基于前级爆轰过载的串联攻坚弹后级计时起点

徐蓬朝，黄惠东，聂 峥

（西安机电信息技术研究所，陕西西安710065）

基于前级爆轰过载的串联攻坚弹后级计时起点

徐蓬朝，黄惠东，聂 峥

（西安机电信息技术研究所，陕西西安710065）

针对串联攻坚弹前级战斗部对目标开孔，后级战斗部沿孔洞继续侵彻时受到的冲击过载较小，不利于引信实时识别碰靶信息的问题，提出了基于前级爆轰过载信息的串联攻坚弹后级引信计时起爆起点。该方法利用前级聚能装药战斗部起爆产生的爆轰场环境，后级引信以爆轰过载信息作为计时起爆的计时起点，在识别此过载信息时可设置较高的阈值，当后级引信识别到过载信息大于设置的阈值后启动计时起爆，并按照预定时间延时，延时时间结束发出起爆信号。仿真计算表明，前级爆轰过载脉宽142μs，峰值4.0×104g，远大于后级战斗部侵彻过载，前级爆轰过载信息可作为后级引信计时起爆的起点，后级引信识别过载信息可以设定较高的阈值，提高弹道安全性；外场试验结果表明前级爆轰过载信息作为后级计时起爆的计时起点设计合理。

攻坚弹；串联战斗部；爆轰；引信；计时起爆

0 引言

串联攻坚弹前级战斗部起爆形成高速射流对目标进行有效的侵彻，后级动能战斗部依靠前级开出的孔洞继续侵彻，并适时引爆后级装药［1］。前级战斗部的射流必须穿透目标，且开孔的孔径应尽可能大，后级战斗部直径应略小于前级战斗部，以顺利钻入目标内部［2］。因此，后级战斗部侵彻目标过程中的冲击过载较小。

前级战斗部产生的爆轰场会对后级战斗部带来较大的冲击过载，一般设计后级引信时作为负面因素考虑。文献［3］研究了利用前级爆轰场环境对后级战斗部产生的减加速度剪断后级保险机构铜丝从而解除后级引信保险，但未涉及后级起爆控制。引信在计时起爆控制时，一般把侵入目标的时刻作为计时起点［4］。对于串联弹而言，前级战斗部爆炸形成射流对目标进行开孔，后级战斗部沿开孔随进侵入目标时的过载值较小，不利于后级引信识别过载信息。外场试验结果表明当后级引信识别到过载信息时，后级战斗部卵形部已经侵入目标内部，且侵彻深度具有一定的散布性，计时起爆的起点难以确定，不易控制炸点。本文针对此问题，提出了基于前级爆轰过载信息的串联攻坚弹引信后级计时起爆起点。

1 串联攻坚弹及LS-DYNA有限元软件

1.1 串联攻坚弹简介

串联攻坚弹的战斗部主要由前级战斗部、前级引信、后级战斗部、后级引信等组成，结构图如图1所示。

图1 串联攻坚弹战斗部结构图Fig.1 The model of structure of tanderm warhead

1.2 前级爆轰应力计算方法

前级装药爆轰后产生的爆轰波作用于隔层，通过隔层材料向后级战斗部透射冲击波。隔层入射波的动力学参量可由下式进行计算［5］：

式中，P1为隔层入射波压力，PH为炸药爆压，ρ01为隔层初始密度，γ为多方指数，u1为隔层质点速度，a1、b1为常数。

冲击波在隔层材料中的衰减规律都比较复杂，一般采用经验关系式，即冲击波在隔层中的衰减规律近似符合指数衰减规律如下：

式中，Px为隔层中x处的压力，α为隔层衰减系数。

在隔板（Ⅰ）与后级壳体（Ⅱ）界面相互作用中，界面处的动力学参量可根据阻抗匹配原理，结合界面连续条件，在“u-p平面内作图求解［6］。后级壳体的u-p曲线方程为：

由式（1）和式（3）做出隔层和后级战斗部壳体的冲击Hugoniot曲线［7］，求得壳体的初始入射波动力学参量。

1.3 LS-DYNA有限元软件

LS-DYNA仿真软件是世界上著名的通用显式动力学分析程序，它能够较好地模拟真实世界的各种复杂性问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸以及金属成型等非线性动力冲击问题，同时它还可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域中，它被广泛认可为最佳的分析软件之一，与试验结果的无数次对比证实了其计算分析的可靠性［8］。

