趙長嘯，龍 源，紀(jì) 沖，余道強(qiáng)，徐浩銘

( 1.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京，210007；2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081；3.總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫，214035)

多爆炸成形彈丸（multiple explosively formed penetrators，簡稱 MEFP）戰(zhàn)斗部是近年來研究的一種高效毀傷戰(zhàn)斗部。該戰(zhàn)斗部爆炸后能夠產(chǎn)生多枚彈丸，對目標(biāo)進(jìn)行大密集度攻擊，從而造成大面積的毀傷，與常規(guī)EFP的單點(diǎn)打擊相比，MEFP將極大提高對空中目標(biāo)打擊毀傷的概率。MEFP戰(zhàn)斗部根據(jù)其裝藥結(jié)構(gòu)分為組合式、變形罩式以及切割式3種。其中切割式MEFP戰(zhàn)斗部是在單個(gè)EFP裝藥基礎(chǔ)上安裝一可拋擲切割裝置，切割處于變形過程中的藥型罩，使其形成多個(gè)破裂的小彈丸攻擊目標(biāo)。它因結(jié)構(gòu)簡單、生成彈丸侵徹能力強(qiáng)，成為國內(nèi)外戰(zhàn)斗部技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題[1-4]。

Richard Fong等[1]提出了利用強(qiáng)度比較高的金屬桿組成的網(wǎng)柵來切割藥型罩從而形成切割式MEFP的方法，并得到了預(yù)期的彈丸發(fā)散角和散布面積；張洋溢等[3]則對切割網(wǎng)柵金屬絲的直徑、材料以及距藥型罩的距離對MEFP彈丸發(fā)散角的影響進(jìn)行了研究；龍?jiān)吹萚4]對切割網(wǎng)柵的形狀對MEFP的影響進(jìn)行了研究；但至今尚未見到起爆方式的改變對切割式MEFP毀傷元成形的影響分析。

郭美芳等[5]的研究表明，戰(zhàn)斗部作用模式的形成以及對目標(biāo)的作用效果與起爆方式有關(guān)，不同起爆方式將對戰(zhàn)斗部的性能產(chǎn)生重要影響。因此，本文在Richard Fong研究[1]基礎(chǔ)上，對60mm口徑弧錐結(jié)合罩EFP戰(zhàn)斗部進(jìn)行改進(jìn)，即在藥型罩的前端設(shè)置一個(gè)可拋擲的十字形鎢桿切割網(wǎng)柵，以生成 MEFP?；贚S-DYNA動力有限元程序，采用Lagrangian算法探討了切割式MEFP戰(zhàn)斗部毀傷元成形的過程以及起爆方式對毀傷元成形的影響，并開展了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，證實(shí)了數(shù)值模擬的可信性。

1 裝藥結(jié)構(gòu)與仿真模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)與有限元模型

本文利用LS-DYNA 3D有限元軟件，采用拉格朗日算法對切割式MEFP戰(zhàn)斗部成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。藥型罩采用弧錐結(jié)合罩，藥型罩口徑為56mm，曲率半徑為46mm，錐角為160°，壁厚為3.5mm。炸藥為圓柱形裝藥，裝藥半徑為 30mm，裝藥長度為60mm[6]。采用十字形切割裝置置于藥型罩底部。模型采用拉格朗日六面實(shí)體單元，定義藥型罩與炸藥、炸藥與殼體之間接觸為滑移接觸，藥型罩與切割絲之間采用侵蝕接觸，藥型罩內(nèi)部采用自動面面接觸，從而可以有效地避免網(wǎng)格之間發(fā)生穿透、畸形。采用底部起爆方式。裝藥為軸對稱裝藥結(jié)構(gòu)，計(jì)算模型采用1/2三維實(shí)體建模，模型尺寸按照試驗(yàn)戰(zhàn)斗部實(shí)體尺寸，如圖1所示。與有限元模型相對應(yīng)的試驗(yàn)照片如圖2所示。

