袁書強，沈正祥，李亞哲，周春華，陳　炯，張宏亮

(1.北方材料科學(xué)與工程研究院寧波所，浙江寧波315103；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京100089)

?

雙曲線型聚焦戰(zhàn)斗部破片的設(shè)計方法

袁書強1，沈正祥1，李亞哲1，周春華1，陳炯1，張宏亮2

(1.北方材料科學(xué)與工程研究院寧波所，浙江寧波315103；2.中國兵器科學(xué)研究院，北京100089)

摘要：為解決預(yù)制破片聚焦戰(zhàn)斗部加工中存在效率低的問題，基于正反圓柱螺旋線相交性原理，通過局部淬火預(yù)制工藝提出了一種新的高效率戰(zhàn)斗部破片設(shè)計方法，并給出了一種聚焦式戰(zhàn)斗部的加工實例。結(jié)果表明，局部淬火工藝對戰(zhàn)斗部破片的控制效果良好，破片形狀規(guī)則、質(zhì)量分布均勻，有效破片質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%，符合毀傷要求，驗證了其設(shè)計原理的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；聚焦破片式戰(zhàn)斗部；雙曲線型；局部淬火；控制破碎

引言

聚焦破片式戰(zhàn)斗部是一種新型戰(zhàn)斗部，利用裝藥的聚焦效應(yīng)，使破片在空間一定距離處匯聚，打擊能量集中[1-2]。國內(nèi)也已開展了聚焦戰(zhàn)斗部的研究，主要側(cè)重于聚焦曲線工程設(shè)計[3]、不同起爆方式對聚焦性能的影響[4]、毀傷典型空中目標(biāo)時殺傷概率的工程計算[5]以及聚焦戰(zhàn)斗部模擬與優(yōu)化設(shè)計等方面，并提出了破片聚焦戰(zhàn)斗部的動態(tài)殺傷威力設(shè)計概念[6-9]。李向榮等人[10]指出聚焦式破片戰(zhàn)斗部經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，殺傷半徑內(nèi)聚焦帶中的破片分布密度通常可達(dá)80枚/m2以上，而普通非聚焦式破片戰(zhàn)斗部的破片分布密度一般不大于10枚/m2。

作為提高防空破片式戰(zhàn)斗部綜合殺傷效能的新技術(shù)途徑，聚焦破片式戰(zhàn)斗部已成為防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部的重要發(fā)展方向[11]，但有關(guān)聚焦戰(zhàn)斗部的破片設(shè)計及理論計算方面的研究報道較少。與傳統(tǒng)的自然破碎相比，采用控制破碎技術(shù)預(yù)制殼體可使產(chǎn)生的破片按設(shè)計的質(zhì)量和形態(tài)均勻分布[11]，但全預(yù)制破片技術(shù)由于需要有附加結(jié)構(gòu)來包納破片，該結(jié)構(gòu)會增加戰(zhàn)斗部質(zhì)量，導(dǎo)致破片數(shù)目減小和裝藥量減少，并不能有效提高效能。

局部淬火工藝是一種新型半預(yù)制技術(shù)，利用能量束使戰(zhàn)斗部殼體局部發(fā)生高速熔化-凝結(jié)-冷卻過程，其組織發(fā)生明顯的局部相變，經(jīng)后續(xù)熱處理后形成不同力學(xué)性能的材料區(qū)域[12-13]。本研究介紹一種新型破片預(yù)制技術(shù)即局部淬火工藝，該工藝加工簡單、成本低、控制效果好。將其應(yīng)用于聚焦破片戰(zhàn)斗部可使破片尺寸及質(zhì)量均勻分布，并在一定區(qū)域內(nèi)形成密集分布的聚焦束，為該類戰(zhàn)斗部的設(shè)計提供參考。

1聚焦戰(zhàn)斗部破片設(shè)計原理

1.1對目標(biāo)毀傷分析

聚焦破片戰(zhàn)斗部在單點中心起爆后，其破片飛散示意圖如圖1所示，可看出破片飛散角很小，而且隨著曲面的變化而變化。若用來對付空中目標(biāo)，破片束可在目標(biāo)上形成密集穿孔，造成斷裂式解體毀傷，從而形成切割式毀傷。聚焦破片戰(zhàn)斗部的主要殺傷元素是破片，破片的數(shù)量、形狀、質(zhì)量、初速、威力半徑和分布狀況等是關(guān)鍵性能指標(biāo)。盡管此類戰(zhàn)斗部的殺傷威力是利用聚焦帶內(nèi)密集的破片毀傷目標(biāo)，其單枚破片的擊穿能力同樣重要。如圖2所示，與全預(yù)制破片技術(shù)相比，相同尺寸的殼體經(jīng)過局部淬火工藝處理后，既能實現(xiàn)破片質(zhì)量、尺寸均勻化，又能提高裝藥量，可有效增加其毀傷威力，提高戰(zhàn)斗部的效費比。

