付 偉，栗保華，曹玉武

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中心管三點(diǎn)同步起爆方式對殺傷戰(zhàn)斗部毀傷威力的影響

付 偉，栗保華，曹玉武

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

對殺傷戰(zhàn)斗部在中心管三點(diǎn)同步起爆方式下的毀傷威力進(jìn)行數(shù)值仿真研究及驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：相同裝藥結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部條件下，相對于兩端點(diǎn)同步起爆方式，采用中心管三點(diǎn)同步起爆方式的破片初速峰值降低10.1%，破片初速最小值提高8.1%，爆轟能量沿軸向得到勻化分布；且破片的飛散角提高32.0%，打擊范圍增大。靜爆試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其對毀傷威力的影響。

三點(diǎn)同步起爆；破片；戰(zhàn)斗部；數(shù)值仿真

殺傷戰(zhàn)斗部毀傷威力不僅與炸藥類型、破片結(jié)構(gòu)等有關(guān)，同時(shí)與起爆方式有相當(dāng)重要的關(guān)系。對于一定的裝藥結(jié)構(gòu)，采取適當(dāng)?shù)钠鸨绞?，可改變破片所受到?qū)動力的作用方式，使其打擊動能和范圍等發(fā)生明顯變化[1]。根據(jù)起爆網(wǎng)絡(luò)與戰(zhàn)斗部的相對位置，起爆方式主要有端面起爆[2-4]、中心起爆[5-6]、偏心起爆[7-8]等。當(dāng)戰(zhàn)斗部要實(shí)現(xiàn)垂直戰(zhàn)斗部軸線方向的特定毀傷時(shí)，常采用中心管起爆方式。國外Robert R. Durrell[6]等人提出了一種兩端同步起爆網(wǎng)絡(luò)裝置，可實(shí)現(xiàn)當(dāng)戰(zhàn)斗部飛臨目標(biāo)正下或者側(cè)面時(shí)，通過中心管兩端點(diǎn)同步起爆（以下簡稱兩端點(diǎn)起爆），將大部分毀傷元定向到目標(biāo)的方向。這種將大量毀傷元集中在一個狹窄區(qū)域的起爆方式，給引信適時(shí)起爆帶來了難度。劉鵬[9]對戰(zhàn)斗部兩端起爆的仿真計(jì)算表明該起爆方式下破片速度沿軸線方向呈拋物線形。這是由于戰(zhàn)斗部總能量一定，中心兩點(diǎn)起爆方式使爆轟能量在中心界面匯聚加強(qiáng)，并提高了該處附近破片初速；距離中心界面越遠(yuǎn)，毀傷能量下降越明顯。

根據(jù)上述分析，中心管兩點(diǎn)起爆可造成大量毀傷能量集中于戰(zhàn)斗部中心界面附近的狹窄區(qū)域形成過毀傷，而兩端毀傷能量相對較低的情況。因此，本文提出了中心管三點(diǎn)同步起爆方式（以下簡稱中心管三點(diǎn)起爆），并通過數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了中心管三點(diǎn)起爆方式勻化戰(zhàn)斗部側(cè)向毀傷能量的作用。

1 中心管三點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部仿真計(jì)算

殺傷戰(zhàn)斗部破片初速及壓力分布隨起爆方式不同有較大差別。本文針對相同結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部在中心管三點(diǎn)和兩端點(diǎn)起爆方式下的毀傷性能進(jìn)行計(jì)算對比，包括壓力分布、破片初速和飛散方向。

1.1 計(jì)算方法

戰(zhàn)斗部破片初速的數(shù)值仿真采用ANSYS/ LS-DYNA進(jìn)行。計(jì)算方法采用三維多物質(zhì)流固耦合MMALE算法。

1.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格

計(jì)算模型如圖1所示，尺寸φ300mm×390mm，由殼體、前、后蓋、破片、主裝藥、起爆點(diǎn)、空氣7部分組成。

圖1 仿真計(jì)算模型

殼體、前蓋和后蓋采用45#鋼；預(yù)制破片為邊長8mm的立方破片，材料為45#鋼；主裝藥為B炸藥。中心管三點(diǎn)起爆模型起爆點(diǎn)位于戰(zhàn)斗部兩端面和中心界面，兩端點(diǎn)起爆模型起爆點(diǎn)位于戰(zhàn)斗部兩端面。由于模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，取模型的1/4進(jìn)行三維建模，并在對稱面和其他邊界設(shè)置相應(yīng)的約束條件。在破片初速數(shù)值仿真中，炸藥采用JWL狀態(tài)方程，空氣采用線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程，金屬材料采用Johnson-Cook模型[10]。對兩種工況起爆后的沖擊波超壓和破片飛散情況進(jìn)行計(jì)算。對圖1中A、B、C、D、E處（等間距）共5個位置的破片進(jìn)行初速分析。

