串联侵彻战斗部前级装药设计及试验研究

王利侠,袁宝慧,孙 建,谷鸿平,景青波

(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)

引 言

现役侵彻战斗部有动能侵彻型和串联复合型两种类型。串联复合型侵彻弹一般由前后两级构成,前级装药先爆炸形成高速聚能侵彻体,首先对混凝土类目标和其覆土层预先开孔,后级侵爆战斗部沿此孔进入内部爆炸以达到有效摧毁目标[1-3]。动能侵彻弹(KE)主要依靠弹体末段飞行动能侵彻到目标内部一定深度后,引爆弹头内的高爆装药毁伤目标;缺点是受着速等影响大,且大着角时容易发生跳弹。为克服上述缺点,一些国家先后提出串联复合攻坚战斗部概念,如英国皇家军械部的布诺奇(Broach)侵彻战斗部及法国和德国TDA/TDW公司联合研制的米菲斯特(Mephisto)多级侵彻战斗部,对坚固混凝土侵彻深度高达6.1m 。

对复合侵彻战斗部而言,前级预先开孔的质量和孔道性能,如孔径大小和开孔深度直接关系到后级能否顺利随进,而前级开孔大小和侵彻深度,又与前级装药结构、所形成的侵彻体特性密切相关。因此在串联复合型侵彻战斗部研究中,前级装药结构的设计至关重要[4-8]。

本研究在前级装药的结构设计时,引入杆式聚能侵彻体的设计思路,将铜、铝两种材料作为杆式聚能装药的药型罩,通过数值模拟和试验验证,获得了穿深能力和穿孔直径均可满足后级需求的前级装药结构,为串联侵彻战斗部前级装药的设计提供参考。

1 数值模拟

1.1 前级装药结构设计

研究认为,低密度的金属铝在对混凝土作用时可能与混凝土材料发生化学反应,引起对混凝土的附加破坏;还有人认为铝材料与混凝土之间有较好的阻抗匹配,可以更有效地把动能转换成混凝土目标破坏能使之毁坏[9],因此在前级装药设计时,把金属铝材料考虑在药型罩的结构设计和试验方案中。

本研究设计了3 种药型罩结构的前级装药方案,每个方案分别采用铜、铝两种药型罩材料,形成铜、铝杆式聚能侵彻体。所设计的3 种药型罩结构为:变壁厚球缺形长杆式EFP 的药型罩装药;曲线组合K 形杆式射流的药型罩装药;变壁厚90°锥角的锥形药型罩装药。结构示意图如图1 所示,结构设计参数见表1。前级装药均由药型罩、炸药、壳体等部分组成,装药长径比为0.85 ～1.0。装药均在与药型罩相对的顶端面上,采用不同起爆方式起爆。

图1 3 种前级装药结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the precursory shaped charge

表1 前级装药结构设计参数Table 1 Design parameters of precursory shaped charge of the tandem warhead

1.2 前级装药计算模型及参数

采用LS-DYNA3D 程序计算时使炸药种类、装药几何形状、装药长径比等基本参数保持不变,只改变药型罩形状及材料、装药起爆方式等,对铜、铝两种药型罩材料6 个装药模型结构进行了计算。前级装药K 型射流结构计算模型见图2,其余两个结构除药型罩形状外建模方式相同。计算模型中包含药型罩、炸药、钢壳体、空气流动介质4 部分,其中药型罩、炸药、空气单元采用多物质Euler 算法,且Euler 网格范围覆盖爆轰产物和射流流动的整个区域;壳体单元采用Lagrange 算法。所有网格单元选用Solid164 八节点六面体单元。

紫铜、纯铝药型罩用Steinberg 材料模型和G runeisen 状态方程描述;炸药装药为Octol,采用HIGH_EXPLOSIV E_BU RN 材料模型和JW L 状态方程描述;空气介质用N ULL 材料模型和LINEAR_POLYNOM IAL 状态方程;壳体45#钢用理想弹塑性模 型和G runeisen 状态方程描述。计算时同一结构铝罩根据炸药与药型罩质量匹配特性加厚3 ～5 mm;同一结构分别采用点起爆、环形起爆及面起爆3 种起爆方式模拟计算。

图2 K 形装药计算模型Fig.2 Calculation model of K-charge

1.3 计算结果及分析

表2 为3 种前级设计方案在环形起爆和面起爆时的计算结果。由于铜、铝材料密度、强度、声速等特性参数存在明显差异,当装药结构及起爆时间相同时,用不同药型罩材料所获得的侵彻体长度、头/尾部直径、头部形状等存在显著差别。图3 为环形起爆状态下所形成的侵彻体形态。

表2 3 种前级设计方案在起爆260μs 时获得的聚能侵彻体相关计算参数Table 2 Numerical calculation parameters of penetrator at 260μs based on three schemes for the shaped charge structural design