2 基于前级爆轰过载的串联攻坚弹后级计时起点

2.1 前级爆轰冲击过载

串联攻坚弹按照图1所示结构1∶1条件下进行试验，前级聚能装药为聚奥炸药，其爆速为8 878 m/s，爆压为32.2 GPa，代入式（1）可以算出隔层初始入射波动力学参量，p1=36.6 GPa，u1=1 722.0 m/s。

隔层选用LY12铝，根据式（2）可以算得pN= 36.6exp（—0.019×60）=0.3 GPa，代入式（3）可以算得隔层输出粒子速度uN=20 m/s。作出隔层的Hugoniot曲线Ⅰ，曲线Ⅰ′是曲线Ⅰ关于点N（pN，uN）的镜像对称线，如图2所示。

图2 隔板、后级壳体的u- p曲线Fig.2 Theu- p curves of separator&following proiectile

后级战斗部材料为钨合金，作出战斗部的Hugoniot曲线Ⅱ，曲线Ⅱ与曲线Ⅰ′相交于点M，M点即为后级战斗部初始入射波动力学参量，由图2可以得出入射压力pM为510 MPa。

2.2 计时起点

前级战斗部开孔后，后级战斗部随进沿孔洞侵彻杀伤，此时后级战斗部受到的侵彻过载值较小，不利于引信识别。

由上文计算可知，前级爆轰场对后级弹冲击过载峰值较高，超过1.5×104g，远大于后级战斗部沿开孔侵彻过载。因此，后级引信起爆控制部件可以充分利用前级聚能装药爆轰过载冲击信息作为计时起爆的起点，后级引信识别爆轰过载可以设置较高的阈值，可控制在1.0×104～1.5×104g之间。后级引信加速度传感器刚性贴在引信壳体上，当传感器实时识别到过载信号大于此值后开始计时，并按照预定时间延时，延时时间结束发出起爆信号。

3 仿真及试验验证

3.1 仿真计算

仿真计算采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，数值模型由前级聚能装药、药型罩、空气、混凝土、隔层、后级战斗部、引信等部分组成，由于模型结构、冲击载荷具有对称性，为节减计算时间，弹体和靶板均采取1/4模型建模。模型的建立和简化基于以下原则：对前级聚能装药、药型罩、后级战斗部等进行详细建模，保持力学特征的真实性，其他部分简化、配重处理。后级引信壳体和弹体采用通螺纹连接，仿真计算时近似认为刚性连接。

仿真计算采用流固耦合方法，前级聚能装药、药型罩、空气采用ALE算法，炸药和药型罩用空气层包裹起来，并建立了射流的空气通道，其余材料均采用Largrange算法。网格单元是六面体SOLID 164单元，靶板中心区域进行加密划分网格，有限元模型如图3所示。

图3 串联弹有限元模型Fig.3 Numerical model of tanderm warhead

其中，前级聚能装药采用HIGH-EXPLOSIVE -BURN模型，状态方程为JWL；药型罩采用STEINBERG模型，状态方程为GRUNEISEN；空气采用NULL模型，状态方程为GRUNEISEN；隔层、引信采用PLASTIC-KINEMATIC模型；后级战斗部、引信壳体采用JOHNSON-COOK模型，状态方程为GRUNEISEN；混凝土尺寸为1 600 mm× 1 600 mm×500 mm，抗压强度为35 Mpa，采用JHC模型。材料的主要参数如表1所示。

表1 材料的主要参数Tab.1 Material parameters of model

整个建模过程采用cm-g-μs单位制，仿真每2 μs输出一次计算结果文件。设定前级聚能装药起爆时刻为0μs，后级战斗部初速度为250 m/s。射流开坑情况及开坑后靶板如图4所示。

图4 前级射流开坑情况Fig.4 Target-piercing of shaped charge iet

由图4可以看出混凝土靶在前级聚能射流作用下形成一个两端漏斗状的孔洞，最小孔径为280 mm左右，略小于后级战斗部口径。开孔后的靶板会对后级战斗部沿开孔侵彻造成一定的冲击过载，但过载值较小，同时由于靶板崩落效应造成的漏斗状孔洞均不利于后级引信传感器识别后级战斗部碰靶信息，不适于作为设置计时起爆起点的环境因素。

