陳 闖，楊 麗,2，阮凌飛，向 召

(1.沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.重慶建設(shè)工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，重慶 400054； 3.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

引 言

未來戰(zhàn)場正面臨向海域、空域、地下及城區(qū)等多種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境拓展，目標(biāo)也朝著機動化、小型化和新型易損特性等方向發(fā)展，傳統(tǒng)的彈藥不具備根據(jù)目標(biāo)類型調(diào)整其毀傷效應(yīng)的能力。為適應(yīng)目標(biāo)特性的變化和實現(xiàn)對戰(zhàn)場形勢的快速響應(yīng)，彈藥高效毀傷技術(shù)正朝著毀傷威力可控化的方向發(fā)展。

毀傷威力可控戰(zhàn)斗部受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。美國洛克希德馬丁公司[1]研制的低成本自主攻擊彈藥系統(tǒng)LOCASS 的戰(zhàn)斗部采用3種模式，通過起爆方式的改變能夠形成飛行穩(wěn)定的爆炸成型彈丸、長桿式彈丸以及破片；英國QinetiQ公司提出了一種適用于可調(diào)戰(zhàn)斗部的炸藥裝藥概念[2]，炸藥裝藥設(shè)計成3層結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分別為外部含鋁炸藥層、中間衰減層和中心高能炸藥層，通過兩種起爆方式實現(xiàn)了戰(zhàn)斗部的終端效應(yīng)可調(diào)，并在2012年國際不敏感彈藥及含能材料會議[3]上公布了其實驗結(jié)果，驗證了無殼體毀傷效應(yīng)可調(diào)炸藥裝藥概念的可行性；QinetiQ公司的最新研究成果中[4]，將可調(diào)炸藥裝藥裝入殼體中，并進(jìn)行了不同起爆模式下的數(shù)值模擬和試驗研究，驗證了可調(diào)戰(zhàn)斗部概念的破片效果；Arnold W等[5]通過聚能裝藥上不同的爆炸序列實現(xiàn)了爆炸成型彈丸和殺爆效應(yīng)的轉(zhuǎn)換，通過高能藥柱盤形成多個子爆轟波在藥型罩壁上疊加，將藥型罩沿著凹痕切割成多個規(guī)則的可控破片；耿梓圃[6]采用數(shù)值模擬方法研究了戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)、起爆方式及藥型罩參數(shù)對EFP/破片成型特性的影響規(guī)律。目前國內(nèi)外對毀傷威力可控戰(zhàn)斗部的研究多集中在調(diào)整毀傷模式上，而關(guān)于戰(zhàn)斗部威力場可控化方面的研究較少。

為提高常規(guī)武器的毀傷效能，彌補傳統(tǒng)破甲/預(yù)制破片復(fù)合戰(zhàn)斗部[7-8]無法調(diào)整威力場分布的不足。本研究在傳統(tǒng)聚能裝藥戰(zhàn)斗部的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種展開式EFP戰(zhàn)斗部，該戰(zhàn)斗部在中心與外圍裝藥的共同爆轟下形成前向EFP和可以控制飛散方向的預(yù)控破片群。采用Autodyn軟件模擬研究了戰(zhàn)斗部的裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式和展開角度對復(fù)合破片場成型特性的影響，同時開展了閉合與展開狀態(tài)下EFP侵徹鋼靶的數(shù)值模擬研究。

1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計與作用原理分析

1.1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

展開式EFP戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該戰(zhàn)斗部將圓柱形裝藥分割成中間主裝藥和4塊外圍裝藥，主裝藥位于戰(zhàn)斗部軸心，而外圍裝藥部分圍繞在主裝藥周圍。其中主裝藥呈圓臺形，每塊外圍裝藥是截面為扇形的楔形體，圍成與圓臺互補的圓柱形裝藥。戰(zhàn)斗部的外圍殼體也被分割為4瓣，每瓣殼體包圍住每塊外圍裝藥，由于外圍裝藥量有限，為保證形成有效破片，殼體采用外刻槽形式用來形成預(yù)控破片。

