线列式战斗部对目标结构毁伤效应研究

【装备理论与装备技术】

线列式战斗部对目标结构毁伤效应研究

王宝成1，程淑杰2，梁争峰2，阮喜军2

(1.海军装备部驻西安导弹发动机专业军事代表室， 西安710054； 2.西安近代化学研究所， 西安710065)

摘要：通过理论分析和数值模拟的方法，对线列式破片战斗部对导弹目标的结构毁伤效应进行研究，并和聚焦战斗部进行了对比分析；结果表明：导弹目标的危险断面的最大应力和剩余强度与破片穿孔和破片穿孔分布有关。线列式破片战斗部作用后导弹模拟舱体比聚焦战斗部作用后的模拟舱体危险断面的最大应力值提高了约19%，剩余强度系数相比减小了约15%，线列式破片战斗部对目标的结构毁伤效果优于聚焦战斗部。

关键词：线列式战斗部；结构毁伤；导弹易损性；应力集中；剩余强度

收稿日期：2015-03-24

作者简介：王宝成(1962—)，男，硕士，高级工程师，主要从事舰炮及导弹技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.004

中图分类号：TJ760

文章编号：1006-0707(2015)06-0015-04

收稿日期：2014-12-22

基金项目：装甲兵工程学院创新基金(2012CJ047)

收稿日期：2014-12-14

项目基金

本文引用格式：王宝成，程淑杰，梁争峰，等.线列式战斗部对目标结构毁伤效应研究[J].四川兵工学报，2015(6):15-17.

Citation format:WANG Bao-cheng, CHENG Shu-jie, LIANG Zheng-feng, et al.Study on Structure Damage Effect of Target for Linear Distribution Fragmentation Warhead[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):15-17.

Study on Structure Damage Effect of Target for Linear

Distribution Fragmentation Warhead

WANG Bao-cheng1, CHENG Shu-jie2, LIANG Zheng-feng2, RUAN Xi-jun2

(1.Military Agency in Naval Xi’an Missile Engine Department, Xi’an 710054, China;

2. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

Abstract:The structure damage effect of missile for linear distribution fragmentation warhead was studied by theoretic and simulation method, and compared it with fragment focusing warhead. The results show that the maximum stress and residual strength coefficient of target are related to fragment perforation and its distribution. The maximum stress of the missile attacked by linear distribution fragmentation warhead is 19% higher, and the residual strength coefficient is 15% lower than the missile attacked by fragment focusing warhead. The damage effect linear distribution fragmentation warhead is superior to the fragment focusing warhead.

Key words: linear distribution fragmentation warhead; structure damage; missile vulnerability; stress concentration; residual strength

空中目标的速度一般都比较快，机动性较强、导弹与目标直接撞击的可能性很小，所以，杀伤型战斗部是防空导弹通常采用的战斗部形式。

半个世纪以来，根据目标特性的变化，防空导弹战斗部已经从单一防空向反导兼顾防空转变。杀伤战斗部对导弹目标的毁伤形式主要为功能毁伤和结构毁伤，前者立足于对目标要害部位功能的破坏，如引燃或引爆战斗部等的引燃或引爆等；后者立足于对目标各种构成部件的毁伤，使部分结构从目标主体上分离，造成目标结构失效。

由于目前巡航导弹大都采用低易损性装药，李晋庆[1]等通过战斗部所产生的几种不同形状的破片对不同模拟战斗部的作用，研究了模拟战斗部在不同的打击动能和冲击波超压条件下的毁伤情况，发现仅靠冲击波超压几乎不能毁伤如巡航导弹这样的战斗部，常规战斗部也很难引爆巡航导弹战斗部。宋浦[2]等利用某型杆式战斗部对带防护的柱壳装药模拟靶进行了易损性毁伤实验研究，针对离散杆式破片毁伤和冲击波超压毁伤的实验结果进行了毁伤效应分析，发现离散杆式破片和冲击波超压引爆带防护的柱壳装药较难。

而导弹目标受结构毁伤后，弹体碎片在高速飞行中必然会偏离原来轨道。意大利OTOBreda公司进行的研究表明，当导弹距目标需飞行2～4.5 s时，由于作战引起导弹内部的各种电子故障将导致任务失败的可能性是99%。因此，从结构毁伤考虑，用密集的杀伤破片群使其解体的毁伤机制是今后破片杀伤战斗部的发展趋势。

本文通过理论分析的方法对破片穿孔的应力集中效应对导弹剩余强度的影响进行了研究，并通过数值模拟的方法，得到线列式战斗部作用后导弹模拟舱体危险断面应力和剩余强度系数，并和聚焦战斗部进行了对比分析。

1剩余强度

1.1应力集中

导弹被破片命中后的影响主要体现为截面面积的减小和穿孔周围的应力集中。由于破片穿孔对目标的截面面积影响有限，导弹目标剩余强度主要受破片穿孔应力集中的影响，显然应力集中效应越显著，导弹的剩余强度越小。

