排布角對(duì)新型組合式MEFP戰(zhàn)斗部影響研究

陳 闖，楊 麗，董曉亮

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排布角對(duì)新型組合式MEFP戰(zhàn)斗部影響研究

陳 闖1，楊 麗1，董曉亮2

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)，110159；2.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京，210094）

為提升彈藥戰(zhàn)斗部的毀傷效能，設(shè)計(jì)了一種新型組合式多爆炸成型彈丸（MEFP）戰(zhàn)斗部，將戰(zhàn)斗部的成型模塊分為3圈，對(duì)各圈裝藥進(jìn)行了編號(hào)；數(shù)值模擬分析了排布角對(duì)MEFP速度、成型形貌和飛散角的影響規(guī)律。研究表明：隨著排布角的增加，2號(hào)裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、長(zhǎng)徑比、尾裙差均減小，而徑向速度和飛散角逐漸增大；3號(hào)裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長(zhǎng)徑比、尾裙差和飛散角均逐漸減小；4號(hào)裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長(zhǎng)徑比逐漸減小，而尾裙差和飛散角逐漸增大。當(dāng)排布角為15°時(shí)，形成的EFP雖然軸向速度、徑向速度小于其他結(jié)構(gòu)，但是在形成的EFP形貌和飛散角方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

爆炸力學(xué)；MEFP；排布角；數(shù)值模擬；成型

MEFP戰(zhàn)斗部技術(shù)是在20世紀(jì)后期逐步發(fā)展起來(lái)的新型戰(zhàn)斗部技術(shù)，MEFP戰(zhàn)斗部可以產(chǎn)生多個(gè)密實(shí)的爆炸成型彈丸，有效攻擊高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。Blache等[1]為一種徑向排布多個(gè) EFP 戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的起爆裝置來(lái)保證同時(shí)起爆，并形成飛行方向相同的EFP彈丸。Fong等[2]設(shè)計(jì)了一種作戰(zhàn)靈活、各個(gè)組件可以快速安裝在一起的輕型MEFP戰(zhàn)斗部。

隨著MEFP技術(shù)在國(guó)外的不斷發(fā)展，20個(gè)世紀(jì)90年初國(guó)內(nèi)學(xué)者也陸續(xù)展開(kāi)這方面的研究工作。王猛等[3]設(shè)計(jì)了一種能夠在一次爆炸作用下形成3枚EFP彈丸的戰(zhàn)斗部。周翔等[4]數(shù)值模擬研究了一種利用子裝藥結(jié)構(gòu)的多枚爆炸成型彈丸成型過(guò)程。趙長(zhǎng)嘯等[5]針對(duì)整體式MEFP戰(zhàn)斗部參數(shù)與起爆方式的關(guān)系做了相應(yīng)的研究。本文在EFP研究工作的基礎(chǔ)之上，為了進(jìn)一步擴(kuò)大 EFP 的毀傷面積和毀傷能力，研制了一種新型組合式MEFP戰(zhàn)斗部，分析了排布方式對(duì)新型MEFP成型的影響。

1 方案設(shè)計(jì)

本文先對(duì)單一EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的EFP進(jìn)行侵徹試驗(yàn)，使單一EFP滿足侵徹指標(biāo)要求；在此基礎(chǔ)上，對(duì)新型組合式MEFP進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.1 EFP的仿真與實(shí)驗(yàn)

以前期研究的EFP成型裝藥為基礎(chǔ)，進(jìn)行縮比研究，并進(jìn)行二次優(yōu)化，得到φ30mm口徑的藥型罩結(jié)構(gòu)，如圖1所示。藥型罩采用弧錐結(jié)合罩，其中曲率半徑為 28mm，罩錐角為140°，罩壁厚為1.70mm。仿真得到的EFP形態(tài)如圖2所示。從圖2中可以看出，EFP的形狀較佳，能夠滿足飛行穩(wěn)定的需求。

圖1 EFP成型裝藥結(jié)構(gòu)

圖2 EFP成型形狀

對(duì)設(shè)計(jì)的φ30mm的成型裝藥在大炸高條件下進(jìn)行侵徹試驗(yàn)，試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的藥型罩能夠侵徹50倍炸高下的15mm厚的鋼板。圖3為EFP侵徹15mm厚靶板的試驗(yàn)結(jié)果。從圖3中可以看出，爆炸形成的EFP能夠穿透15mm厚的45鋼靶板，滿足所要求的威力指標(biāo)。

