劉曉夏，王偉力，呂鵬博，苗 潤(rùn)

(海軍航空工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264001)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)中相鄰兩導(dǎo)彈間殉爆問(wèn)題的數(shù)值模擬

劉曉夏，王偉力，呂鵬博，苗 潤(rùn)

(海軍航空工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264001)

以某型護(hù)衛(wèi)艦垂直發(fā)射系統(tǒng)為研究對(duì)象，探究一枚艦載導(dǎo)彈被引爆后與之相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的安全性。利用LS-DYNA軟件建立了相鄰艦載導(dǎo)彈的爆炸和侵徹有限元模型，對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸后，爆炸沖擊波和爆炸破片對(duì)相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的毀傷過(guò)程采用Lee-Tarver點(diǎn)火增長(zhǎng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，垂直發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)的一枚導(dǎo)彈爆炸后，其產(chǎn)生的爆炸沖擊波足以殉爆其相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部。由于垂直發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特性決定了不能通過(guò)改變導(dǎo)彈間的距離防止殉爆，可通過(guò)增加發(fā)射箱體的厚度提高艦載導(dǎo)彈的安全性，箱體厚度達(dá)14 mm以上時(shí)，安全性有較大提高。

爆炸力學(xué)；殉爆；爆炸沖擊波；破片；數(shù)值模擬

隨著艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)技術(shù)的愈漸成熟，艦載導(dǎo)彈的發(fā)射方式從斜架式向垂直發(fā)射轉(zhuǎn)變已成必然，垂直發(fā)射系統(tǒng)業(yè)已成為現(xiàn)代艦船導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分[1]。艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：(1)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間短；(2)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全方位發(fā)射，無(wú)發(fā)射盲區(qū)；(3)導(dǎo)彈儲(chǔ)存密封性好；(4)火力強(qiáng)，發(fā)射效率高；(5)使水面艦艇的隱身能力提高等。垂直發(fā)射系統(tǒng)一般采用集中配置的模塊式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)造成艦載導(dǎo)彈的密集程度較大，使得兩相鄰導(dǎo)彈存在殉爆的可能。

戰(zhàn)爭(zhēng)中，艦艇因遭受敵方攻擊導(dǎo)致彈藥殉爆是艦艇沉沒(méi)的主要因素之一[2]。如二戰(zhàn)期間的“中途島海戰(zhàn)”，日本損失的四艘航母中的三艘都是由于甲板上堆積的彈藥在美軍飛機(jī)轟炸下被引爆而導(dǎo)致航母沉沒(méi)的。通過(guò)上述描述可知，在作戰(zhàn)時(shí)期，艦載彈藥所處環(huán)境更加惡劣，可能受到的威脅也更多，艦載導(dǎo)彈被引爆的概率也較大。而當(dāng)發(fā)射艙中的一枚導(dǎo)彈被引爆后，是否可能會(huì)引起殉爆連鎖反應(yīng)會(huì)嚴(yán)重到影響艦船的生命力，因此相鄰導(dǎo)彈的安全性必須引起重視。

本文以某型驅(qū)護(hù)艦垂直發(fā)射系統(tǒng)為研究對(duì)象，探究一枚艦載導(dǎo)彈被引爆后，產(chǎn)生的爆炸沖擊波和破片對(duì)與之相鄰導(dǎo)彈的安全性。戰(zhàn)斗部的安全性分析是導(dǎo)彈安全性分析的重要組成部分，因此著重對(duì)其進(jìn)行分析。

1 數(shù)值模擬模型及軟件

以國(guó)內(nèi)某型垂直發(fā)射系統(tǒng)為研究對(duì)象，導(dǎo)彈貯運(yùn)發(fā)射箱為長(zhǎng)方體，導(dǎo)彈采用箱貯的方式直接存放在發(fā)射架上。

為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，截取包含戰(zhàn)斗部在內(nèi)的發(fā)射箱進(jìn)行研究?？紤]到導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部并不直接裸露在空氣中，它是導(dǎo)彈的一部分，前后端分別為電子艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙，會(huì)影響沖擊波的傳播過(guò)程，因此在建模過(guò)程中，不能簡(jiǎn)單忽略。為使數(shù)值模擬結(jié)果盡可能真實(shí)，同時(shí)考慮不使運(yùn)算量過(guò)大， 將戰(zhàn)斗部前后端的電子艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙分別考慮為剛體。戰(zhàn)斗部為本體懸掛式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為高486 mm，外徑340 mm，主裝藥采用了低感度的B炸藥(TNT/RDX 40/60)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 垂發(fā)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)單元示意圖