圖1 展開式EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of expansion EFP warhead

藥型罩采用球缺形結(jié)構(gòu)，每瓣外圍殼體分別通過鉸鏈與藥型罩相連，外圍殼體和外圍裝藥沿著鉸鏈旋轉(zhuǎn)到展開位置。戰(zhàn)斗部的主裝藥和外圍裝藥分別設(shè)置起爆點，當(dāng)戰(zhàn)斗部進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域，展開到合適角度，同時起爆主裝藥和外圍裝藥，中間主裝藥爆轟驅(qū)動藥型罩形成爆炸成型彈丸，外圍裝藥爆轟驅(qū)動戰(zhàn)斗部的外圍殼體形成預(yù)控破片。

戰(zhàn)斗部的外圍裝藥圍成與中心裝藥互補的環(huán)形區(qū)域，考慮到中心藥柱對藥型罩的有效壓垮，選取中心藥柱底部半徑為45mm，外圍裝藥底部厚度為5mm，主裝藥和藥型罩的結(jié)構(gòu)如圖2所示，球缺形藥型罩的外曲率半徑為100mm，壁厚3mm。

圖2 主裝藥和藥型罩結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of main charge and liner

1.2 戰(zhàn)斗部作用原理

展開式戰(zhàn)斗部具有毀傷威力可調(diào)整的功能，當(dāng)戰(zhàn)斗部處于閉合狀態(tài)時，外圍殼體對裝藥形成約束，此狀態(tài)下采用中心點起爆將炸藥爆轟后的能量以最大限度驅(qū)動藥型罩形成高效能的爆炸成型彈丸；當(dāng)戰(zhàn)斗部處于展開模式時，外圍殼體會轉(zhuǎn)到面向目標(biāo)的方向，同時引爆中間和外圍裝藥，形成的EFP較閉合狀態(tài)下威力有所下降，而外圍部分將形成預(yù)控破片朝目標(biāo)方向匯聚。

戰(zhàn)斗部的不同狀態(tài)由彈上目標(biāo)探測系統(tǒng)獲得的目標(biāo)信息確定，將信息反饋給起爆控制系統(tǒng)，戰(zhàn)斗部起爆后在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)形成含有EFP和預(yù)控破片的復(fù)合破片場。因此，展開式戰(zhàn)斗部可以根據(jù)不同的戰(zhàn)場環(huán)境執(zhí)行不同的作戰(zhàn)任務(wù)，既可以有效對付單個重型裝甲目標(biāo)，又可以同時對付多輛輕型車和多個人員目標(biāo)。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用Unigraphics NX軟件建立戰(zhàn)斗部各部件的幾何模型，導(dǎo)入ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到模型的對稱性，為減少計算量，建立1/4模型。將刻槽殼體結(jié)構(gòu)分解為多塊殼體，首先創(chuàng)建單塊殼體的網(wǎng)格，并采用O型Block劃分出高質(zhì)量網(wǎng)格，如圖3(a)所示。對單塊殼體的網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與軸向復(fù)制，得到刻槽殼體的網(wǎng)格劃分如圖3(b)所示。圖3(c)為對藥型罩幾何模型的網(wǎng)格劃分。將各部件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格輸出，逐一導(dǎo)入Autodyn中進(jìn)行分析。展開式EFP戰(zhàn)斗部的有限元模型如圖3(d)所示。

圖3 展開式EFP戰(zhàn)斗部有限元模型Fig.3 Finite element model of expansion EFP warhead

2.2 算法及材料模型的選擇

采用Lagrange算法[9]對復(fù)合破片場的成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬。中心和外圍裝藥均選擇8701炸藥，殼體選用50SiMnVB，藥型罩采用CU-OFHC。各材料選擇的強度模型、狀態(tài)方程和失效模型如表1所示，各材料參數(shù)[10-11]如表2和表3所示。

