宋永彬，陳思敏，賈 鑫，黃正祥

(1.一重集團(tuán)(黑龍江)專項(xiàng)裝備科技有限公司 專項(xiàng)裝備研究所，遼寧 大連 116031； 2.南京理工大學(xué)，南京 210094)

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，末段反導(dǎo)作為保護(hù)己方目標(biāo)免受導(dǎo)彈襲擊的最后一道屏障，對(duì)于如深侵徹鉆地彈型堅(jiān)固類導(dǎo)彈，要實(shí)現(xiàn)攔截目的，必須引爆戰(zhàn)斗部使其完全解體。傳統(tǒng)反導(dǎo)戰(zhàn)斗部如聚焦破片戰(zhàn)斗部、動(dòng)能桿式戰(zhàn)斗部和MEFP戰(zhàn)斗部等僅針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)目標(biāo)，但對(duì)于如GBU-57(壁厚大于100 mm)等大壁厚目標(biāo)無(wú)法有效攔截[1-3]。由于聚能射流具有高溫、高速、侵徹能力強(qiáng)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，可穿透大壁厚殼體并引爆其內(nèi)部裝藥，因此可以作為反堅(jiān)固類導(dǎo)彈的一種有效手段[4-5]。

目前，對(duì)于聚能射流沖擊起爆帶殼裝藥的問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究，但射流沖擊起爆裝藥多是在靜態(tài)、無(wú)殼或薄殼條件下進(jìn)行的，對(duì)于運(yùn)動(dòng)厚壁帶殼裝藥的研究相對(duì)較少。Held等[6-7]采用聚能射流對(duì)不同間隙寬度和蓋板材料下的靜止無(wú)殼炸藥進(jìn)行了沖擊起爆試驗(yàn)。Arnold等[8]采用不同裝藥直徑的聚能射流對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下的薄殼炸藥進(jìn)行沖擊起爆實(shí)驗(yàn)并提出了新的起爆準(zhǔn)則。宋乙丹等人對(duì)2種靜止?fàn)顟B(tài)下的壓裝無(wú)殼PBX炸藥進(jìn)行了射流沖擊起爆試驗(yàn)，得到了臨界起爆閾值[9]。陳思敏等[10]對(duì)帶蓋板有限厚無(wú)殼炸藥進(jìn)行射流沖擊起爆實(shí)驗(yàn)，得到了炸藥起爆閾值隨炸藥厚度的變化關(guān)系。趙聘等[11]對(duì)被加熱的RDX含鋁炸藥進(jìn)行了射流沖擊起爆研究，發(fā)現(xiàn)RDX含鋁炸藥溫度對(duì)前驅(qū)沖擊波起爆炸藥有很大影響。趙庚等[12]對(duì)桿式射流沖擊起爆運(yùn)動(dòng)厚壁帶殼裝藥進(jìn)行了仿真模擬研究，發(fā)現(xiàn)彈目追趕交匯要比迎頭交匯時(shí)更容易引爆目標(biāo)裝藥。

本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)聚能裝藥沖擊起爆運(yùn)動(dòng)厚壁裝藥進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了不同結(jié)構(gòu)所形成射流的侵徹能力以及引爆能力，同時(shí)還分析了著靶角對(duì)沖擊起爆的影響。研究結(jié)果可為反導(dǎo)戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

2 仿真模型建立

2.1 模型參數(shù)

本文所采用的3種聚能裝藥結(jié)構(gòu)分別為K裝藥結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)和單錐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。仿真中3種聚能裝藥結(jié)構(gòu)的直徑都為66 mm，炸高為158 mm。其中K裝藥曲率半徑為100 mm，偏心距為53 mm，壁厚1.4 mm；單錐結(jié)構(gòu)錐角為50°，壁厚0.9 mm；雙錐結(jié)構(gòu)小錐角38°，大錐角62°，壁厚1 mm。等效外殼厚度為120 mm，炸藥厚度為30 mm，等效外殼和等效導(dǎo)彈裝藥的橫向運(yùn)動(dòng)速度為500 m/s。建立二分之一模型，單位制采用cm-g-μs，有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Charge structure