圖1 1/2 MEFP戰(zhàn)斗部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mesh of numerical model of 1/2 MEFP

圖2 切割式MEFP戰(zhàn)斗部試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Picture of incised MEFP warhead for experiment

1.2 材料模型與參數(shù)

計(jì)算中炸藥采用8701炸藥，密度為1.7g/cm3，爆速為8 315m/s，選用JWL狀態(tài)方程[7]：

式（1）中：A、B、R1、R2、ω是常數(shù)，E是炸藥單位體積中的內(nèi)能。

藥型罩材料選用紫銅，密度為 8.96g/cm3；外殼材料為鋁，密度為2.875g/cm3；切割絲采用鎢絲，密度為 17.6g/cm3，均采用 Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程[7]。在壓縮狀態(tài)下：

式（3）中：μ=ρ0ρ-1；C是材料靜態(tài)體聲速；S1、S2、S3分別是材料沖擊絕熱線(即Hugonio線)的有關(guān)參數(shù)；γ0是Gruneisen系數(shù)；a是對γ0的一階體積修正量。

2 仿真與試驗(yàn)研究

2.1 仿真結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬可以得到MEFP的基本形成過程，如表1所示。

表1中高溫高壓下處于流體狀態(tài)的藥型罩被切割網(wǎng)柵切割成4部分，同時(shí)被切割開的部分因徑向速度的存在繼續(xù)向中間擠壓。由于藥型罩的中心部分首先受到爆轟波的作用，其速度高于周邊部分。隨著時(shí)間的推移罩微元逐漸失效，藥型罩將被拉斷。結(jié)果速度最快的藥型罩中心部分運(yùn)動在最前面，因軸向速度相同成為單獨(dú)的一個(gè)部分，而其余的4個(gè)剩余部分具有相同的軸向速度和不同的徑向速度；藥型罩被十字形切割裝置切割的最終結(jié)果是形成了由5個(gè)獨(dú)立運(yùn)動彈丸組成的MEFP。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性及MEFP的空間分布規(guī)律，對其進(jìn)行網(wǎng)靶試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同距離網(wǎng)靶上彈丸的穿孔圖Fig.3 Picture of fragments perforation on net target with different distance

由圖3可知，彈丸成形過程主要分為3個(gè)階段：

（1）距離戰(zhàn)斗部2.5m處，彈丸在網(wǎng)靶上穿孔為一個(gè)較大的孔形，但在孔的周邊能發(fā)現(xiàn)一些不規(guī)則的棱角，由此可推斷此時(shí)5枚彈丸已經(jīng)形成，但四周彈丸相對于中心彈丸的發(fā)散還很??；

（2）距離戰(zhàn)斗部3.0m和3.5m處，網(wǎng)靶上穿孔雖然沒有完全顯現(xiàn)出5枚，但已經(jīng)能看得出有幾個(gè)不同尺寸的孔洞出現(xiàn)了，這說明四周彈丸已經(jīng)慢慢開始同中心彈丸分離，但由于5枚彈丸還是相對集中，故仍然無法辨識出5枚孔洞；

（3）到距離4.0m之后5枚彈丸已經(jīng)完全分開，從網(wǎng)靶上的穿孔可以看出，中心彈丸的穿孔面積小，且形狀規(guī)則，而四周彈丸的穿孔面積較大但形狀各異且不規(guī)則。彈丸的分布基本上呈現(xiàn)出周邊的4枚彈丸圍繞著中心彈丸均勻分布，且隨著飛行距離的增大，其周邊彈丸的散布也隨之增大。

從表1和圖3中可以看出，該戰(zhàn)斗部經(jīng)網(wǎng)柵切割后能形成5枚具有一定質(zhì)量和方向性的彈丸。且無論是仿真還是試驗(yàn)研究結(jié)果，MEFP的形成過程和分布形態(tài)具有較好的一致性，從而表明仿真模型和參數(shù)的設(shè)置較合理，可以用于代替試驗(yàn)研究起爆方式的變化對MEFP性能的影響。

