播過程。 從中可以看出起爆位置不同，對(duì)沖擊波的傳播也有所影響。當(dāng)起爆距離為0 cm時(shí)，爆炸沖擊波沿防護(hù)裝甲形成的沖塞破口向內(nèi)傳播，向發(fā)射箱內(nèi)入射沖擊波，在發(fā)射箱表面處形成高壓區(qū)。當(dāng)起爆距離為20 cm時(shí)，作用到發(fā)射箱表面的波前壓力未使發(fā)射箱破裂，隨著作用時(shí)間增加，發(fā)射箱的受力面積增大，箱體表面發(fā)生較大的塑性變形吸收沖擊波能量。當(dāng)起爆距離為60 cm和120 cm時(shí)，爆炸沖擊波首先作用在各艙壁上，同時(shí)沖擊波發(fā)生反射和折射混合疊加形成復(fù)雜沖擊波，充滿整個(gè)空間。

2.2 艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的受力分析

通過上述對(duì)艙室的毀傷過程分析，當(dāng)來襲戰(zhàn)斗部在艙室中間位置起爆時(shí)，其爆炸產(chǎn)生的大部分能量主要用于艙室解體以及推動(dòng)解體后艙壁的運(yùn)動(dòng)，對(duì)爆炸后沖擊波的傳播產(chǎn)生影響。當(dāng)來襲戰(zhàn)斗部在靠近某一艙壁處起爆時(shí)，由于與艙壁的距離較近，爆炸沖擊波形成的高壓易使得與其相鄰艙壁發(fā)生碎甲現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的沖塞破口，爆炸沖擊波通過破口繼續(xù)向內(nèi)傳播繼續(xù)威脅內(nèi)部的艦載導(dǎo)彈。下面分別對(duì)不同起爆位置作用下艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的受力情況進(jìn)行分析。

從圖6可以看出來襲戰(zhàn)斗部在相鄰艙室爆炸后，由于起爆位置不同造成艙室的毀傷效果不同，從而影響爆炸沖擊波的傳播規(guī)律，造成發(fā)射艙內(nèi)艦載戰(zhàn)斗部的沖擊響應(yīng)不同。當(dāng)起爆距離為0 cm時(shí)，爆炸沖擊波通過沖塞破口繼續(xù)向內(nèi)傳播，此時(shí)爆炸沖擊波仍具有較高的壓力值，作用在發(fā)射箱箱體上形成圓形破孔，之后繼續(xù)作用在艦載戰(zhàn)斗部艙體上擠壓鎢球和內(nèi)部裝藥表面，在炸藥表面形成高的壓力入射區(qū)，炸藥表面的壓力值曲線如圖7所示。當(dāng)起爆距離為20 cm時(shí)，爆炸沖擊波的傳播距離增大，其作用在輕質(zhì)防護(hù)裝甲壁面上雖也發(fā)生碎甲現(xiàn)象，但形成的破口直徑與0 cm相比較小，到達(dá)發(fā)射箱表面處時(shí)使發(fā)射箱壁面發(fā)生塑性變形，擠壓艦載戰(zhàn)斗部艙體上和預(yù)制鎢球，繼續(xù)作用在炸藥表面。起爆距離為60 cm時(shí)，此時(shí)輕質(zhì)防護(hù)裝甲在沖擊波的作用下整體飛散，到達(dá)發(fā)射箱表面處的沖擊波壓力值大大衰減，同時(shí)由于發(fā)射箱內(nèi)部除彈體外仍有剩余空間，沖擊波會(huì)發(fā)生繞流現(xiàn)象，即發(fā)射箱箱體向內(nèi)部剩余空間凹陷，從而減小直接作用在艦載戰(zhàn)斗部的沖擊壓力，對(duì)炸藥的沖擊損傷影響不大。當(dāng)起爆距離為120 cm時(shí)，此時(shí)爆炸沖擊波的毀傷效果和60 cm起爆時(shí)差異不大，隨著爆炸空氣沖擊波的傳播，其壓力和傳播速度等參數(shù)迅速下降，沖擊波作用在戰(zhàn)斗部表面也發(fā)生擾流現(xiàn)象，未能引爆艦載戰(zhàn)斗部。