前级战斗部在开坑的同时会对后级战斗部造成较大的冲击，一般在引战系统设计中，前级爆轰场环境作为负面因素考虑，通过机械滤波、灌封等手段对冲击应力进行衰减。在后级引信识别战斗部碰靶信息受到限制时，可充分利用前级爆轰场过载信息作为计时起爆的起点，适当延时后起爆。

由于后级引信加速度传感器刚性贴在引信壳体上，选取模型中引信壳体部分为研究对象，LS-DYNA仿真软件得到加速度曲线及前级爆轰情况如图5所示。

图5 前级爆轰及引信壳体加速度曲线Fig.5 Precursorydetonation&time- history curves of overload of following fuze

由仿真结果得出，在170.0μs时刻隔层在前级爆轰场作用下已经完全破碎，爆轰冲击完全作用在后级战斗部。由图5可以看出引信壳体冲击时刻为240.0μs，峰值过载4.0×104g，冲击脉宽142μs。

该过载峰值高，具有较宽的脉宽，适于后级引信识别实时加速度信息。后级引信以此过载信息作为计时起爆的起点，并根据识别到爆轰信息时刻、应力波在后级战斗部传播时间推算导弹前舱碰靶时刻，预设延时时间后起爆即可到达毁伤效果。此外，前级爆轰过载峰值较高，后级引信识别爆轰过载可以设置较高的阈值，提高了弹道安全性。

仿真值与理论计算值相差较大主要是由于后级引信位于战斗部尾部，应力波在此处叠加后造成的。此外，理论计算值是在隔层不失效的理想状态下计算得出，由图5可以看出在前级爆轰波作用下，隔层整体结构在170.0μs时刻已经完全失效、破碎，失去了反射、衰减应力波的作用，此后爆轰冲击直接作用于后级战斗部，使后级引信受到的冲击过载变大。

3.2 试验验证

外场试验严格按照图1所示结构设计试验弹，其中后级引信为测试引信。根据3.1节计算结果，将后级引信识别爆轰过载的阈值设置为1.0×104g。试验后回收后级引信并成功读取到测试数据，结果表明后级引信成功识别到爆轰过载信息并开始计时，按照预设时间延时后发出起爆信号。经分析后级战斗部炸点在靶后约4.5 m处，满足技术设计要求（炸点2～5 m）。

外场试验结果表明前级爆轰过载信息作为后级计时起爆的计时起点设计合理。

4 结论

本文提出了基于前级爆轰过载信息的串联攻坚弹后级引信计时起爆起点。该方法利用前级聚能装药战斗部起爆产生的爆轰场环境，后级引信以爆轰过载信息作为计时起爆的计时起点，在识别此过载信息时可设置较高的阈值，当后级引信识别到过载信息大于设置的阈值后启动计时起爆，并按照预定时间延时，延时时间结束发出起爆信号。仿真计算表明，前级爆轰过载脉宽超过142μs，峰值4.0× 104g，远大于后级战斗部侵彻过载，前级爆轰过载信息可作为后级引信计时起爆的起点，后级引信识别过载信息可以设定较高的阈值，提高弹道安全性；外场试验结果表明前级爆轰过载信息作为后级计时起爆的计时起点设计合理。

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Starting Time of Following Fuze Based on Precursory Detonation Overload

XU Pengzhao，HUANG Huidong，NIE Zheng
（Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi’an 710065，China）

The starting point of timing detonation of following fuze based on overload of precursory detonation was put forward in this paper.The following fuze used the overload by the blast of the precursory charge to set the starting point of timing detonation.When the fuze distinguished that the overload was higher than the preset threshold，it started timing detonation and sent detonation signal after a preset time.Simulation results revealed that the overload peak was 4.0×104 g and the width continued for 142μs，which was beneficial for the fuze to distinguish the impacting target information and set a high preset threshold.

hard structure ammunition；tandem warhead；detonation；fuze；timing detonation

TJ430.2

A

1008-1194（2015）05-0014-04

2015-02-06

徐蓬朝（1984—），男，河北霸州人，硕士，工程师，研究方向：机电引信技术。E-mail：iust4tommylove@ gmail.com