圖2 有限元模型示意圖

2.2 材料參數(shù)

仿真計(jì)算中，炸藥、藥型罩、隔板和空氣采用歐拉算法，等效外殼和等效裝藥采用拉格朗日算法，通過(guò)流固耦合算法進(jìn)行計(jì)算。聚能裝藥中的炸藥為JH-2炸藥，隔板材料為酚醛樹(shù)脂，藥型罩為紫銅，等效外殼材料為50SiMnVB，等效導(dǎo)彈裝藥為B炸藥。JH-2炸藥采用JWL狀態(tài)方程描述反應(yīng)過(guò)程，如表1所示[13]。酚醛樹(shù)脂采用MAT ELASTIC PLASTIC HYDRO模型，相關(guān)參數(shù)如表2所示[14]。藥型罩材料和等效外殼采用JOHNSON-COOK模型，參數(shù)如表3所示[10，15]。B炸藥采用三項(xiàng)式點(diǎn)火增長(zhǎng)模型描述[16]，參數(shù)如表4所示。

表1 JH-2炸藥的C-J參數(shù)及JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表2 酚醛樹(shù)脂的材料參數(shù)

表3 藥型罩和殼體材料參數(shù)

表4 B炸藥參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

仿真模型中中心位置處網(wǎng)格為邊緣網(wǎng)格的1/2，軸向網(wǎng)格與徑向邊緣網(wǎng)格大小相同。以K裝藥結(jié)構(gòu)為例，選取中心網(wǎng)格大小0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm進(jìn)行計(jì)算，如圖3所示，相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 仿真網(wǎng)格示意圖

圖4 不同網(wǎng)格的射流速度分布云圖

仿真得到的射流頭部速度分為6 023 m/s、5 713 m/s和5 463 m/s。從結(jié)果中可以看出仿真結(jié)果相差不大，網(wǎng)格收斂性好，因此本文中仿真的網(wǎng)格尺寸采用0.6 mm。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 K裝藥結(jié)構(gòu)

炸高158 mm時(shí) K裝藥結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖5所示。到達(dá)等效導(dǎo)彈外殼時(shí)，射流頭部速度為v=5 713 m/s，射流頭部直徑為d=2.8 mm。88 μs時(shí)，射流剩余頭部速度vr=2 487 m/s，由于等效外殼的橫向干擾，射流無(wú)法繼續(xù)侵徹，此時(shí)的開(kāi)坑直徑為29.6 mm，侵徹通道底部直徑為6.6 mm，侵徹深度P=48.6 mm，因此垂直條件下K結(jié)構(gòu)裝藥所形成射流無(wú)法穿透外殼并引爆裝藥。

圖5 K裝藥垂直侵徹仿真結(jié)果云圖

3.2 雙錐結(jié)構(gòu)

雙錐結(jié)構(gòu)裝藥仿真結(jié)果如圖6所示。到達(dá)等效導(dǎo)彈外殼時(shí)，射流頭部速度為v=10 780 m/s，射流頭部直徑為d=0.9 mm。84 μs時(shí)，射流剩余頭部速度vr=2 724 m/s，射流受到明顯干擾無(wú)法繼續(xù)侵徹，此時(shí)的開(kāi)坑直徑為73.3 mm，侵徹通道底部直徑為9.6 mm，侵徹深度P=100.4 mm，因此雙錐結(jié)構(gòu)裝藥所形成射流無(wú)法穿透外殼并引爆裝藥。

3.3 單錐結(jié)構(gòu)

