組合式MEFP成型及對(duì)典型無(wú)人機(jī)的侵徹性能

朱斐宇,姜春蘭

(北京理工大學(xué)， 北京 100081)

1 引言

迄今為止的戰(zhàn)爭(zhēng)中可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)上的作用越來(lái)越大，無(wú)人機(jī)能夠有效減少自身戰(zhàn)斗人員的傷亡，并且具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性，使得無(wú)人機(jī)越來(lái)越受到世界各國(guó)的青睞，因此各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)的防范也越來(lái)越急迫。

以往采用的是單一的爆炸成型彈丸(explosive formed projectile,EFP)戰(zhàn)斗部進(jìn)行攻擊，不可能產(chǎn)生一個(gè)攻擊區(qū)域，沒(méi)有辦法適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)。但是當(dāng)采用的是多爆炸成型彈丸(multiple explosively formed projectile,MEFP)戰(zhàn)斗部時(shí)，就可以對(duì)攻擊目標(biāo)造成大面積的毀傷，大大提高了武器系統(tǒng)的毀傷能力，將傳統(tǒng)的密集型速射武器與MEFP戰(zhàn)斗部進(jìn)行結(jié)合，形成新型反無(wú)人機(jī)的彈炮結(jié)合的武器系統(tǒng)，該武器系統(tǒng)通過(guò)發(fā)射多爆炸成型彈丸來(lái)對(duì)付來(lái)自無(wú)人機(jī)的威脅。本文中，通過(guò)Creo 2.0進(jìn)行建模，Hypermesh賦予網(wǎng)格，利用ANSYS/LS-DYNA，通過(guò)改變影響MEFP戰(zhàn)斗部成型的因素，對(duì)典型無(wú)人機(jī)等效靶的侵徹性能進(jìn)行了數(shù)值分析。

2 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與典型無(wú)人機(jī)靶板的建立

2.1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

戰(zhàn)斗部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)截面圖如圖1所示，MEFP戰(zhàn)斗部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部組成結(jié)構(gòu)主要有殼體、起爆裝置、填充介質(zhì)、獨(dú)立子裝藥和獨(dú)立EFP藥型罩。為了增大打擊面積，本文中采用七罩式軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部，藥型罩結(jié)構(gòu)為等壁厚球缺型藥型罩，子裝藥之間有惰性裝填物，本文中惰性裝填物選用泡沫鋁，密度1.04,采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，以減小相鄰子裝藥間爆轟波的相互干擾。七罩式軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部裝藥口徑為220 mm，高度60 mm，藥型罩直徑為50 mm，相鄰子裝藥間距為25 mm,藥型罩材料為碳鋼。起爆方式為7點(diǎn)同時(shí)起爆，起爆點(diǎn)位于各子裝藥底面圓心處。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，“捕食者”無(wú)人機(jī)能夠在5 000～10 000 m高度之間執(zhí)行任務(wù)，為有效打擊無(wú)人機(jī)，本文中軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部在距離無(wú)人機(jī)150 mm處引爆。

圖1 戰(zhàn)斗部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)截面示意圖Fig.1 Cross section of warhead grid structure

圖2 MEFP戰(zhàn)斗部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 MEFP warhead grid structure diagram

2.2 典型無(wú)人機(jī)靶板的建立

本文中選取代表性的美軍“捕食者”無(wú)人機(jī)，建立等效靶板，分析MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)要害艙段的侵徹性能。根據(jù)強(qiáng)度理論等效公式得到等效靶板的厚度，其計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：0為“捕食者”無(wú)人機(jī)機(jī)身材料的強(qiáng)度；為“捕食者”無(wú)人機(jī)機(jī)身材料的厚度；為等效后的材料的強(qiáng)度;為等效后的材料的厚度。