表3 藥型罩及殼體材料參數(shù)Table 3 Parameters of liner and shell materials

2.3 模擬方案

戰(zhàn)斗部的裝藥直徑為100mm，裝藥高度為100mm，殼體厚度選取6mm，刻槽參數(shù)(深度和寬度)的選取對預(yù)控破片的成型質(zhì)量有較大影響，刻槽深度太大會導(dǎo)致殼體過早破裂，形成的破片速度過小，太小則會導(dǎo)致預(yù)控破片破碎不完整，刻槽寬度過大也會導(dǎo)致破片成型效果較差，經(jīng)模擬分析確定刻槽深度和寬度分別為3 mm和1mm。

在以上結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過改變中心和外圍的裝藥量，獲得內(nèi)外裝藥量對復(fù)合破片場成型及飛散的規(guī)律。戰(zhàn)斗部展開后需同時起爆內(nèi)外裝藥，中心裝藥采用單點起爆，對比不同的外圍裝藥起爆方式對預(yù)控破片成型效果的影響。在確定出較佳的內(nèi)外裝藥量及外圍裝藥起爆方式的基礎(chǔ)上分析展開角度對復(fù)合破片場成型的影響。

2.4 數(shù)值模擬方法的有效性驗證

為了驗證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，對戰(zhàn)斗部在閉合狀態(tài)下的EFP和破片組成的復(fù)合破片場的成型性能進(jìn)行分析，閉合狀態(tài)下戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于傳統(tǒng)的聚能裝藥戰(zhàn)斗部。通過X光試驗驗證閉合狀態(tài)下EFP的成型形態(tài)，表4為閉合狀態(tài)下180μs時 EFP成型形狀和成型參數(shù)的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果。

由表4可知，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合較好。由于數(shù)值模型包括外圍殼體，使得計算出的EFP速度和長徑比略高于試驗值。以上結(jié)果反映出本研究數(shù)值模擬方法具有一定的準(zhǔn)確性和較好的精度。

表4 閉合狀態(tài)下EFP成型的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of the experiment results and the numerical simulation ones of EFP formation under the closure state

閉合狀態(tài)下復(fù)合破片場中的預(yù)控破片速度通過文獻(xiàn)[12]中修正的Gurney公式進(jìn)行驗證，殼體不同位置處形成破片的速度v0x為：

(1)

數(shù)值模擬與理論計算的破片速度見圖4。

圖4 破片速度的數(shù)值模擬與理論結(jié)果對比Fig.4 Comparison of the simulation results and the theoretical ones for fragment velocity

從圖4可以看出，殼體中部的破片速度理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果有一定偏差，但破片速度沿軸向的變化趨勢基本一致，破片速度最高點的理論計算與模擬結(jié)果均在Gauge 6～Gauge 7范圍內(nèi)。因此，可以認(rèn)為數(shù)值模擬方法精度較好，可利用本研究的數(shù)值模擬方法對展開式EFP戰(zhàn)斗部復(fù)合破片場的成型進(jìn)行模擬。

3 結(jié)果分析

3.1 中心與外圍裝藥量對EFP和預(yù)控破片成型的影響

通過改變中心藥柱頂部半徑r獲得內(nèi)外裝藥量對EFP和預(yù)控破片成型的影響規(guī)律。選取r時考慮中心裝藥和外圍裝藥量的關(guān)系，用K表示外圍裝藥量與中心裝藥量的比值，將全裝藥近似為圓柱形，主裝藥部分近似為底部半徑為45mm的圓臺形，利用圓柱和圓臺體積公式可求得K：

(2)