1.3 計(jì)算結(jié)果及分析

1.3.1 壓力和破片的分布

如圖2~4所示為兩種起爆方式下壓力和破片隨時(shí)間的變化，所形成的壓力分布和破片飛散形態(tài)有各自的特點(diǎn)。

圖2 10μs的等壓線圖

圖3 15μs的等壓線圖

圖4 100μs的等壓線圖

如圖2所示，起爆后10μs，中心管三點(diǎn)起爆方式下爆轟波相對兩端點(diǎn)起爆較早相遇，相遇位置為相鄰兩起爆點(diǎn)間的中界面。由于3個起爆點(diǎn)，所以形成2個較高的壓力峰；兩端點(diǎn)起爆方式下的爆轟波此時(shí)在裝藥中傳遞未相遇，為2個球面波。由于爆轟波仍在主裝藥中傳遞，兩種工況下殼體均未破裂，破片未飛散。如圖3所示，起爆后15μs，中心管三點(diǎn)起爆方式下形成的2個壓力峰沿著垂直軸線的方向向前推移，與破片相遇。兩端點(diǎn)起爆方式下，兩端形成的球面波此時(shí)相遇在中界面，形成1個較高的壓力峰，此時(shí)破片未飛散。如圖4所示，起爆后100μs，中心管三點(diǎn)起爆下爆轟波有2個壓力峰，位于沿戰(zhàn)斗部軸線前、后1/3段處，中心界面處超壓略低于2個壓力峰。破片呈中間扁平的拋物線形分布；兩端點(diǎn)起爆方式下，沖擊波超壓仍然為1個壓力峰，位于戰(zhàn)斗部中心界面處，破片呈中間較尖的拋物線形分布。

1.3.2 破片初速計(jì)算

選取計(jì)算模型中從頭到尾等間距5個點(diǎn)（A、B、C、D、E）處的破片計(jì)算初速，兩種起爆方式下的破片速度——時(shí)間曲線如圖5~6所示。

如圖5~6可得，100μs時(shí)各破片的速度均已穩(wěn)定并達(dá)到最大。計(jì)算模型中的各點(diǎn)破片速度仿真結(jié)果見表1。

表1 破片初速仿真結(jié)果

Tab.1 Simulation results of fragments’ initial velocity

如圖5~6和表1可得：中心管三點(diǎn)起爆下，初速最大點(diǎn)位于相鄰兩起爆點(diǎn)的中心界面處，為1 841.1m/s，初速最小點(diǎn)位于端面，為1 418.2m/s，最大與最小速度差為422m/s。兩端點(diǎn)起爆下，初速最高處為中心界面C點(diǎn)（2 047.1m/s），然后是B、D處，初速最小處是在端面（1 311.4m/s），最大與最小速度差為736m/s。中心管三點(diǎn)起爆相比兩端點(diǎn)起爆，破片最大初速下降了206.0m/s，約10.1%，最小初速上升了106.8m/s，約8.1%，兩速度差距減小，速度得到勻化。

1.3.3 飛散角

戰(zhàn)斗部破片飛散方向角為破片速度方向與其軸向的夾角。戰(zhàn)斗部的破片飛散角為其兩端破片飛散方向角之差，破片飛散方向角為兩端破片飛散方向角之平均值。表2為戰(zhàn)斗部的破片飛散角仿真計(jì)算結(jié)果。

表2 破片的飛散角仿真結(jié)果

Tab.2 Simulation results of fragments dispersion angle

從表2中可以看出：中心管三點(diǎn)起爆與兩端點(diǎn)起爆下，飛散角分別為14.19°、10.75°，相比增大了3.44°，提高約32.0%?？梢娡ㄟ^中心管三點(diǎn)起爆，可增大破片飛散角，解決破片過于集中在中心界面附近的狹窄區(qū)域情況；并且破片飛散方向角與兩端點(diǎn)起爆方式大致相同，均接近垂直于戰(zhàn)斗部軸線。

1.3.4 計(jì)算結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出，中心管三點(diǎn)起爆對戰(zhàn)斗部毀傷性能有以下影響：（a）破片初速：中心管三點(diǎn)起爆相比兩端點(diǎn)起爆方式，破片最大初速下降，最小初速上升，兩速度差距減小，即中心管三點(diǎn)起爆下，毀傷能量沿戰(zhàn)斗部軸向勻化，使得能量不會過分集中于中心界面，而導(dǎo)致兩端能量偏低，增大了有效殺傷區(qū)域。（b）壓力分布：相同結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部在中心管三點(diǎn)起爆方式下，相比兩端點(diǎn)起爆，較早地發(fā)生爆轟波碰撞匯聚，形成2個增強(qiáng)的壓力峰，位于沿戰(zhàn)斗部軸線前、后1/3段處，中心界面處超壓略低于2個壓力峰。而兩端點(diǎn)起爆下，兩端沖擊波碰撞于中心界面處，使得能量集中于此處，爆轟波壓力曲線呈中間較尖的拋物線形。（c）破片飛散形態(tài)：根據(jù)爆轟壓力分布的特點(diǎn)，中心管三點(diǎn)起爆下破片飛散形態(tài)為中段扁平的拋物線形；兩端點(diǎn)起爆時(shí)呈中間較尖的拋物線形分布。（d）飛散角：由于中心管三點(diǎn)起爆相對兩端點(diǎn)起爆多了1個中心起爆點(diǎn)，使得飛散角增大32.0%，提高了戰(zhàn)斗部的毀傷區(qū)域。戰(zhàn)斗部破片飛散方向角基本相同，均接近垂直于戰(zhàn)斗部軸線。