數(shù)值模擬采用ANSYS/LS-DYNA軟件，因?yàn)長(zhǎng)S-DYNA的顯示算法特別適合于各種非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，如爆炸、結(jié)構(gòu)碰撞等，可用于處理流固耦合問(wèn)題，可設(shè)置多種接觸分析方式。本文即采用ALE算法進(jìn)行模擬，在接觸方式上采用CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE面面侵蝕接觸。

2 爆炸沖擊波作用下相鄰導(dǎo)彈的安全性

2.1 有限元結(jié)構(gòu)模型

由于發(fā)射箱和炸藥的對(duì)稱(chēng)性，并考慮減少運(yùn)算成本，建立發(fā)射箱、戰(zhàn)斗部、空氣的1/2模型。計(jì)算時(shí)在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，將空氣邊界設(shè)置為無(wú)反射邊界。

發(fā)射箱建模時(shí)，充分考慮其實(shí)際結(jié)構(gòu)，以及加強(qiáng)筋之間、板與板之間的連接情況，采用實(shí)體單元建立了發(fā)射箱箱體、環(huán)向加強(qiáng)筋、縱向加強(qiáng)筋。焊縫的處理采用ANSYS中的固定連接失效接觸(TSTS)方式，設(shè)置固定連接失效應(yīng)力?？紤]所研究戰(zhàn)斗部類(lèi)型為聚焦-大分散戰(zhàn)斗部，炸藥采用凸凹結(jié)合的復(fù)合曲線(xiàn)裝藥結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格劃分全部采用共節(jié)點(diǎn)映射網(wǎng)格，均為八節(jié)點(diǎn)六面體單元，計(jì)算精度較高。其中發(fā)射箱、目標(biāo)戰(zhàn)斗部為拉格朗日網(wǎng)格，空氣與炸藥為歐拉網(wǎng)格，采用流固耦合算法。在炸藥內(nèi)部設(shè)置從A到E共5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其中A、B、C和E為炸藥表面，D為炸藥中心，同時(shí)C、D和E間距80 mm，沿炸藥徑向方向分布，具體模型見(jiàn)圖2。

圖2 相鄰導(dǎo)彈及戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)模型

2.2 材料本構(gòu)模型和參數(shù)

貯運(yùn)發(fā)射箱本體以及發(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[3-4]。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)筋結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金。目標(biāo)戰(zhàn)斗部裝藥模擬采用彈塑性動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型和Lee-Tarver三項(xiàng)式點(diǎn)火增長(zhǎng)狀態(tài)方程[5-6]。

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。材料參數(shù)見(jiàn)表1?？諝獠捎肗ull流體動(dòng)力模型，參數(shù)見(jiàn)表2。炸藥采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，力學(xué)性能參數(shù)和材料參數(shù)見(jiàn)表3和表4[7]。通過(guò)炸藥內(nèi)部各點(diǎn)壓力及α值變化判定炸藥是否被引爆[8]。

表1 鋁合金材料參數(shù)

表2 空氣參數(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)

2.3 結(jié)果分析

爆炸破壞過(guò)程較為復(fù)雜，這里主要從爆炸毀傷過(guò)程和引爆發(fā)射箱內(nèi)戰(zhàn)斗部的機(jī)理進(jìn)行分析。分別選取了戰(zhàn)斗部體開(kāi)始發(fā)生形變、發(fā)射箱箱體撕裂、相鄰戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)炸藥形成局部高壓、相鄰戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)炸藥形成爆轟等具有代表性的時(shí)刻進(jìn)行分析，其毀傷效果如圖3所示，可以分析發(fā)射箱的破壞模式，以及此種破壞模式下對(duì)箱內(nèi)戰(zhàn)斗部的影響。

在戰(zhàn)斗部爆炸后，沖擊波以球面波的形式向外傳播，在爆炸48 μs時(shí)，戰(zhàn)斗部艙體靠近爆點(diǎn)的部分產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著爆炸載荷的持續(xù)作用，戰(zhàn)斗部艙體繼續(xù)向外膨脹，當(dāng)應(yīng)力大于戰(zhàn)斗部艙體的斷裂強(qiáng)度時(shí)，戰(zhàn)斗部艙體被沖擊波撕裂。