式中：ρ為裝藥密度。

分別取中心藥柱頂部半徑為20、25、30mm，分別對應(yīng)K>1、K=1、K<1的情況，起爆方式選擇中心藥柱單點起爆和外圍裝藥端面頂部四點起爆，并在殼體外側(cè)中間添加10個沿軸向均勻排布的Gauge點，一瓣殼體的Gauge點設(shè)置示意圖如圖5所示。模擬獲得各Gauge點處的預(yù)控破片的飛散速度、軌跡，從而計算出破片偏轉(zhuǎn)角。

圖5 Gauge點設(shè)置示意圖Fig.5 Schematic diagram of Gauge point settings

不同頂部半徑形成的破片成型效果如圖6所示。從圖6可以看出，r=20mm時預(yù)控破片成型效果最佳，在r=25mm時，所形成的破片基本全部斷裂，但在殼體底部形成的破片聚集較明顯，而當(dāng)r=30mm時，殼體沿軸向未完全斷裂，預(yù)控破片大部分呈條狀。

圖6 不同頂部半徑下破片的成型效果Fig.6 Formation effect images of fragment under different top radius

預(yù)控破片場的飛散速度和偏轉(zhuǎn)角隨頂部半徑的變化規(guī)律如圖7和圖8所示。

從圖7可以看出，隨著頂部半徑的增加，外圍裝藥量逐漸減小，Gauge 1～Gauge 8的破片飛散速度明顯降低，而Gauge 9～Gauge 10變化不大，這是由于底端裝藥寬度是固定的。

圖7 破片飛散速度隨頂部裝藥半徑的變化規(guī)律Fig.7 Variation law of fragment velocity with top charge radius

圖8 破片偏轉(zhuǎn)角隨頂部裝藥半徑的變化規(guī)律Fig.8 Variation law of fragment deflection angle with top charge radius

(3)

不同頂部半徑形成的EFP效果如圖9所示。從圖9可看出，隨著r的增大，EFP尾部斷裂現(xiàn)象越發(fā)明顯，這將嚴(yán)重影響EFP的飛行穩(wěn)定性。速度和長徑比均隨著r的增大而增大，但速度的增量約為60～70m/s，因此單純增大中心裝藥半徑不能顯著提高EFP的飛行速度，而長徑比的增加使得斷裂現(xiàn)象愈加明顯。

圖9 EFP成型參數(shù)隨r的變化規(guī)律Fig.9 Variation law of EFP formation parameters with r

綜上所述，確定中心與外圍裝藥量時需同時考慮裝藥結(jié)構(gòu)對EFP和預(yù)控破片的影響，增加外圍裝藥量能顯著提高破片飛散速度，K>1時破片飛散速度相比于K<1的情況，增加的幅值最大達(dá)到300m/s，而EFP因裝藥結(jié)構(gòu)改變速度增加幅值約為140m/s，與預(yù)控破片的增量相比較小。因此確定外圍裝藥頂部厚度為30mm，中心裝藥半徑為20mm。

3.2 外圍裝藥起爆方式對預(yù)控破片成型的影響

由于外圍裝藥結(jié)構(gòu)的特殊性，需研究起爆方式對預(yù)控破片的成型影響，選擇頂部單點、頂部五點和內(nèi)側(cè)五點起爆等3種起爆方式進(jìn)行對比。圖10分別給出了一塊裝藥的起爆點及破片成型效果，對稱后的整體4塊裝藥分別為頂部四點起爆、頂部二十點起爆、內(nèi)側(cè)二十點起爆。

圖10 不同起爆方式及其破片的成型效果Fig.10 Initiation modes and formation effect images of fragment under different initiation modes

預(yù)控破片的飛散速度和偏轉(zhuǎn)角變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 不同起爆方式下的破片速度及破片偏轉(zhuǎn)角Fig.11 Fragment velocity and fragment deflection angle under different initiation modes