圖3 侵徹靶板效果圖

1.2 新型MEFP戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型MEFP戰(zhàn)斗部成型模塊分為3圈，1枚成型裝藥位于MEFP結(jié)構(gòu)的中心，第2圈有6枚分布在中心戰(zhàn)斗部的周?chē)?圈平均分布12枚成型裝藥，第3圈相鄰兩個(gè)裝藥和中心裝藥的夾角為30°。圖4中，中心裝藥圓心為A，第2圈中心裝藥圓心為B，第3圈裝藥圓心為C（0≤∠CAB≤15°），定義∠CAB為排布角。

圖4 新型MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

以每2.5°為一種結(jié)構(gòu)方案，得到排布角為0°、2.5°、5.0°、7.5°、10.0°、12.5°、15°的7種方案。

2 仿真模型和計(jì)算方法

選取三分之一結(jié)構(gòu)部分建立仿真模型，由于數(shù)值模擬計(jì)算中涉及炸藥的爆轟過(guò)程，若采用拉格朗日網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，會(huì)發(fā)生網(wǎng)格畸變，這將不利于計(jì)算的進(jìn)行。為了避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)，采用ALE方法對(duì)MEFP成型進(jìn)行模擬。其中空氣、炸藥罩采用單點(diǎn)多物質(zhì)Euler算法，填充物材料、藥型罩均采用Lagrange算法。計(jì)算模型中選擇8701炸藥，采用JWL狀態(tài)方程。藥型罩材料采用紫銅，選用Johnson-Cook材料模型?？諝饷芏葹?.25×10-3g/cm3，使用空材料模型。填充物材料為尼龍，其中尼龍密度為0.9g/cm3，使用彈塑性材料模型。在數(shù)值仿真過(guò)程中需要多次進(jìn)行重啟動(dòng)：在計(jì)算至60μs時(shí)，由于EFP基本形成，填充物對(duì)形成的EFP的影響已經(jīng)微乎其微，故在60μs時(shí)將填充物材料PART刪除。再利用小型重啟動(dòng)，計(jì)算至100μs，此時(shí)形成的EFP基本定型，且頭尾速度趨于一致。圖5為有限元模型。

圖5 有限元模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 MEFP的成型過(guò)程

圖6所示為排布角=0°時(shí)，新型MEFP的形成過(guò)程。由圖6可以看出，各個(gè)裝藥起爆后大約4μs時(shí)，各個(gè)藥型罩開(kāi)始被壓垮、變形向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于多點(diǎn)起爆存在多個(gè)爆轟波，爆轟波之間相互影響，使第2層、第3層藥型罩徑向受力不均勻而存在徑向速度。當(dāng)=60μs時(shí)，MEFP基本形成，由于存在一定的速度差，運(yùn)行過(guò)程中將逐漸拉長(zhǎng)，但基本保持完整，同時(shí)由于第2層、第3層的EFP彈丸具有不同的徑向速度而逐漸發(fā)散。

圖6 MEFP成型圖

3.2 排布方式對(duì)MEFP速度的影響

EFP的速度是影響侵深的主要因素，在EFP不斷裂的情況下，EFP速度越高，侵徹性能就越高。圖7為排布角與MEFP軸向速度的關(guān)系曲線。由圖7可見(jiàn)，1號(hào)裝藥形成的EFP軸向速度隨著排布方式的變化基本不變；2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)裝藥形成的EFP軸向速度受排布方式影響較大，隨著排布角的增加不斷減小。

圖8 為排布角與MEFP徑向速度的關(guān)系曲線。由圖8可以看出，2號(hào)裝藥形成的EFP徑向速度隨著排布角的增加而增加；3號(hào)、4號(hào)裝藥形成的EFP徑向速度隨著排布角的增加而減小，在排布角=15°時(shí)，各個(gè)EFP達(dá)到最小的徑向速度。

圖7 MEFP軸向速度隨排布角的變化曲線

圖8 MEFP徑向速度隨排布角的變化曲線

3.3 排布方式對(duì)MEFP形貌的影響

EFP的長(zhǎng)徑比是影響EFP侵徹能力的主要因素，長(zhǎng)徑比的增大將有利于增加EFP彈丸的侵徹能力。圖9為MEFP長(zhǎng)徑比隨排布角的變化曲線。

圖9 MEFP長(zhǎng)徑比隨排布角的變化曲線

圖9中1號(hào)裝藥形成的EFP彈丸長(zhǎng)徑比隨著排布角的增加無(wú)明顯變化；2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)裝藥形成的EFP彈丸隨著排布角的增加逐漸減小。

由于MEFP在成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多個(gè)爆轟波，爆轟波之間的作用使EFP尾裙成型不對(duì)稱(chēng)，圖10給出了尾裙差的定義，為形成的EFP尾裙差。尾裙差越小，形成的EFP截面越規(guī)則，形成形狀越好，氣動(dòng)性能越好。圖11給出了尾裙差隨排布角的變化規(guī)律。其中2號(hào)、3號(hào)裝藥形成的EFP尾裙差隨排布角的增加而減??；4號(hào)裝藥形成的EFP的尾裙差隨著排布角的增加而增加。在排布角=15°時(shí)，EFP尾裙差最小，EFP的成型形狀最好。