當(dāng)爆炸后時(shí)間達(dá)到240 μs時(shí)，沖擊波還未到達(dá)相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，但爆炸戰(zhàn)斗部所在的發(fā)射箱發(fā)生較大的變形和破壞，并對(duì)相鄰導(dǎo)彈發(fā)射箱產(chǎn)生擠壓。隨著沖擊波的繼續(xù)傳播，當(dāng)爆炸后時(shí)間達(dá)到336 μs時(shí)，受到?jīng)_擊波作用的箱體面板直接撞擊到相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部上，在撞擊部位形成高壓。觀測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線(xiàn)如圖4，在觀察點(diǎn)E形成高壓區(qū)，壓力為11.56 GPa，超過(guò)了B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa[9-10]，此后，以此高壓區(qū)為中心高壓區(qū)迅速在裝藥中傳播，高壓區(qū)裝藥的壓力也在傳播中迅速上升。顯然，此時(shí)相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥發(fā)生了爆轟，初始高壓區(qū)為起爆點(diǎn)。

圖3 戰(zhàn)斗部爆炸在不同時(shí)刻的毀傷過(guò)程

圖4 相鄰戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部各觀察點(diǎn)壓力變化曲線(xiàn)

3 爆炸破片作用下相鄰導(dǎo)彈的安全性分析

3.1 有限元模型

所研究戰(zhàn)斗部類(lèi)型為聚焦戰(zhàn)斗部，預(yù)制破片為φ6 mm鎢球，主裝藥采用了低感度的B炸藥(TNT/RDX 40/60)，破片最大速度為2 580 m/s?？紤]破片的尺寸較小，破片易出現(xiàn)單元嚴(yán)重丟失的現(xiàn)象，因此分別建立破片侵徹靶板和破片侵徹戰(zhàn)斗部的有限元模型，確定預(yù)制破片引爆戰(zhàn)斗部的臨界速度。將破片侵徹靶板后的剩余速度與之對(duì)比，分析破片作用下相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的安全性。由于兩相鄰導(dǎo)彈發(fā)射箱的距離較近，因此不考慮破片速度在空氣中的衰減。

爆炸沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的毀傷是面載荷作用，穿甲作用是點(diǎn)載荷作用，或稱(chēng)為局部載荷作用，這兩種載荷作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)具有本質(zhì)差異[11-12]?？紤]到破片的毀傷主要為點(diǎn)載荷作用，同時(shí)破片的尺寸較小，為減小運(yùn)算時(shí)間和運(yùn)算所需內(nèi)存，在建模時(shí)選取與破片直接作用的局部進(jìn)行分析，并采用1/4有限元建模。炸藥的尺寸為40 mm×40 mm，炸藥長(zhǎng)80 mm，在炸藥內(nèi)部沿徑向每隔20 mm設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，設(shè)置從A到D共4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，具體模型如圖5所示。

圖5 破片侵徹相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的模型

3.2 結(jié)果分析

圖6分別是破片速度為1 700 m/s和1 740 m/s時(shí)撞擊相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的仿真結(jié)果。從圖7可以看到，當(dāng)?shù)竭_(dá)相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部處的破片速度為1 700 m/s時(shí)，破片和相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部接觸處形成高壓，炸藥的反應(yīng)度達(dá)0.2，但隨著破片繼續(xù)侵徹，炸藥內(nèi)部壓力逐漸降低，未能引起爆轟。而破片速度為1 740 m/s時(shí)，各觀察點(diǎn)處炸藥的反應(yīng)度逐漸增大，最后到達(dá)1.0，說(shuō)明此時(shí)炸藥完全發(fā)生爆轟。破片殉爆相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的速度閾值為1 740 m/s。破片經(jīng)過(guò)戰(zhàn)斗部艙體和發(fā)射箱箱體后，產(chǎn)生沖塞破壞效應(yīng)，吸收破片的沖擊能量，破片速度不斷衰減，由2 580 m/s衰減到1 200 m/s，此數(shù)值小于殉爆相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的速度閾值，可認(rèn)為單破片作用下，相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部不易殉爆。但此時(shí)破片的剩余速度仍較大，多破片作用下仍可能對(duì)相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部造成威脅。

圖6 不同速度破片撞擊戰(zhàn)斗部的仿真結(jié)果

圖7 炸藥內(nèi)各觀察點(diǎn)處的反應(yīng)度曲線(xiàn)