由圖11(a)可知，頂部四點起爆方式形成的破片速度要高于其他兩種起爆方式，而頂部二十點起爆方式比內(nèi)側(cè)二十點起爆方式的破片速度大體上要高。這是由于內(nèi)側(cè)二十點起爆時爆轟波傳播距離短，且稀疏波的效應(yīng)最明顯，導(dǎo)致破片速度最小。從圖11(b)可以看出，內(nèi)側(cè)二十點起爆方式下的中間大部分破片的偏轉(zhuǎn)角較小，而Gauge1處的偏轉(zhuǎn)角較大。綜合破片成型效果、速度和偏轉(zhuǎn)角的規(guī)律，并考慮實際工程中起爆裝置的復(fù)雜性，選擇頂部四點起爆方式。

3.3 展開角度對復(fù)合破片場成型的影響

展開式戰(zhàn)斗部通過展開特定的角度θ，能夠使破片不再沿著周向360°分布，可以在特定的方向上增加破片密度，從而增加對目標(biāo)的毀傷能力，提高戰(zhàn)斗部的毀傷效率。分別模擬閉合(θ=0°)以及θ分別為30°、45°、60°、75°和90°狀態(tài)下復(fù)合破片場的成型情況。閉合與展開狀態(tài)下的起爆方式如圖12所示，其中閉合狀態(tài)采用中心單點起爆，而展開狀態(tài)采用中心單點和外圍四點同時起爆。

圖13為不同展開角度下預(yù)控破片的飛散速度。

圖12 不同狀態(tài)下的起爆方式Fig.12 Detonation modes under different state conditions

圖13 不同展開角度下的破片速度Fig.13 Fragment velocity under different expansion angles

從圖13可以看出，閉合狀態(tài)時破片的速度遠(yuǎn)高于展開狀態(tài)，這是由于裝藥處于全約束狀態(tài)，稀疏波來不及進(jìn)入，因此破片成型速度最高。展開狀態(tài)下，最大破片速度在1127～1135m/s間波動，最大破片速度變化不明顯。閉合狀態(tài)下，破片速度的最大值出現(xiàn)在Gauge 6位置，由圖5可知，該位置距離起爆端約為60mm，即大約裝藥高度的60%處；而展開角度狀態(tài)下，破片速度最大值均出現(xiàn)在Gauge3與Gauge4之間，該位置距離起爆端約為33mm，即大約裝藥高度33%處，這是由外圍裝藥結(jié)構(gòu)所決定的，外圍裝藥相當(dāng)于將圓柱體減去中心裝藥的圓臺后分成4份，其幾何外形是頂部寬且厚，底部窄且薄，因此頂部的藥量更多，所以在頂部四點起爆時容易在距離起爆端約33%裝藥高度的位置產(chǎn)生最大速度的破片。而閉合狀態(tài)的戰(zhàn)斗部破片最大速度出現(xiàn)在殼體中央偏下的位置，這是因為閉合狀態(tài)下的戰(zhàn)斗部所有裝藥均受到約束。

從圖13還可以看出，隨著展開角度的增加，底端破片速度不斷減小。這是由于展開角度越小，外圍裝藥和中心裝藥的空間越小，能在一定程度上減小能量的發(fā)散，從而使得形成的底端預(yù)控破片速度較大。

各展開角度下100μs時刻復(fù)合破片場的成型效果如圖14所示。

圖14 100μs時各展開角度下復(fù)合破片場的成型效果Fig.14 The formation effect images of composite fragments field under different expansion angles at 100μs

閉合時破片的飛散區(qū)域最大，但在特定的方向上破片密集度低。在展開角度為45°和60°時的飛散特性較好，從圖14可以看出，這兩個展開角度下對應(yīng)的破片覆蓋的面積大致是緊密圍繞在EFP周圍，在一定面積上預(yù)控破片場密度良好。展開角度為90°底部破片明顯向內(nèi)飛散，EFP周圍的預(yù)控破片偏轉(zhuǎn)角度較好的只有殼體中上部分形成的那部分破片，殼體底部形成的預(yù)控破片向內(nèi)飛散容易與所形成的EFP相碰撞或者彼此間互相干涉，從而影響毀傷能力。