“捕食者”無(wú)人機(jī)材料強(qiáng)度如表1所示。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)可知，此無(wú)人機(jī)的機(jī)身是先由碳纖維和石英纖維混合后，再由“凱夫拉”纖維材料調(diào)和而成?！安妒痴摺睙o(wú)人機(jī)機(jī)身的下面使用諾梅克斯，泡沫和木材壓制而成的層合板進(jìn)行保護(hù)。因此，復(fù)合材料最小抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中：1為基材抗拉強(qiáng)度下限標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；2為復(fù)材抗拉強(qiáng)度下限標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);為基材厚度；為復(fù)材厚度。

表1 “捕食者”無(wú)人機(jī)材料強(qiáng)度Table 1 Predator material strength sheet

因此將美軍代表性的“捕食者”無(wú)人機(jī)機(jī)身等效為密度為1.74 g/cm、厚度為27 mm的碳纖維靶，將層合板等效為密度為2.7 g/cm、厚度為15 mm的1 200鋁靶,如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)等效靶網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of UAV equivalent target grid

3 影響MEFP戰(zhàn)斗部成型因素分析及對(duì)無(wú)人機(jī)等效靶侵徹性能分析

3.1 戰(zhàn)斗部裝藥種類(lèi)的影響

..不同裝藥對(duì)MEFP戰(zhàn)斗部成型的影響

為了分析不同裝藥對(duì)MEFP戰(zhàn)斗部成型的影響，在裝藥結(jié)構(gòu)和其他參數(shù)不變的情況下，取藥型罩曲率半徑為72 mm,藥型罩壁厚為2.5 mm,戰(zhàn)斗部裝藥選取TNT(1.63 g/cm，爆速為6 930 m/s)、B炸藥(密度1.71 g/cm,爆速為7 980 m/s)、8701(密度1.78 g/cm，爆速為8 315 m/s)進(jìn)行數(shù)值分析。由數(shù)值分析可知，采用各子裝藥中心起爆方式，戰(zhàn)斗部裝藥起爆80 μs后，軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部的成型結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同裝藥時(shí)MEFP戰(zhàn)斗部成型結(jié)果示意圖Fig.4 Molding results of MEFP warhead at different charges

戰(zhàn)斗部起爆80 μs時(shí)，不同裝藥產(chǎn)生的MEFP如圖4所示，由數(shù)值分析可知，在戰(zhàn)斗部裝藥啟動(dòng)80 μs時(shí),TNT炸藥形成的中心EFP尾裙直徑為47.51 mm，B炸藥形成的中心EFP尾裙直徑為56.82 mm，8701炸藥形成的中心EFP尾裙直徑為60.13 mm。結(jié)果表明，隨著主裝藥密度由TNT炸藥提高到8701炸藥，不同密度的主裝藥形成的尾裙直徑呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，有利于爆炸成型后的EFP飛行穩(wěn)定。

不同裝藥形成的中心EFP長(zhǎng)度變化曲線和頭部速度變化如圖5、圖6所示。

由圖5不同密度的主裝藥形成的中心EFP長(zhǎng)度變化的曲線可知，當(dāng)軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部裝藥起爆80 μs時(shí)，TNT炸藥產(chǎn)生的中心EFP長(zhǎng)度為44.69 mm，B炸藥產(chǎn)生的中心EFP長(zhǎng)度為61.26 mm，8701炸藥產(chǎn)生的中心EFP長(zhǎng)度為80.39 mm，不同裝藥產(chǎn)生的中心EFP長(zhǎng)度有逐漸增大趨勢(shì)。由圖6可知，當(dāng)=80 μs時(shí)，TNT炸藥產(chǎn)生的中心EFP速度為1 390 m/s,B炸藥產(chǎn)生的中心EFP速度為1 650 m/s,8701炸藥產(chǎn)生的中心EFP速度為1 860 m/s,這主要是由于8701炸藥比TNT炸藥和B炸藥具有更高的爆速和密度，8701炸藥爆炸產(chǎn)生的能量相對(duì)于TNT及B炸藥更大，所以產(chǎn)生的EFP速度更快。因此，在軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)該盡量選擇密度較高的主裝藥，以便于提高形成的EFP飛行穩(wěn)定性和毀傷效能。

圖5 不同裝藥時(shí)形成的中心EFP長(zhǎng)度變化曲線Fig.5 Change curve of central EFP length formed by different charges