圖10 尾裙差示意圖

圖11 MEFP尾裙差隨排布角的變化曲線

3.4 排布方式對(duì)MEFP飛散角的影響

由于MEFP在成型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多個(gè)爆轟波，爆轟波相撞產(chǎn)生的影響是出現(xiàn)較大飛散角的主要原因。飛散角的示意圖如圖12所示。圖13為100μs時(shí)MEFP的飛散角。

圖12 飛散角示意圖

圖13 MEFP飛散角隨排布角的變化曲線

由圖13可以看出，2號(hào)、4號(hào)裝藥形成的EFP彈丸隨排布角的增加而增加；3號(hào)裝藥形成的EFP彈丸隨排布角的增加而減小；在排布角=15°時(shí)，3號(hào)裝藥、4號(hào)裝藥形成的EFP彈丸具有相同的飛散角。當(dāng)排布角=15°時(shí)，形成的MEFP分布均勻。

綜上所述：當(dāng)排布角=15°時(shí)，形成的EFP雖然軸向速度、徑向速度均小于其他結(jié)構(gòu)，但是在形成的EFP形貌和飛散角方面有較大的優(yōu)勢(shì)；EFP落點(diǎn)分布均勻。

4 結(jié)論

（1）在單一EFP的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型組合式MEFP戰(zhàn)斗部，新設(shè)計(jì)的MEFP戰(zhàn)斗部可以形成19枚高速EFP彈丸。（2）中心EFP彈丸的軸向速度、長(zhǎng)徑比基本不受排布角的影響。隨著排布角的增加，2號(hào)裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、長(zhǎng)徑比、尾裙差均減小，徑向速度和飛散角逐漸增大；3號(hào)裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長(zhǎng)徑比、尾裙差和飛散角均逐漸減??；4號(hào)裝藥形成的EFP彈丸軸向速度、徑向速度、長(zhǎng)徑比逐漸減小，尾裙差和飛散角逐漸增大。（3）排布角為15°時(shí)，形成的EFP雖然軸向速度、徑向速度小于其他結(jié)構(gòu)，但是在形成的EFP形貌和飛散角方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

[1] Blache A,Weimann K.Multi-EFP-charge for light weight armor defeat[C]//18th International Symposium on Ballistics. San Antonio : TX. Institute for Advanced Technology, 1999.

[2] Fong R, Ng W, Tang W, et al. Multiple explosively formed penetrator (MEFP) warhead technology development [C]//19th International Symposium of Ballistics. Interlaken, Switzerland: International Ballistics Committee, 2001.

[3] 王猛, 黃德武,羅榮梅.整體多枚爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報(bào),2010,31(4):453-457.

[4] 周翔,龍?jiān)?余道強(qiáng),等.多彈頭爆炸成形彈丸數(shù)值仿真及發(fā)散角影響因素[J].兵工學(xué)報(bào),2006,27(1): 23-26.

The Influence of Arrangement Angle on the New Combined MEFP Warhead

CHEN Chuang1，YANG Li1，DONG Xiao-liang2

(1.School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang, 110159；2. ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing，210094)

In order to improve the damage efficiency of the ammunition warhead, a new combined multi-explosive molded projectile (MEFP) warhead was designed, the forming module of the warhead was divided into three circles, each ring has been numbered. The influence of arrangement angle on MEFP speed, forming morphology and dispersion angle were numerical studied. The results show that with the increase of the arrangement angle, the axial velocity, length-diameter ratio and tail-skirt difference of EFP projectile formed by No.2 charge decrease, and the radial velocity and dispersion angle gradually increase. For No.3 charge, all parameters decrease with the increase of arrangement angle. The axial velocity, radial velocity and aspect ratio of EFP projectile formed by No.4 load decrease gradually, while tail skirt difference and dispersion angle gradually increase. When the arrangement angle is 15 °, the EFP formed has smaller axial velocity and radial velocity than other structures, but it has a great advantage in the formation of EFP morphology and dispersion angle.

Mechanics of explosion；Multiple explosively formed projectile；Arrangement angle；Numerical simulation；Formation

1003-1480（2018）02-0040-04

TJ410.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.011

2018-01-05

陳闖（1987-），男，講師，主要從事爆炸力學(xué)與沖擊動(dòng)力學(xué)研究。

遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（201602650）；沈陽(yáng)理工大學(xué)博士后科研啟動(dòng)基金資助（1010148000805）；沈陽(yáng)理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助（2016BS05）。