图3 环形起爆条件260μs 时刻不同药型罩形成的聚能侵彻体形态Fig.3 Shapes of the penetrators with different liners under the condition of being initiated circumferentially at 260μs

由图3可看出,当药型罩为球缺形时,形成了大长径比爆炸成型弹丸,即长杆式EFP ,其头尾速度梯度小,侵彻弹质量大,气动性能好,适于对远距离处混凝土目标侵彻开孔;K 形罩装药形成聚能杆状侵彻体,速度梯度比EFP 弹丸大,其连续性较好,长径比大;90°锥角装药形成的杆式侵彻体,速度梯度比最大,长径比也更大。由表2可看出,上述3 种结构的不同药型罩材料装药,采用面起爆时,所形成的聚能侵彻体长度、直径和速度参数均高于点起爆和环形起爆方式的侵彻体相应参数。环形起爆方式的球缺形、K 形和锥形铜药型罩装药,在起爆后260 μs 时刻形成铜侵彻体头部速度分别为3 521 ～4 344 m/s,从球缺罩至K 形罩再到锥形罩计算侵彻体的速度依次相差约400 m/s;相同条件下铝侵彻体头部速度在5 000 ～6 389 m/s,速度依次相差大于500 m/s;装药结构相同时不同材质侵彻体的头部形状、直径等状态参数稍有差异。同结构不同材料的药型罩,铝侵彻体射流速度比铜侵彻体高40%,铝射流长度比铜射流长20%(由于成型机理不同球缺罩EFP 弹丸例外)以上,即铝杆式侵彻体速度和长度比铜侵彻体优势明显得多。从形成侵彻体的形状、速度来看,K 形装药杆状射流的头尾速度差比球缺形弹丸高约50%,因此同一时刻杆式侵彻体比EFP 弹丸长约50%,且杆状射流连续性和均匀性均比锥形射流好,抗拉断能力应比锥形射流强,能否适合串联侵彻战斗部对前级装药的大孔径、高穿深的侵彻要求,将通过试验进行验证。

2 试验验证

2.1 试验条件

试验弹钢壳体厚4 mm,装药直径142 mm;药型罩采用紫铜、铝合金材料;注装Octol 炸药(74%HM X,26%TNT),装药密度1.79 ～1.81 g/cm3,装药量2500 ～2 850kg 。

试验目标靶为Ф1.5 m ×1.0m 和Ф1.5m ×1.3 m两种规格的钢筋混凝土圆柱靶墩,产品设计标准符合GJBz20419.2-1998,其抗压强度为35M Pa,体积配筋率约2%;目标靶养护周期为一个月。弹靶作用距离约2 倍装药直径。

2.2 穿靶试验结果

聚能侵彻体对钢筋混凝土穿孔形状如图4 所示,穿孔深度主要由漏斗形孔和锥形孔组成,靶后受稀疏波拉应力的作用,有一层裂崩落层(只在靶柱穿透情况下),因此前级聚能装药对目标靶的穿靶孔道深度由左边大漏斗形孔和右边锥型孔组成,试验结果见表3。

试验弹与钢筋混凝土作用试验结果见图5,所有侵彻体作用的靶面裂纹区域大小为Ф1.5m 。其中图5(d)和图5(e)试验装药和试验条件相同,只是试验效果不同。

图4 侵彻体对钢筋混凝土穿孔孔形图Fig.4 Perforation shape of the penetrator againstreinforced concrete target

表3 不同药型罩前级装药对钢筋混凝土的作用孔形参数结果Table 3 Perforation parameters of the penetrators w ith different liners against reinforced concrete target

图5 不同聚能侵彻体对钢筋混凝土靶试验的结果Fig.5 Damage effects of different penetrators against reinforced concrete targets

2.3 结果分析

由图5可看出,钢筋混凝土模拟靶在聚能侵彻体的强冲击载荷作用下,靶以脆性而不是延性方式产生靶面破坏;从图5(a)～(e)看到靶体表面毁伤效应明显,受入射压缩波及自由边界反射波的共同作用,混凝土靶面产生了不规则的数条辐射状径向裂纹,开坑处均有严重的崩落,EFP 弹丸冲击时裂纹数比杆射流产生的裂纹数多30%。

由图4 及图5可见,开孔的锥形部分孔道直径小,深度占整个穿孔的60%～70%,它是影响主孔道大小的主要尺寸,是决定串联侵彻战斗部后级能否顺利进入目标内层爆炸的“瓶颈”通道。

从表3 和图5可知,球缺罩结构和曲线K 形罩结构对钢筋混凝土靶的穿深能力相近,但K 形罩杆射流的穿深要深一些,入孔孔径大一些,且主孔型为均匀的锥型孔。所有装药对目标靶作用时,加固钢板的钢筋混凝土靶墩其靶面裂纹破坏区域达10倍弹径;且球缺罩对混凝土靶面的破坏力好于K 形罩,其靶面裂纹、疏松区域大小和崩落程度显著增强,铜EFP 弹丸对靶面形成的裂纹数目比铜杆射流多达30%以上,靶面崩落区域比杆射流作用的靶面崩落区域范围大约20%,其破坏区域的疏松程度明显优于杆射流。