圖1　聚焦戰(zhàn)斗部的破片飛散過程Fig.1　The fragments dispersion process offocusing warhead

圖2　用電子束預(yù)制加工的聚焦戰(zhàn)斗部破片的飛散過程示意圖Fig.2　The dispersion process of fragments at precastfocusing warhead by electron beam

單發(fā)戰(zhàn)斗部殺傷單個空中目標(biāo)的概率PD可表示為[5]：

PD=1-(1-pm)(1-PE)

(1)

式中：Pm為破片的擊穿概率；PE為沖擊波場對目標(biāo)的毀傷概率。

若已知目標(biāo)等效硬鋁厚度上的比動能Eb，則可衡量破片的打擊擊穿作用。

對于鋼質(zhì)破片，破片的比動能表達(dá)式并不唯一，其量綱通常采用kg·m/(cm2·mm)，可表示為：

(2)

根據(jù)破片參數(shù)，目標(biāo)厚度和遭遇速度可得Eb，即可計算單個破片的擊穿概率Pmi：

當(dāng)Eb<4.5kg·m/(cm2·mm)時，Pmi=0；

當(dāng)Eb≥4.5kg·m/(cm2·mm)時，Pmi=1+2.65e-0.34Eb-2.96e-0.14Eb

多個破片打擊命中后的擊穿概率Pm可依次類推：

(3)

1.2局部淬火工藝

圖3表示局部淬火工藝加工過程，當(dāng)能量束作用點位置保持不變，戰(zhàn)斗部殼體以某一固定速度同時旋轉(zhuǎn)和平移，即可沿其表面形成不同間距的螺旋線型淬硬區(qū)組織，如圖4所示淬硬區(qū)與基體呈連續(xù)性分布，但其晶粒明顯細(xì)化，硬度變大。

圖3　用電子束預(yù)制拋物型戰(zhàn)斗部加工示意圖Fig.3　The precast process to warhead of hyber-bolictype by electron beam

圖4　淬硬區(qū)的組織結(jié)構(gòu)Fig.4　The structure of hardened layer

假設(shè)某聚焦破片式戰(zhàn)斗部采用雙曲面型回旋體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，回旋體曲面可看作XOY平面內(nèi)母線繞X軸旋轉(zhuǎn)一周所得，假設(shè)在XOY平面內(nèi)，母線方程為：

f(x,y)=0

(4)

則回旋體曲面方程為：

(5)

回旋體表面的螺旋線可看為能量束接觸點P在回旋體表面做螺旋運動的軌跡，其中P點的半徑為r(x)，r(x)值由母線方程確定，其半徑線相對于XOY平面的夾角φ(x)，則P點坐標(biāo)可寫成：

(6)

1.3螺旋線軌跡方程

點P沿回旋體表面運動一周即形成螺旋線，相鄰螺旋線的間距則由螺旋線與XOY面夾角Δφ控制。圖5為不同螺旋線相交和網(wǎng)格形成圖。

圖5　不同螺旋線相交和網(wǎng)格形成圖Fig.5　The intersected grids by different spirals

假設(shè)右旋螺旋線為正旋，左旋螺旋線為反旋，由圖5可知螺旋線1和2為正螺旋線，其軌跡方程可寫成：

(7)

式中：n為常數(shù),當(dāng)n=0為正螺旋線1，n=1為正螺旋線2， Δφ為徑向與XOY面的夾角。

反螺旋線軌跡方程可寫成：

(8)

式中：n為常數(shù), 當(dāng)n=0為反螺旋線3，n=1為反螺旋線4，Δφ為徑向與XOY面的夾角。

1.4網(wǎng)格尺寸

正螺旋線1、2與反螺旋線3、4、5、6在Y向和Z向的交點如圖6所示。

圖6　正螺旋線1、2與反螺旋線在Y向(a)和Z向(b)的交點Fig.6　The intersection of different spirals atY and Z direction

回旋體表面不同方向的螺旋線相交，即可形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。假設(shè)某聚焦戰(zhàn)斗部根據(jù)實際要求，螺旋線夾角Δφ設(shè)為π/6，其余工藝參量不變。其正、反螺旋線軌跡方程可寫成如下形式：

(9)

(10)

(11)

正螺旋線1與反螺旋線3的交點根據(jù)式(12)可得：

(12)