單錐結(jié)構(gòu)裝藥仿真結(jié)果如圖7所示。到達(dá)等效導(dǎo)彈外殼時(shí)射流頭部速度為v=10 590 m/s，射流頭部直徑為d=1.4 mm。94 μs時(shí)射流基本穿透外殼，此時(shí)剩余頭部速度vr=2 162 m/s。98 μs時(shí)炸藥內(nèi)最大壓力為38.7 GPa，因此單錐結(jié)構(gòu)裝藥所形成射流可以穿透外殼并引爆裝藥。

圖6 雙錐結(jié)構(gòu)裝藥仿真結(jié)果云圖

圖7 單錐結(jié)構(gòu)裝藥仿真結(jié)果云圖

表5為3種結(jié)構(gòu)裝藥仿真結(jié)果，從表5可以看出，K裝藥所形成的射流頭部速度最低，射流直徑最大，但侵徹深度低。雙錐結(jié)構(gòu)裝藥射流頭部速度略高于單錐結(jié)構(gòu)，但射流直徑小于單錐結(jié)構(gòu)，同時(shí)雙錐結(jié)構(gòu)所形成射流侵徹深度小于單錐結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：射流的動(dòng)態(tài)侵徹能力主要受到射流頭部速度的影響，但同時(shí)射流直徑也會(huì)影響到射流動(dòng)態(tài)侵徹能力。在3種裝藥結(jié)構(gòu)中單錐結(jié)構(gòu)裝藥動(dòng)態(tài)侵徹能力最強(qiáng)，可以穿透并引爆內(nèi)部裝藥。

表5 3種裝藥仿真結(jié)果

4 著靶角影響分析

采用單錐結(jié)構(gòu)裝藥，對(duì)不同著靶角下的射流侵徹及引爆結(jié)果進(jìn)行分析。其中著靶角為β，相向傾斜為正，同向傾斜為負(fù)，如圖8所示。對(duì)著靶角β=10°，β=5°，β=0°，β=-5°，β=-10°，β=-15°進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，射流在-15°～5°穿透并引爆裝藥。

圖8 射流著靶角示意圖

圖9 不同著靶角的仿真結(jié)果云圖

射流穿透等效外殼后的剩余射流頭部速度和射流直徑隨著靶角的變化如圖10所示，從圖10可以明顯看出，隨著著靶角的增加，穿透后的剩余射流頭部速度減小，射流直徑在增加。圖11為剩余射流的刺激強(qiáng)度K(v2d)隨射流著靶角β的變化。B炸藥的臨界起爆閾值為16 mm3·μs-2[17]，仿真計(jì)算得到在-15°～5°著靶角范圍內(nèi)的剩余射流刺激強(qiáng)度都大于臨界起爆閾值且仿真中炸藥都被引爆，因此仿真結(jié)果合理。結(jié)果表明：隨著著靶角β的增加，剩余射流的起爆能力增加，因此同向傾斜比相向傾斜更易穿透殼體并引爆內(nèi)部裝藥。

圖10 剩余射流頭部速度和直徑隨靶角的變化曲線

圖11 剩余射流的刺激強(qiáng)度隨靶角的變化曲線

5 結(jié)論

K裝藥、雙錐和單錐3種結(jié)構(gòu)的裝藥中，單錐形成的射流可以穿透殼體并引爆內(nèi)部裝藥，K裝藥形成的射流由于射流頭部速度太低無(wú)法穿透外殼，雙錐結(jié)構(gòu)裝藥由于射流頭部直徑太小無(wú)法穿透殼體。

射流的動(dòng)態(tài)侵徹能力主要受射流頭部速度的影響，射流頭部速度越大，對(duì)運(yùn)動(dòng)靶板的侵徹能力越強(qiáng)，同時(shí)射流的動(dòng)態(tài)侵徹能力還明顯受射流直徑的影響。射流在同向傾斜條件下比相向傾斜更易穿透殼體引爆內(nèi)部裝藥。隨著著靶角的增加，射流穿透厚壁外殼后的剩余速度和起爆能力降低。