表1 MEFP成型過程Tab.1 Forming process of MEFP

3 起爆方式的影響

由上述研究可知，藥型罩在爆轟載荷壓垮作用下變形、翻轉(zhuǎn)并由切割絲切割形成MEFP，爆轟載荷的大小與分布決定了MEFP侵徹能力的大小。由爆轟波傳播理論可知[8]，爆轟載荷主要是通過爆轟波來傳遞的，在裝藥結(jié)構(gòu)一定條件下，采用不同起爆方式時(shí)，爆轟波陣面的形狀與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，作用于罩微元的爆轟載荷分布規(guī)律隨之發(fā)生變化，因此，起爆方式對MEFP侵徹能力的大小具有較大影響。文中采用的起爆方式包括以下3種形式：點(diǎn)起爆為裝藥底部中心位置起爆；環(huán)形起爆為在裝藥底部具有一定半徑圓環(huán)形的線起爆；平面起爆為裝藥底部整個(gè)平面的面起爆。

3.1 起爆方式對MEFP速度的影響

MEFP對靶板的侵徹能力主要取決于其動能大小，對于一定質(zhì)量的彈丸，其獲得的速度越大，則動能越大，對靶板的穿透能力就越強(qiáng)。分析其速度隨時(shí)間的變化規(guī)律對于研究MEFP穿甲性能有重要意義。

由仿真結(jié)果分析可知，不同起爆方式下彈丸成形過程類似并可以近似分解成3個(gè)階段：第1階段為高能炸藥驅(qū)動加載階段，這個(gè)階段的特征為高能炸藥起爆產(chǎn)生的沖擊波對藥型罩的瞬時(shí)沖擊作用；第2個(gè)階段為藥型罩被切割階段，這個(gè)階段的特征是藥型罩遇到鎢絲被切割，動能降低，同時(shí)炸藥產(chǎn)生的沖擊波接著作用于藥型罩；第3個(gè)階段為藥型罩自身變形階段，這個(gè)階段產(chǎn)生的主要原因?yàn)樗幮驼謨?nèi)部微元間的速度梯度，這種速度梯度是由于沖擊波沖擊藥型罩各微元的持續(xù)時(shí)間和角度的不同所造成的。

圖4為3種起爆方式下MEFP速度變化曲線，其中環(huán)形起爆時(shí)，取起爆半徑r=12mm。從圖4中曲線可以看出，在8μs處，彈丸速度都有突升，這說明爆轟波開始作用壓垮藥型罩。從圖4(a)曲線來看，在前20μs中心彈丸都有一個(gè)加速過程，在20μs左右達(dá)到最大，這是爆轟波及其沖擊作用的結(jié)果，而從圖4(b)曲線看來，周邊彈丸只在前 12μs有一個(gè)加速過程，在12μs左右達(dá)到最大。造成上述差異的主要原因?yàn)椋寒?dāng)炸藥起爆后，爆轟波沖擊藥型罩，在 12μs時(shí)，藥型罩與切割絲相碰撞被切割，周邊彈丸速度降低，而中心彈丸速度繼續(xù)增長。因?yàn)楫?dāng)裝藥起爆后，其爆轟能量主要集中于藥型罩中心部位，即中心彈丸，而藥型罩邊緣即周邊彈丸微元接受能量相對較少，因此周邊彈丸受切割絲影響較大。炸藥產(chǎn)生的沖擊波繼續(xù)作用于藥型罩，在 20μs時(shí)，炸藥的爆轟產(chǎn)物開始和藥型罩分離，不再受爆轟產(chǎn)物的作用，但由于藥型罩在軸向上存在速度梯度，因此形成的藥型罩各微元相互間存在剪力，最終導(dǎo)致藥型罩將被拉伸形成彈丸，這就造成了彈丸速度的降低，直到這種速度梯度消失，彈丸達(dá)到穩(wěn)定飛行狀態(tài)。

圖4 3種起爆方式下彈丸速度變化曲線Fig.4 Change curves of velocity of MEFP under three initiation methods