4 防護(hù)措施

通過(guò)上述數(shù)值模擬分析得到，導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的沖擊波足以殉爆相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部。為提高艦載導(dǎo)彈的安全性，同時(shí)考慮方案實(shí)施可行，采用增加發(fā)射箱箱體厚度的方式，對(duì)不同箱體厚度下艦載導(dǎo)彈殉爆安全性進(jìn)行數(shù)值模擬，找到合適的箱體厚度。

圖8為沖擊波到達(dá)相鄰戰(zhàn)斗部時(shí)，不同厚度下發(fā)射箱及箱內(nèi)戰(zhàn)斗部的壓力云圖。從圖中可以看出，隨著發(fā)射箱厚度的增加，箱體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加，對(duì)沖擊波的抵抗能力增強(qiáng)。導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)最大初始?jí)毫η€(xiàn)如圖9所示，從圖中可以看出，隨著發(fā)射箱箱體厚度的增加，作用在導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部上的入射壓力逐漸降低。不同厚度下戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)炸藥的最大初始?jí)毫χ捣謩e為9.76 GPa、5.27 GPa、2.10 GPa、1.65 GPa，當(dāng)發(fā)射箱箱體厚度為14 mm時(shí)，導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)炸藥對(duì)應(yīng)的最大初始?jí)毫?.01 GPa，小于B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，因此可以滿(mǎn)足安全性需求。

圖8 不同厚度下發(fā)射箱及箱內(nèi)戰(zhàn)斗部的壓力云圖

圖9 不同厚度下相鄰戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)炸藥的最大初始?jí)毫η€(xiàn)

5 結(jié)論

1)利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立了相鄰艦載導(dǎo)彈的爆炸和侵徹模型，分別模擬了一枚導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸后，爆炸沖擊波和爆炸破片對(duì)相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的毀傷過(guò)程。通過(guò)數(shù)值模擬分析得到，一枚導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部爆炸后，其產(chǎn)生的爆炸沖擊波足以引爆其相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，爆炸破片殉爆相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的臨界速度為1740m/s。從爆炸開(kāi)始到引爆相鄰導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部，時(shí)間大約為360μs，如果考慮沖擊波和破片的耦合作用，時(shí)間可能會(huì)更少，彈庫(kù)安全系統(tǒng)可能無(wú)法及時(shí)作出反應(yīng)。

2) 由于垂直發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特性決定了不能通過(guò)改變導(dǎo)彈間的距離防止殉爆，可通過(guò)增加發(fā)射箱厚度提高艦載導(dǎo)彈的安全性，經(jīng)數(shù)值模擬分析，箱體厚度為14 mm時(shí)，可以滿(mǎn)足安全性需求。本文的研究成果可為垂直發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)艦載導(dǎo)彈的防護(hù)提供參考。

[1] 李偉波，徐海峰，曹延杰，等.艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)技術(shù)及發(fā)展研究[J].飛航導(dǎo)彈,2012(9).

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(責(zé)任編輯周江川)

SympatheticDetonationAboutAdjacentMissilesinVerticalLaunchSystem

LIU Xiaoxia， WANG Weili， LYU Pengbo， MIAO Run

(Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

Some frigate vertical launch system was chosen as the object of study, and the security safety of adjacent missile was analyzed when a missile was detonated. The finite element model of explosion and penetration was made about missile with LS-DYNA. The blast and fragment initiating warhead was simulated by using ignition and growth model. The result shows that the adjacent missile will be detonated when a missile was detonated, regardless of explosion or penetration initiating warhead. The distance of missiles cannot be changed for avoiding sympathetic detonation because of the structure and functional properties about the vertical launch system. Increasing the thickness of the launch container can be used for improving security of the missile. When the thickness of the launch container is bigger than 14mm, the security of the missile will be improved.

mechanics of explosion；sympathetic detonation；explosion blast；fragment；numerical simulation

2017-03-11；

：2017-04-20

：中物院安全彈藥開(kāi)放基金重點(diǎn)項(xiàng)目(RMC2014A01)

劉曉夏(1993—)，男，碩士研究生、主要從事毀傷效能分析。

王偉力(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)與毀傷評(píng)估研究。

10.11809/scbgxb2017.09.008

format:LIU Xiaoxia，WANG Weili，LYU Pengbo，et al.Sympathetic Detonation About Adjacent Missiles in Vertical Launch System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(9):36-40.

TJ410.3

：A

2096-2304(2017)09-0036-05

本文引用格式：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(wèn)題的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(9):36-40.