对目标引起的毁伤，由作用在目标上的破片穿孔共同造成，因此，目标的剩余强度必须与穿孔个数、分布相联系。导弹壳体被破片穿透后可类比带孔平板，对带孔平板力学性能的研究可为反导导弹战斗部的设计提供参考。研究表明[3]，在纯弯时，穿孔越多应力集中越显著，而且相对孔矩(相邻孔圆心间距与为圆孔直径比值)越小，环向应力越大。因此，为加强导弹目标命中破片后的应力集中现象，应尽可能减小破片穿孔间隙，增大命中个数，即增大命中密度。

1.2剩余强度系数

检验导弹结构强度的方法，一般采用静力实验，即模拟导弹实际受载情况，用静力法逐渐加载，直至结构破坏。使导弹结构刚好破坏时所加的载荷称为“破坏载荷”，在实际使用中，当作用在导弹上危险断面的最大应力σm越接近材料的屈服极限σb，导弹结构越容易被破坏，通常用强度剩余系数表示。

导弹强度剩余系数为导弹材料的强度极限σb与战斗部在载荷作用下危险断面的最大应力σm的比值[3]，用η表示，即

(1)

强度剩余系数越小，目标在空气动力学因素或爆炸冲击波条件下的越容易解体。

2线列式破片战斗部

线列式破片战斗部[4-5]克服了聚焦战斗部对目标“带切割”的缺点，能够对目标形成线列式穿孔，从而对高速飞行的导弹等目标实施“线切割式”高效结构毁伤。线列式破片战斗部在极大程度上减小了破片穿孔间隙，增大了破片命中密度，受线列式破片战斗部作用后目标应力集中效应更为显著，剩余强度更低。

线列式破片战斗部破片穿孔照片如图1所示，对导弹模拟靶的毁伤效果如图2所示。

图1　线列式破片战斗部破片穿孔照片

图2　线列式破片战斗部对导弹模拟靶的毁伤效果

3数值模拟研究

3.1有限元模型

利用ANSYS软件对受线列式破片战斗部作用后导弹舱体剩余强度进行分析。模拟导弹舱体外形为Φ400 mm×800 mm，壁厚6 mm，舱体材料为45#钢。通过建模在模拟舱体上打孔，用于模拟线列式破片战斗部对导弹舱体的作用，如图3所示。同时建立受聚焦战斗部作用后导弹舱体模型，如图4所示。两模型破片穿孔大小相等，数量相同。

在模拟舱体一端施加弯矩，用于模拟导弹舱体分别受聚焦战斗部和线列式战斗部作用后，在爆炸冲击波或空气动力学作用，并对其穿孔周围最大剩余强度进行分析。

3.2数值模拟结果

受线列式战斗部作用后导弹模拟舱体数值模拟结果如图5所示，在弯矩作用下危险断面的最大应力为σm=567 MPa，45#钢的强度极限σb=598 MPa，强度剩余系数为1.05。

图3　线列式战斗部作用后模拟舱体模型

图4　聚焦战斗部作用后模拟舱体模型

图5　受线列式破片战斗部作用后剩余强度

受聚焦战斗部作用后导弹模拟舱体数值模拟结果如图6所示，数值模拟结果表明，在弯矩作用下危险断面的最大应力为σm=487 MPa，45#钢的强度极限σb=598 MPa，强度剩余系数为1.23。

图6　受聚焦破片战斗部作用后剩余强度

3.3讨论

数值模拟结果表明，模拟舱体的危险断面的最大应力和剩余强度与穿孔其分布有关。与聚焦战斗部作用后的模拟舱体相比，线列式破片战斗部作用后导弹模拟舱体危险断面的最大应力值提高了约19%，剩余强度系数相比减小了约15%，线列式破片战斗部对目标的结构毁伤效果优于聚焦战斗部。这是由于线列式破片战斗部通过合理的战斗部设计，实现了破片穿孔在目标上线性分布，提高了破片命中密度，减小了破片穿孔间隙。与理论分析一致。

4结论

导弹目标的危险断面的最大应力和剩余强度与破片穿孔和破片穿孔分布有关[5-10]。线列式破片战斗部作用后导弹模拟舱体比聚焦战斗部作用后的模拟舱体危险断面的最大应力值提高了约19%，剩余强度系数相比减小了约15%，线列式破片战斗部对目标的结构毁伤效果优于聚焦战斗部。

参考文献：

[1]李晋庆，胡焕性．不同破片对模拟战斗部的毁伤实验研究[J]．火炸药学报，2004，27(1)：26-29.

[2]宋浦，余建斌，梁安定，等．杆式战斗部对柱壳装药的毁伤实验研究[J]．含能材料，2004，12(4)：249-251.

[3]曲焱喆，盖秉政，吴佳．多孔弹性平板弯曲或扭转的应力集中[J]．南京理工大学学报，2006，30(6)：701-704.

[4]熊晓莉,黄诚,耿嘎,等.乙醇对硝酸锰热分解的影响[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2014，31(2)：70-73.

[5]梁争峰，袁宝慧，程淑杰，等．动态线列式破片战斗部技术探索[J]．火炸药学报，2011，34(3)：42-44.

[6]National Research Council.Vulnerability assessment of aircraft:a review of the department of defense live fire test and evaluation program[R].PB93-14-99946/GAR,1993.

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[10]王凤英，刘天生.毁伤理论与技术[M].北京理工大学出版社，2009.

(责任编辑周江川)