圖6 不同裝藥形成的中心EFP頭部速度變化曲線Fig.6 Curve of central EFP head velocity formed by different charges

..不同裝藥形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的侵徹性能分析

為了研究不同裝藥形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的侵徹性能，以提高對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷，以裝藥為8701炸藥為例，MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)等效靶板的侵徹過(guò)程如圖7所示。

由數(shù)值分析可知，在戰(zhàn)斗部起爆210 μs后，得到不同裝藥形成的MEFP對(duì)靶板的毀傷效果如圖8所示。

圖7 MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)等效靶板的侵徹過(guò)程示意圖Fig.7 MEFP penetration process of uav equivalent target plate

圖8 不同裝藥形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷效果圖Fig.8 Damage effect of MEFP formed by different charges on UAV

由圖8可知，在戰(zhàn)斗部起爆210 μs后，不同裝藥形成的MEFP，對(duì)無(wú)人機(jī)等效靶的毀傷效果不同，TNT炸藥形成的MEFP未打穿無(wú)人機(jī)的機(jī)身等效靶，B炸藥形成的MEFP打穿了無(wú)人機(jī)的機(jī)身等效靶，但開(kāi)孔較小。8701炸藥形成的MEFP已經(jīng)將無(wú)人機(jī)等效靶完全打散，開(kāi)孔直徑很大，此時(shí)彈丸的軸向剩余速度為1 530 m/s,由數(shù)值分析可知，B炸藥形成的MEFP在230 μs后將無(wú)人機(jī)機(jī)身等效靶完全打散，此時(shí)彈丸軸向剩余速度為998 m/s,TNT炸藥形成的MEFP在270 μs后將無(wú)人機(jī)機(jī)身等效靶完全打散，此時(shí)彈丸軸向剩余速度為760 m/s。綜上所述，8701炸藥形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷時(shí)間更快，在對(duì)無(wú)人機(jī)的機(jī)身毀傷后，彈丸的軸向剩余速度更大，更有利于對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身內(nèi)部進(jìn)行毀傷，使無(wú)人機(jī)喪失作戰(zhàn)能力甚至解體。

3.2 藥型罩壁厚的影響

3.2.1 不同藥型罩壁厚對(duì)MEFP戰(zhàn)斗部成型的影響

藥型罩的壁厚對(duì)MEFP速度和形狀有很大的影響。這是因?yàn)樗幮驼直诤竦淖兓瘜⒁鹫植牧铣惺苷ㄋ幈Z波沖擊變形能力的變化，從而導(dǎo)致藥型罩材料流動(dòng)匯聚程度的變化。因此，在裝藥結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變的情況下，即MEFP戰(zhàn)斗部裝藥口徑為220 mm，高度為60 mm，藥型罩直徑為50 mm，藥型罩曲率半徑為72 mm,戰(zhàn)斗部裝藥為8701炸藥，分別選取藥型罩壁厚為=2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm時(shí)進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)數(shù)值分析，不同藥型罩壁厚下，軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部形成的中心EFP速度隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

圖9 不同壁厚時(shí)中心EFP頭部速度變化變化曲線Fig.9 Variation curve of velocity of central EFP head with different wall thickness

表2是在戰(zhàn)斗部起爆60 μs后，不同壁厚彈丸成型的參數(shù)，其中和是中心EFP的長(zhǎng)度和直徑，是周邊EFP的長(zhǎng)度，是中心EFP的速度。

表2 不同藥型罩壁厚彈丸成型參數(shù)(t=60 μs)Table 2 Projectile forming parameters with different shell wall thickness (t=60 μs)