2 中心管三點(diǎn)起爆戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣彈

試驗(yàn)樣彈具有相同的裝藥結(jié)構(gòu)，數(shù)量2發(fā)。其中1發(fā)在中心管內(nèi)裝配中心管三點(diǎn)起爆網(wǎng)絡(luò)裝置，另外1發(fā)裝配中心管兩端點(diǎn)起爆組件，如圖7所示。

2.2 靶場布設(shè)

靶場按殺傷戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)常規(guī)方法布設(shè)，由樣彈、網(wǎng)靶、測速系統(tǒng)等組成，如圖8所示。樣彈水平放置在爆心彈架上，中心軸線距地面1.5m。圖9為試驗(yàn)現(xiàn)場布局示意圖。其中測速靶距爆心30m，共14個；網(wǎng)靶為14目硬鐵絲網(wǎng)，布設(shè)在160～200°范圍內(nèi)，用來測試飛散角，且與測速靶不干涉。

圖8 試驗(yàn)樣彈

圖9 戰(zhàn)斗部試驗(yàn)現(xiàn)場布局

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)后根據(jù)實(shí)測的破片速度、飛散角等進(jìn)行分析。通過破片速度隨距離衰減計(jì)算公式[11]可得破片的初速，結(jié)果見表3。由于戰(zhàn)斗部為軸對稱結(jié)構(gòu)，并結(jié)合圖9的試驗(yàn)布局，對戰(zhàn)斗部兩側(cè)對應(yīng)位置處破片初速取平均值進(jìn)行分析。由表3可知：（1）中心管三點(diǎn)起爆下最大破片初速為1 803.9m/s，相比兩端點(diǎn)起爆的2 070.3m/s，降低了12.9%；最小破片初速1 512.2m/s，相比兩端點(diǎn)起爆的1 359.8m/s提高了11.2%，與仿真計(jì)算結(jié)果相近。（2）中心管三點(diǎn)起爆下，沿著戰(zhàn)斗部軸線方向的破片速度變化相對兩端點(diǎn)起爆下的變化較平緩。

表3 破片的初速

Tab.3 Experimental results of fragments’ initial velocity

試驗(yàn)后對網(wǎng)靶穿孔統(tǒng)計(jì)，得出破片飛散角，如表4所示。

表4 破片飛散角試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Experimental results of fragments dispersion angle

由表4可知：相對兩端點(diǎn)起爆，中心管三點(diǎn)起爆方式破片飛散角提高了29.7%，戰(zhàn)斗部的破片飛散方向角都在基本垂直戰(zhàn)斗部軸線的方向。

3 結(jié)論

（1）仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果相差不大，建立的仿真模型正確；（2）相對兩端點(diǎn)起爆，中心管三點(diǎn)起爆方式時(shí)戰(zhàn)斗部毀傷能量沿著軸線勻化，最大破片初速略降低，最小破片初速得到提高，有效地解決毀傷能量在中心界面過毀傷、而兩端面較低的問題。（3）戰(zhàn)斗部在中心管三點(diǎn)起爆方式下，可提高破片的飛散角，增大殺傷范圍。

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Influence of Three-Point Synchronous Initiation Method on the Damage Effect of Warhead with Central Tube

FU Wei, LI Bao-hua, CAO Yu-wu

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065）

The damage efficient of the preformed fragments warhead with central tube, which was initiated by three-point initiation, was studied by numerical simulation and verification test. The results showed that, by comparison with the double-point initiation, the method of three-point initiation made the fastest fragments’ initial velocity reduced 10.1%, and the slowest raised 8.1%, the warhead’s energy could be uniform distributed along the axle. Due to the fragments’ dispersion angle increased 32.0%，the range of the damage is increased. Therefore, one three-point initiating circuit was designed and demonstrated by warhead explosion experiment.

Three-point synchronous initiation；Fragment；Warhead；Numerical simulation

1003-1480（2018）02-0001-04

TJ450.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.001

2017-12-20

付偉（1983-），男，工程師，主要從事戰(zhàn)斗部技術(shù)研究。