從圖7(a)中可以看出，當(dāng)來襲戰(zhàn)斗部起爆位置距離輕質(zhì)防護(hù)裝甲較近時(shí)，發(fā)生碎甲現(xiàn)象，產(chǎn)生的爆炸沖擊波沿破口向內(nèi)傳播，雖強(qiáng)度有所衰減，但仍具有較大的超壓值，當(dāng)起爆距離為0 cm時(shí)，炸藥表面的最大入射壓力為6.5 GPa高于B炸藥的臨界起爆壓力5.6 GPa[13]，因此此時(shí)可認(rèn)為能引爆艦載戰(zhàn)斗部；當(dāng)起爆距離為20 cm時(shí)，隨著距離的增大導(dǎo)致爆炸沖擊波的壓力和傳播速度迅速下降，擠壓艦載戰(zhàn)斗部艙體作用到炸藥表面的最大入射壓力值為0.049 GPa，遠(yuǎn)小于B炸藥的臨界起爆壓力值，因此可認(rèn)為此時(shí)對(duì)艦載戰(zhàn)斗部威脅較小；從圖7(b)中可以看出，當(dāng)來襲戰(zhàn)斗部起爆位置距離輕質(zhì)防護(hù)裝甲較遠(yuǎn)時(shí)，艙室在爆炸沖擊波的作用下發(fā)生解體，爆炸沖擊波的波陣面隨傳播距離的增加而不斷擴(kuò)大，其波陣面上的單位面積能量迅速減少，同時(shí)又有部分能量驅(qū)動(dòng)艙壁做功，達(dá)到發(fā)射箱處的壓力值大大衰減，不足以使得發(fā)射箱形成破孔，沖擊波作用到艦載戰(zhàn)斗部艙體時(shí)發(fā)生繞流現(xiàn)象，因此起爆距離為60 cm和120 cm時(shí)，作用到炸藥表面的最大入射壓力值為分別為0.037 GPa和0.03 GPa，，兩者相差不大且均遠(yuǎn)小于臨界起爆壓力值，因此可認(rèn)為此時(shí)對(duì)艦載戰(zhàn)斗部的威脅較小。

由上述分析可知，最小安全距離在0～20 cm之間，選取起爆距離為10 cm、15 cm進(jìn)行分析，得到炸藥內(nèi)部的壓力變化曲線如圖8所示。

從圖8看出起爆距離為10 cm和15 cm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的入射壓力值分別為3.46 GPa、2.03 GPa，雖然兩者均小于臨界起爆壓力值，但起爆距離為10 cm時(shí)，隨著作用時(shí)間增加，引起炸藥發(fā)生反應(yīng)，炸藥內(nèi)部壓力逐漸升高，達(dá)到臨界起爆壓力后引爆裝藥。而起爆距離為15 cm時(shí)，未能引起炸藥內(nèi)部反應(yīng)，壓力逐漸降低，且此時(shí)壓力值較高，與臨界值在同一量級(jí)，可認(rèn)為此時(shí)為最小安全距離。

3 結(jié)論

1) 來襲導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部在其相鄰艙室爆炸時(shí)，產(chǎn)生的破壞模式主要包括兩種：起爆位置距離防護(hù)裝甲較近時(shí)，爆炸沖擊波形成的高壓易使與其相鄰艙壁發(fā)生碎甲現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的沖塞破口；起爆位置位于艙室中間時(shí)，艙室在爆炸沖擊波的作用下發(fā)生解體，艙壁沿各個(gè)方向飛散。

2) 當(dāng)起爆距離為15 cm時(shí)，產(chǎn)生的爆炸沖擊波不足以沖擊起爆艦載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，且隨起爆距離的增大，炸藥表面的入射壓力均遠(yuǎn)小于臨界起爆壓力值，因此可認(rèn)為15 cm為最小安全距離。

：

[1] 程波.戰(zhàn)斗部在沖擊波作用下的響應(yīng)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[2] 李德貴.戰(zhàn)斗部抗破片沖擊引爆感度評(píng)價(jià)方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2016.

[3] 何德昌，徐軍培.反應(yīng)度對(duì)B炸藥熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào),2001(3):46-48.

[4] 李凱，詹勇.爆炸沖擊波經(jīng)隔板衰減后的起爆能力數(shù)值研究[C]//第六屆含能材料與鈍感彈藥技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.成都：中國兵工學(xué)會(huì)爆炸與安全技術(shù)專業(yè)委員會(huì)，2014:474-480.

[5] 張國偉，徐立新.終點(diǎn)效應(yīng)及靶場(chǎng)試驗(yàn)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[6] 李爽，王天運(yùn)，江大志，等.多層復(fù)合防護(hù)板抗侵徹?cái)?shù)值模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].防護(hù)工程，2009， 31(2):51-55 3.

[7] 蔣美蓉，金豐年.爆炸載荷作用下纖維復(fù)合材料加固混凝土拱的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].防護(hù)工程，2015，37(2):27-32.

[8] 章猛華，王鵬新.沖擊起爆彈丸內(nèi)裝藥延遲起爆數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊，2015，36(5):728-733.

[9] 陳忠富,梁斌,陳剛.不同幾何形狀彈丸對(duì)撞擊起爆閾值速度的影響[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009,28(11):1-4.

[10]江增榮,李向榮.預(yù)制破片對(duì)戰(zhàn)斗部沖擊起爆數(shù)值模擬[J].彈道學(xué)報(bào)，2009,21(1):9-13.

[11]孫承緯譯.爆轟物理學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[12]畢見強(qiáng),孫康寧,劉睿等.等效應(yīng)變量對(duì)等徑角擠壓的2A12鋁合金力學(xué)性能的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2005，12(6):43-45.

[13]梁爭峰,袁寶慧.破片撞擊起爆屏蔽B炸藥的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)[J].火炸藥學(xué)報(bào),2006，29(1):5-9.

[14]劉曉夏，王偉力，呂鵬博，等.艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)中相鄰兩導(dǎo)彈間殉爆問題的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):36-40．