由圖9可知，隨藥型罩壁厚的增大，軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部形成的中心EFP速度隨之減小，從成型結(jié)果看，藥型罩壁厚越薄，中心EFP速度越高。由表2可以看出，當(dāng)藥型罩壁厚增加時(shí)，中心EFP長(zhǎng)徑比和周邊EFP長(zhǎng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)藥型罩厚度由2.0 mm增加到4.0 mm時(shí),中心EFP長(zhǎng)徑比和周邊EFP長(zhǎng)度分別降低了29.79%和27.76%，變化比較明顯，隨著EFP的長(zhǎng)徑比降低，意味著EFP對(duì)無(wú)人機(jī)等效靶板的侵徹深度降低，但對(duì)靶板的開(kāi)孔孔徑將逐漸增大。由表2可知，當(dāng)藥型罩壁厚增加時(shí)，當(dāng)藥型罩壁厚從2 mm到3 mm時(shí)，周邊EFP長(zhǎng)度逐漸減小，當(dāng)壁厚從3 mm到3.5 mm時(shí)，周邊EFP長(zhǎng)度變化較大，當(dāng)壁厚超過(guò)3.5 mm時(shí)，其變化的程度逐漸減小，因此，綜合考慮圖9和表2，為獲得較好的MEFP彈丸形態(tài)，藥型罩壁厚最佳取值范圍為2.0 mm到3.0 mm。接下來(lái)本文根據(jù)對(duì)靶板的毀傷性能進(jìn)行進(jìn)一步篩選。

..不同壁厚形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的侵徹性能分析

為了研究不同壁厚形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的侵徹性能，根據(jù)數(shù)值分析，不同壁厚形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身等效靶打散時(shí)間和此時(shí)的中心彈丸軸向剩余速度見(jiàn)表3。

表3 不同壁厚彈丸侵徹?zé)o人機(jī)性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of projectile penetration UAV with different wall thickness

表3中,＇是不同壁厚形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身等效靶的打散時(shí)間，＇是此時(shí)中心彈丸的軸向剩余速度。由表3可知，隨著藥型罩壁厚的增加，MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身等效靶的打散時(shí)間逐漸增加，此時(shí)的軸向剩余速度逐漸減小。為了進(jìn)一步研究不同壁厚形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身內(nèi)部的毀傷能力，彈丸的發(fā)散角如表4所示,彈丸的發(fā)散角折線如圖10所示。

表4 彈丸的發(fā)散角Table 4 The divergence angle of the projectile

圖10 彈丸的發(fā)散角折線Fig.10 Diverging angle line diagram of projectile

由圖10可知，隨藥型罩壁厚的增加，彈丸的發(fā)散角也發(fā)生了變化，當(dāng)藥型罩壁厚為2 mm到2.5 mm時(shí)，彈丸的發(fā)散角逐漸減小，但藥型罩壁厚為2.5 mm到4 mm時(shí)，彈丸的發(fā)散角逐漸增大，彈丸發(fā)散角的增大,會(huì)降低其對(duì)目標(biāo)的侵徹性能。因此，綜合考慮圖9、圖10和表2～表4，為了獲得較好MEFP彈丸形態(tài)和更好彈丸對(duì)于靶板的侵徹能力，軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部中藥型罩壁厚的最佳取值范圍為2.5 ～3 mm。

3.3 藥型罩曲率半徑的影響

3.3.1 不同曲率半徑對(duì)MEFP成型的影響

當(dāng)戰(zhàn)斗部中的藥型罩采用球缺型藥型罩時(shí)，曲率半徑就是決定其EFP形狀和速度的主要因素。這主要是由于隨著藥型罩曲率半徑的改變，引起了爆轟波陣面對(duì)藥型罩作用位置的改變，并進(jìn)一步造成了藥型罩材料的流動(dòng)方向改變。在裝藥結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變的情況下，其中藥型罩直徑為50 mm，壁厚為2.5 mm,選取藥型罩曲率半徑為67～97 mm(每種情況下依次增加5 mm)。軸向組合式MEFP隨曲率半徑變化的各項(xiàng)參數(shù)如表5所示。EFP速度隨曲率半徑變化曲線如圖11所示。

表5 不同藥型罩曲率半徑彈丸成型參數(shù)(t=60 μs)Table 5 Projectile forming parameters of different charge type cover radius of curvature (t=60 μs)

表5中，為藥型罩的曲率半徑，和是中心EFP的長(zhǎng)度和直徑，為周邊EFP的長(zhǎng)度，為藥型罩整體動(dòng)能，為中心EFP的速度，為周邊EFP的速度。