可知交點與XOY面的夾角值wt1,3=nπ+π/12，n為常數(shù)。

同理，正螺旋線1與反螺旋線4、5、6的交點與XOY面夾角值為：

wt1,4=nπ+2π/12；wt1,5=nπ+3π/12；wt1,6=nπ+4π/12，n為常數(shù)；

正螺旋線2與反螺旋線3、4、5、6的交點與XOY面夾角值為：

wt2,3=nπ；wt2,4= nπ+π/12；wt2,5=nπ+2π/12；wt2,6=nπ+3π/12；n為常數(shù)。

以上夾角值分別代入正、反螺旋線軌跡方程，即可得出所有交點的坐標(biāo)值，四邊形abcd各頂點坐標(biāo)如下：

1.5破片質(zhì)量

局部淬火工藝對聚焦破片式戰(zhàn)斗部進(jìn)行破片預(yù)制后，正、反螺旋線型淬硬區(qū)在戰(zhàn)斗部表面相交形成菱形網(wǎng)格(見圖5)，在內(nèi)部爆轟波作用下實現(xiàn)控制破碎，從而生成大量近似菱形的破片，由菱形特征并結(jié)合上述a、b、c、d4點坐標(biāo)值即能估算出破片尺寸和質(zhì)量。實際應(yīng)用時，首先根據(jù)目標(biāo)特征及其毀傷準(zhǔn)則確定相應(yīng)的破片質(zhì)量，再利用式(7)和(8)得出Δφ、v、w值，最終可實現(xiàn)破片實際質(zhì)量與設(shè)計質(zhì)量一致的目的。

2設(shè)計實例

圖7為某目標(biāo)的雙曲線型聚焦破片戰(zhàn)斗部設(shè)計實例，首先根據(jù)表1所示的目標(biāo)毀傷準(zhǔn)則設(shè)計出相應(yīng)的破片質(zhì)量和尺寸。經(jīng)局部淬火工藝預(yù)制處理后，戰(zhàn)斗部殼體上淬硬區(qū)(白條狀)呈螺旋線型分布并相交成網(wǎng)格，網(wǎng)格形狀和尺寸直接決定著破片大小及質(zhì)量。聚焦戰(zhàn)斗部爆破后破片質(zhì)量分布如圖8所示，控制破碎效果較好，破片質(zhì)量基本均勻分布，其中有效破片質(zhì)量約占總質(zhì)量的90%，初步驗證了局部淬火工藝應(yīng)用于聚焦破片戰(zhàn)斗部的正確性和可行性。

表1　某目標(biāo)關(guān)鍵部件的毀傷準(zhǔn)則[14]

圖7　某聚焦戰(zhàn)斗部局部淬硬區(qū)的分布Fig.7　The distribution of modification zone on focusedfragmentation warhead

圖8　破片形狀和質(zhì)量分布Fig.8　The shape and mass distribution of fragments

3結(jié)論

(1)根據(jù)聚焦破片式戰(zhàn)斗部殼體的曲面特征，基于圓柱正反螺旋線相交性原理，探索并驗證了一種利用局部淬火工藝沿殼體表面螺旋線軌跡進(jìn)行破片預(yù)制的高效率戰(zhàn)斗部技術(shù)。設(shè)計實例表明，局部淬火工藝完全適用于此類聚焦戰(zhàn)斗部的破片設(shè)計。

(2)局部淬火工藝對戰(zhàn)斗部殼體破碎的控制效果良好，破片形態(tài)規(guī)則、質(zhì)量分布均勻，有效破片質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%，符合所針對目標(biāo)的毀傷準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)：

[1]李靜海. 防空導(dǎo)彈聚焦破片式戰(zhàn)斗部對空中目標(biāo)的毀傷[J]. 飛航導(dǎo)彈，2006(1)：55-59.

LI Jing-hai. The damage effect to aerial targets of focusing fragmentation warhead[J]. Winged Missiles Journal, 2006(1): 55-59.

[2]馮順山，黃廣炎，董永香. 一種聚焦式殺傷戰(zhàn)斗部的設(shè)計方法[J]. 彈道學(xué)報，2009，21(1)：24-26.

FENG Shun-shan, HUANG Guang-yan, DONG Yong-xiang. A new design method of fragment focusing warhead[J]. Journal of Ballistics, 2009, 21(1): 24-26.

[3]李晉慶，胡煥性. 聚焦型破片殺傷戰(zhàn)斗部聚焦曲線的工程設(shè)計[J]. 兵工學(xué)報，2004，25(5)：529-530.

LI Jing-qing, HU Huan-xing. Engineering design of the focus curve of a fragmentation damaging warhead[J]. Acta Armamentarii, 2004, 25(5): 529-530.

[4]李晉慶，胡煥性. 不同起爆方式對聚焦型戰(zhàn)斗部聚焦性能影響的試驗研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2004，24(1)：43-45.

LI Jing-qing, HU Huan-xing. Experimental investigation on focus warhead by different ignition methods[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2004, 24(1): 43-45.

[5]宋浦，肖川，袁寶慧. 破片聚焦式戰(zhàn)斗部毀傷直升機類目標(biāo)的研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2002，22(3)：50-55.