由上述试验结果可见,所有铜聚能侵彻体的穿深能力均大于铝聚能侵彻体,这可能是由于铝材料密度比铜低所致;但是铝侵彻体的穿孔孔径、靶面破坏疏松区和疏松度优势明显比铜侵彻体大得多,可以认为金属铝能与混凝土材料发生化学反应,产生对混凝土的附加破坏;而且铝与混凝土阻抗匹配特性好于铜材料,有利于侵彻体动能的有效转化[9],使铝侵彻体产生优异的靶面综合毁伤效果。需要说明的是,图5(d)K 型铝罩装药试验,在同样炸高条件下靶墩产生冲毁垮塌,可能由于爆炸作用失常,低炸高时炸药爆炸后直接作用于靶;或者是因为铝射流与混凝土发生显著化学反应和强烈膨胀效应,有待以后的研究观察。

从图5 结果可知,针对C35 钢筋混凝土靶标,铜杆式射流和球缺罩EFP 的穿深能力均达7倍装药直径,但杆射流的穿孔孔径大于EFP ,其入孔孔径已达0.56 倍装药直径,能满足串联侵彻战斗部的前级装药对混凝土目标预开大孔的技术需求。

3 结 论

(1)K 形铜罩杆式射流的穿孔效果较好,在穿孔深度相当的情况下,K 形杆式射流比铜球缺罩EFP 穿孔粗、孔径大,适用于串联侵彻战斗部的前级装药对钢筋混凝土标靶开大孔和高穿深要求。

(2)尽管铝药型罩侵彻的孔径比较大而孔浅,但是靶面破坏疏松区大而深,损伤裂纹数目多,其横向膨胀作用对靶面的毁伤效果明显。可将球缺形和K 形铝侵彻体前级方案用于打击较薄的钢混目标,如对工事或钢混墙等防护目标,将会取得更大范围的疏松区域和大穿孔的效果。

(3)若采用平面波起爆装药,可使前级侵彻体的速度、长度等比环形起爆的相关参数存在较明显优势,应对混凝土目标产生更显著穿孔效果。

致谢:参加本研究及试验工作的还有刘丰旺、刘谦、贺海民、王亲会、赵凯等同志,在此表示衷心感谢!

[1]刘永远,江正平,张进.钻地弹及其发展趋势[J].飞航导弹,2006,(3):34-37.

LIU Yong-yuan,JIANG Zheng-ping,ZHANG Jin.Earth penetrator and its developing trends[J].Winged Missiles Journal,2006,(3):34-37.

[2]叶本治,杨贵红,戴君全.聚能装药对混凝土侵彻的试验研究[J].爆轰波与冲击波,1993,9(3):1-7.

YE Ben-zhi,YANG Gui-hong,DAI Jun-quan.Experimental study of the shaped charge penetration against concrete target[J].Detonation and Shock Waves,1993,9(3):1-7.

[3]王树有,赵有守,陈惠武.串联攻坚战斗部前级聚能装药研究[J].弹箭与制导学报,2005,25(3):501-508.

WANG Shu-you,ZH AO You-shou,CH EN H ui-wu.S tudy of precursory shaped charge of tandem w arhead[J].Journal of Projectiles Rockets,Missiles and Guidance,2005,25(3):501-508.

[4]王利侠,孙建,刘丰旺,等.聚能侵彻体对混凝土作用的实验研究[C]//第十届学术年会论文集.绵阳:中国宇航学会,2007:366-369.

[5]孙建,袁宝慧,王利侠,等.紧凑型聚能装药的数值模拟及实验研究[J].火炸药学报,2009,32(5):46-49.

S UN Jian,YUAN Bao-hui,WANG Li-xia,et al.Numerical simulation and experimental research on compact shaped charge[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2009,32(5):46-49.

[6]Held M.The shaped charge potential[C]// 20th International Symposium on Ballistics.Orlando:[s.n.],2002.

[7]Resnyansky A D,Wildegger-Gaissmaier A E.Study of the borehole diameter in concrete due to the shaped charge jet penetration[C]//20th International Symposium on Ballistics.Orlando:[s.n.],2002.

[8]Resnyansky A D,Katselis G,Wildegger-Gaissmaier A E.Experimental and numerical study of the shaped charge jet perforation against concrete target[C]// 21th International Symposium on Ballistics.Adelaide:[s.n.],2004.

[9]Murphy M J,and Kuklo R M.Fundamentals of shaped charge penetration in concrete[C]// 18th International Symposium on Ballistic. Sanantonio:TX,1999:1057-1064.