由表5可知，在軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部中，當(dāng)藥型罩采用不同曲率半徑時(shí)形成的EFP，隨著藥型罩曲率半徑的逐漸增加，中心彈丸的長(zhǎng)徑比逐漸減小，意味著對(duì)等效靶板的侵徹深度降低，對(duì)靶板的開(kāi)孔孔徑將逐漸增大，彈丸尾裙直徑隨著曲率半徑的增大而增大，意味著子EFP的飛行穩(wěn)定性大大增加。并且當(dāng)藥型罩曲率半徑逐漸增大時(shí)，周邊EFP的長(zhǎng)度變化不大，中心EFP和周邊EFP的速度和整體動(dòng)能逐漸增大。然而曲率半徑并不能無(wú)限的增大，這是因?yàn)殡S著曲率半徑的不斷增大，會(huì)逐漸形成桿式彈丸，明顯不利于遠(yuǎn)距離的攻擊目標(biāo)。因此，對(duì)相鄰子裝藥間距為25 mm而言，結(jié)合表5和圖11，綜合考慮MEFP的飛行穩(wěn)定性及毀傷效能，軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部藥型罩曲率半徑取72 mm到87 mm。接下來(lái)再根據(jù)對(duì)靶板的毀傷性能進(jìn)行進(jìn)一步篩選。

圖11 EFP速度隨曲率半徑變化曲線(t=60 μs)Fig.11 Curve of EFP velocity changing with radius of curvature (t=60 μs)

..不同曲率半徑形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的侵徹性能分析

為了研究不同曲率半徑形成的MEFP對(duì)無(wú)人機(jī)的侵徹性能，根據(jù)數(shù)值分析，不同MEFP在對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身等效靶毀傷后的中心EFP軸向剩余速度如表6和圖12所示。

表6 不同曲率半徑下中心EFP軸向剩余速度(t=260 μs)Table 6 Axial residual velocity of central EFP at different curvature radii (t=260 μs)

圖12 不同曲率半徑下中心EFP軸向剩余 速度曲線(t=260 μs)Fig.12 Axial residual velocity diagram of central EFP under different curvature radii (t=260 μs)

由表6和圖12可知，曲率半徑在67～87 mm時(shí)，中心EFP的軸向剩余速度隨著曲率半徑的增大而逐漸減小，當(dāng)在87～97 mm時(shí)，隨著曲率半徑的增加，中心EFP的速度先增加后減小。軸向剩余速度更大，更有利于對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身內(nèi)部進(jìn)行毀傷。因此，結(jié)合表5、表6和圖11、圖12，綜合考慮MEFP的飛行穩(wěn)定性及毀傷效能，軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部藥型罩最佳曲率半徑取72 mm到82 mm。

4 結(jié)論

通過(guò)使用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA,本文就軸向組合式MEFP的成型及對(duì)典型無(wú)人機(jī)的侵徹性能進(jìn)行了數(shù)值分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選擇密度較高的主裝藥，以提高EFP飛行穩(wěn)定性和毀傷效能。本文中通過(guò)數(shù)值模擬得到密度較高和爆速較快的8701炸藥對(duì)軸向組合式MEFP的成型和對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷性能更好。

2) 軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部中藥型罩壁厚的選擇，要考慮形成具有一定速度的EFP，又避免出現(xiàn)EFP對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)身毀傷過(guò)程中形變過(guò)大，確保性能良好。本文中通過(guò)數(shù)值模擬得到了在特定的裝藥條件下，藥型罩壁厚的最佳取值范圍為2.5～3 mm。

3) 當(dāng)戰(zhàn)斗部中的藥型罩采用球缺型藥型罩時(shí)，曲率半徑是決定EFP形狀和速度的主要因素。本文通過(guò)數(shù)值模擬得到了在特定的裝藥條件下，軸向組合式MEFP戰(zhàn)斗部藥型罩最佳曲率半徑取值范圍為72～82 mm，更有利于對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行毀傷。