對比圖4中曲線可知，相對于點(diǎn)起爆，環(huán)形起爆與平面起爆可以明顯提高炸藥利用率；當(dāng)采用環(huán)形起爆方式時(shí)中心彈丸速度達(dá)到2 024m/s，相對于點(diǎn)起爆1 684m/s，速度提高了20%，但周邊彈丸速度提高較少；當(dāng)采用平面起爆時(shí)，中心彈丸速度達(dá)到了 2 627m/s，而周邊彈丸則達(dá)到了 1900m/s，相比于點(diǎn)起爆頭部彈丸速度提高了46%，而周邊彈丸速度則提高了28%，由此可得，采用平面起爆方式時(shí)，炸藥能量有效利用率最大。

3.2 起爆方式對MEFP質(zhì)量的影響

在MEFP形成過程中，由于藥型罩與切割網(wǎng)罩之間的碰撞作用，以及藥型罩切割后形成的各部分還會向中間擠壓碰撞從而造成彈丸質(zhì)量的損失；當(dāng)采用不同起爆方式時(shí)，爆轟波作用于藥型罩的持續(xù)時(shí)間和角度不同，造成彈丸各微元速度梯度大小不同，從而導(dǎo)致彈丸質(zhì)量損失也不同。圖5為3種起爆方式下彈丸剩余質(zhì)量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖5 3種起爆方式下彈丸剩余質(zhì)量變化曲線Fig.5 Change curves of residual mass of MEFP under three initiation methods

由圖5可知，當(dāng)采用點(diǎn)起爆時(shí)，彈丸剩余質(zhì)量最大為52.62g，環(huán)形起爆其次為39.84g，平面起爆最少僅為22.49g，彈丸質(zhì)量相差較大。其主要原因?yàn)椋寒?dāng)采用平面起爆時(shí)，切割藥型罩形成的彈丸速度梯度最大，導(dǎo)致彈丸在飛行過程中被拉斷成數(shù)截，產(chǎn)生更多無效破片，并且彈丸在飛行過程中相互擠壓會造成更多的質(zhì)量損失，從而導(dǎo)致采用平面起爆時(shí)彈丸質(zhì)量損失最大，剩余質(zhì)量最小。而彈丸主要依靠其動能對目標(biāo)進(jìn)行侵徹，因此當(dāng)彈丸剩余質(zhì)量減少時(shí)，相同速度的彈丸其動能降低，侵徹能力隨之下降。

4 結(jié)論

（1）通過對切割式MEFP戰(zhàn)斗部成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，得到了彈丸產(chǎn)生過程和空間分布狀況，且仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。結(jié)果表明：該戰(zhàn)斗部經(jīng)網(wǎng)柵切割后能形成5枚具有一定質(zhì)量和方向性的彈丸，彈丸分布呈現(xiàn)出周邊4枚彈丸圍繞著中心彈丸均勻分布的狀況，且隨著飛行距離的增大，其周邊彈丸的散布也隨之增大；相對于單個(gè) EFP裝藥結(jié)構(gòu)，MEFP有效地提高了毀傷元的數(shù)量和毀傷面積；

（2）同一裝藥結(jié)構(gòu)條件下，起爆方式對切割式MEFP速度和質(zhì)量影響較大：當(dāng)采用平面起爆時(shí)，中心與周邊彈丸速度有效提高，相比于點(diǎn)起爆中心彈丸速度提高了46%，而周邊彈丸速度則提高了28%，彈丸速度的提高其侵徹能力將隨之增強(qiáng)，從而提高了毀傷概率；其次，隨著彈丸速度的提高，其形成彈丸的質(zhì)量隨之降低：當(dāng)采用點(diǎn)起爆時(shí)，彈丸剩余質(zhì)量最大，而平面起爆時(shí)最小，彈丸質(zhì)量減小將導(dǎo)致其侵徹能力的降低。因此可根據(jù)具體打擊目標(biāo)確定合理的起爆方式，以提高戰(zhàn)斗部的打擊毀傷概率。

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