SONG Pu, XIAO Chuang, YUAN Bao-hui. The study on damaging target by fragmentation focus warhead[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2002, 22(3): 50-55.

[6]劉彤，錢立新，余春祥,等. 破片聚焦戰(zhàn)斗部的動態(tài)殺傷威力設(shè)計[J]. 爆炸與沖擊，2005，25(6)：536-540.

LIU Tong, QIAN Li-xin, YU Chun-xiang, et al. A conception of the dynamic lethality for focused fragmentation warhead[J]. Explosion and Shock Waves, 2005, 25(6): 536-540.

[7]QIAN Li-xin，LIU Tong，ZHANG Shou-qi，et al. Fragmentation shot-line model for air-defence warhead[J].Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2000, 25(2): 92-98.

[8]王娟娟，郭雙峰，袁寶慧，等. 聚焦戰(zhàn)斗部破片聚焦性能的數(shù)值計算和試驗研究[J]. 火炸藥學(xué)報，2013,36(2):87-90.

WANG Juan-juan, GUO Shuang-feng, YUAN Bao-hui, et al. Numerical simulations and experimental study on directional-focused fragmentation warhead[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2013, 36(2): 87-90.

[9]梁爭峰，袁寶慧，程淑杰，等. 動態(tài)線列式破片戰(zhàn)斗部技術(shù)探索[J]. 火炸藥學(xué)報，2011, 34(3): 42-44.

LIANG Zheng-feng. YUAN Bao-hui, CHENG Shu-jie, et al. Engineering design of dynamic linear distribution fragmentation warhead[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2011, 34(3): 42-44.

[10]李向榮，劉宗偉，周世海. 聚焦戰(zhàn)斗部與普通殺爆戰(zhàn)斗部毀傷效能比較[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010，30(5)：100-102.

LI Xiang-rong, LIU Zong-wei, ZHOU Shi-hai. Comparison of damage effect between focusing warhead and ordinary blast fragmentation warhead[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2010, 30(5): 100-102.

[11]李靜海. 提高防空導(dǎo)彈破片式戰(zhàn)斗部綜合殺傷效能的技術(shù)途徑[J]. 地面防空武器，2006(1)：54-56.

LI Jing-hai. The technical approach to improve comprehensive killing effect of anti-aircraft missiles[J]. Land-Based Air Defence Weapons, 2006(1): 54-56.

[12]陳炯，袁書強，周春華,等. 高能束控制破碎鎢合金殼體破碎效果研究[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2010，33(6)：62-64.

CHEN Jiong, YUAN Shu-qiang, ZHOU Chun-hua, et al. Fragmentation effect of tungsten alloy shell controlled by high-energy-beam[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2010, 33(6): 62-64.

[13]劉峰濤，袁書強，陳炯,等. 高能束控制破碎彈體威力對比研究[J].兵器材料科學(xué)與工程，2008，31(1): 67-70.

LIU Feng-tao, YUAN Shu-qiang, CHEN Jiong, et al. Comparative study on the shell power after high-energy-beam controlled fragmentation[J]. Ordnance Material Science and Engineering, 2008, 31(1): 67-70.

[14]牛冰，谷良賢，龔春林. 破片戰(zhàn)斗部對武裝直升機目標(biāo)的威力評估[J]. 彈道學(xué)報，2011，23(1)：68-71.

NIU Bing, GU Liang-xian, GONG Chun-lin. Assessment of lethality of fragment warhead to armed-helicoptere[J]. Journal of Ballistics, 2011, 23(1): 68-71.

Design Method of Fragments to Focused Warhead of Hyperbola Type

YUAN Shu-qiang1, SHEN Zheng-xiang1, LI Ya-zhe1, ZHOU Chun-hua1, CHEN Jiong1，ZHANG Hong-liang2

(1. Ningbo Institute, China North Material Science and Engineering Technology Group, Ningbo Zhejiang 315103, China;

2. The Ordnance Science Institute of China, Beijing 100089, China)

Abstract:To solve the problem on low efficiency existing in processing of prefabricated fragment focused warhead, based on intersection principle of positive-inverse cylindrical spiral lines, a new design approach of warhead fragment of high efficiency was proposed via the local quenching precast technology. A processing example of one focused warhead was given. Results show that the control effect of local quenching process to the warhead fragments is good.The regular shape and uniform mass distribution of fragments, and effective fragment mass fraction of 90% of effective fragment meet the requirements of damage, verifying the correctness and feasibility of the design principle.

Keywords:explosion mechanics; focused fragmentation warhead; hyperbola type; local quenching; controlled fragmentation

作者簡介:袁書強(1961-)，男，研究員，從事金屬材料開發(fā)與應(yīng)用研究。

基金項目:寧波市重大科技攻關(guān)項目(2009B10011)

收稿日期:2014-09-04；修回日期:2014-11-29

中圖分類號：TJ55; O38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)01-0036-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.09