復(fù)合破片場中的EFP速度和長徑比隨展開角度的變化如圖15所示。其中閉合狀態(tài)下EFP的速度遠(yuǎn)高于展開一定角度時的EFP，在展開不同角度下的EFP速度相差不大。EFP長徑比的變化隨展開角度的增加而增加，在展開角度小于45°長徑比的增加非常明顯，在展開角度大于45°后變化較小。長徑比的增加使得過于細(xì)長的EFP容易產(chǎn)生縮頸和斷裂，導(dǎo)致EFP失穩(wěn)。

圖15 復(fù)合破片場中的EFP成型參數(shù)Fig.15 EFP formation parameters in the composite fragment field

圖16為各展開角度下EFP的尾部開口形狀，觀察得出閉合時形成的EFP主體部分較其余展開角度對應(yīng)的主體部分都大。展開一定角度后藥型罩的形狀明顯由類似于菱形轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦?，這是因為隨著展開角度的增大，外圍裝藥作用在藥型罩外圈邊緣部分的能量減小，所以在各外圍裝藥對應(yīng)的藥型罩位置處就會出現(xiàn)藥型罩向內(nèi)凹陷現(xiàn)象，展開角度越小，凹陷越明顯。

圖16 各展開角度下EFP的尾部開口形狀Fig.16 The tail opening shape of EFP under different expansion angles

為了對比閉合與展開狀態(tài)下EFP的侵徹能力，利用Autodyn軟件對不同展開角度下EFP侵徹裝甲鋼進(jìn)行數(shù)值模擬。鋼板尺寸為Φ200mm×50mm，各展開角度下EFP侵徹靶板的效果如圖17所示，侵徹結(jié)果如表5所示。θ=0°時EFP的侵深(H)最大，這與其速度最大相符合，而各展開角度下的侵徹效果較接近。當(dāng)θ=30°時，由于EFP的長徑比較小，其侵徹能力較其他展開角度稍弱。θ=75°的展開狀態(tài)與閉合狀態(tài)相比，EFP侵深減少了36%，而孔徑(d)增大了38%。侵徹結(jié)果表明，展開式EFP戰(zhàn)斗部仍具有較強的侵徹能力。

圖17 各展開角度下EFP侵徹靶板的效果圖Fig.17 The effect images of EFP penetration into target under different expansion angles

θ/(°)H/mmd/mm043.738.63021.546.64525.348.06027.648.67527.953.29026.249.4

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計了一種能形成復(fù)合破片場的展開式EFP戰(zhàn)斗部，獲得了裝藥量對EFP成型和預(yù)控破片飛散的規(guī)律。隨著中心裝藥半徑的增大，EFP的速度和長徑比逐漸增大，但其斷裂現(xiàn)象愈加明顯，而預(yù)控破片的飛散速度逐漸減小。

(2)研究了外圍裝藥起爆方式對預(yù)控破片飛散速度和偏轉(zhuǎn)角的影響，得到了頂部四點起爆形成的破片速度高于頂部二十點和內(nèi)側(cè)二十點起爆，而起爆方式對破片偏轉(zhuǎn)角的影響不大。

(3)閉合狀態(tài)下復(fù)合破片場的速度高于展開狀態(tài)。閉合與展開狀態(tài)下預(yù)控破片的最大速度分別出現(xiàn)在距起爆端約60%和33%處，且隨著展開角度的增大，遠(yuǎn)離起爆端的破片速度逐漸減小。展開45°～60°時，預(yù)控破片覆蓋的區(qū)域緊密圍繞在EFP周圍。

(4)展開75°時的狀態(tài)與閉合狀態(tài)相比，EFP侵徹深度減少了36%，而孔徑增大了38%。通過合理控制戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)、展開角度和起爆方式，可實現(xiàn)戰(zhàn)斗部威力輸出的可控化。