EFP 战斗部破片场复合技术研究

EFP战斗部破片场复合技术研究

龚柏林,王可慧,初哲,吴海军,耿宝刚,吴崇欣

(西北核技术研究所,西安 710024)

摘要:为提高破片模式的毁伤效能,提出了一种将预制破片群与药型罩破片群相结合的复合破片场成型技术,给出了复合破片战斗部的弹体结构,对破片场的成型过程进行了数值仿真,并进行了实验验证。研究结果表明:采用该技术的战斗部,可形成中心区域为药型罩破片群、外环为预制破片群的复合破片场,且形成的破片场密度均匀,径向散布角达22.5°;该复合破片场成型技术可应用于巡飞弹战斗部。

关键词:爆炸力学;预制破片群;药型罩破片群;聚能装药

收稿日期:2014-03-05

基金项目:国家自然科学基金青年

作者简介:龚柏林(1982- ),男,博士,助理研究员,研究方向为常规战斗部技术。E-mail:gongbolin@nint.ac.cn。

中图分类号:O383文献标识码:A

ResearchonFormingTechnologyofCompositeFragmentsFieldofEFP

GONGBai-lin,WANGKe-hui,CHUZhe,WUHai-jun,GENGBao-gang,WUChong-xin

(NorthwesternInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)

Abstract:In order to enhance the damage ability and effect of fragments mode,a forming technology of composite fragments field was proposed,and the preformed fragments were combined with the liner fragments.The projectile structure of composite fragments warhead was presented.The progress of forming the composite fragments field was simulated,and the forming effects were validated by experiments.The results show that a composite fragments field can be formed by the technology.Liner fragments are in the central region of the field,and the preformed fragments are distributed in the outside ring region.Fragments are distributed equally in the field,and the radial dispersion angle of fragments reaches to 22.5°.The forming technology of composite fragments field can be used in warhead of loitering missile.

Keywords:explosionmechanics;preformedfragments;linerfragments;shapedcharge

巡飞弹是打击地面装甲目标的利器。但随着地面战场目标概念的变化,新目标不断产生,机动防空系统、机动雷达站和机动指挥系统已成为重点打击的高附加值地面目标。因此,现代战争对弹药的对地毁伤能力提出了严峻的挑战,要求弹药既能有效打击重装甲目标,又能对付轻防护的面目标。地面装甲目标是爆炸成型弹丸(EFP)首选的打击要素。对于机动雷达等面目标,往往以预制破片群或药型罩破片群进行覆盖式打击[1,2]。参考国内外对雷达毁伤等级的评判标准,要实施对其Ⅰ级致命毁伤,要求击毁其50%以上的天线阵馈元。这对破片的密度和侵彻能力均提出了更高的要求。若完全依靠预制破片群进行打击,就无法与EFP集成,不能满足打击装甲目标的需求。而药型罩破片群在破片的数量和密度上往往受限[4-8],难以对目标实施致命毁伤。

为了克服上述问题,提出了一种将预制破片群与药型罩破片群相结合的复合破片场成型技术,并对破片场的成型过程进行了数值仿真,最后通过实验进行了验证。

1弹体结构

弹体结构主要包括主装药、外壳体、药型罩、预制破片、预制破片层盖板、内壳体、端盖和切割装置等,其结构示意图如图1所示。弹体的整体长径比为0.67。采用船尾形装药,主装药选用某含铝炸药;药型罩为3mm厚球缺形紫铜罩,口部直径76mm;壳体、端盖及切割装置均由45#钢材料制成,其中壳体、预制破片盖板和切割装置厚3 mm,端盖的高度为15mm;预制破片为φ6mm的93钨合金珠。

图1　战斗部弹体结构示意图

当对主装药上端面中心实施单点起爆时,药型罩首先被压垮,当接近呈平板状时与网状切割装置发生作用。药型罩被破坏、分割,并继续沿轴向飞散,形成药型罩破片群。 而药型罩周围的预制破片在主装药的爆轰驱动作用下直接沿轴向飞散,形成预制破片群。2类破片群互相补充,相互结合,最终形成一个覆盖目标一定区域的复合破片场。该破片场既包含具有较多破片数的预制破片群,又包含具有较强侵彻能力的药型罩破片群。另外,针对重装甲目标,只有形成单个EFP才能对其进行有效打击。此时,可以首先破坏切割装置,为EFP的成型留出通道,一定延时后再起爆主装药,进而实现EFP模式。

2复合破片场成型过程的数值仿真

对复合破片场的成型过程进行了数值仿真。仿真工具选用大型有限元计算软件LS-DYNA3D,采用ALE算法。计算中,主装药、药型罩和空气被剖分为欧拉网格,外壳体、预制破片、预制破片盖板、内壳体、端盖和切割装置被剖分为拉格朗日网格,并置入欧拉网格中。各结构之间采用自动面-面接触,预制破片间采用单面接触。主装药采用高能燃烧材料模型和JWL状态方程来描述,药型罩采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程描述,壳体、端盖及切割装置均采用流体弹塑性材料模型和Gruneisen状态方程描述,预制破片采用弹塑性材料模型描述。计算中采取的材料模型及参数分别如表1～表4所示。表中,ρ为材料密度;D为爆速;pC-J为C-J压力;e0为初始比内能;A,B,R1,R2,ω均为材料常数;V0为初始相对体积;G为剪切模量;A′,B′,N,C,M为常数;Tm为熔化温度;σs为失效应力;c为声速;S1,S2,S3,γ0为常数;EY为杨氏模量;μ为泊松比;Etan为切线模量。

表1　主装药的材料参数

表2　药型罩的材料参数

表3　壳体、端盖及切割装置的材料参数

表4　预制破片的材料参数

图2　复合破片场成型过程数值仿真结果

起爆点位于装药上端面中心。复合破片场的成型过程数值仿真结果如图2所示。数值仿真结果表明,弹体能够实现2类破片场的复合成型。药型罩破片群和预制破片群能先、后实施对目标中心区和外环区的覆盖。

基于数值仿真结果,统计了预制破片的径向散布角θ和轴向(目标方向)速度vz的分布情况,分别如图3、图4所示,图中,n为预制破片数。由图可见,受爆轰波形及有效装药量影响,越靠近轴心的预制破片其飞散速度越高。

图3　预制破片径向散布角分布数值仿真结果

图4　预制破片轴向速度分布数值仿真结果

计算中药型罩被剖分为欧拉单元,因此无法给出药型罩破片群的数量和质量的分布统计。但从仿真结果可以看出,药型罩被切割装置破坏后,能形成多个小的药型罩破片,并较好地填补了预制破片群在中心区域的空白。由于存在速度梯度并受切割装置影响,该破片群由前、后两部分药型罩破片组成。前部分主要来自球缺形药型罩的中间部位,速度较高(约1 600～1 890m/s);后部分主要来自药型罩的外围部位,速度略低(约1 100～1 600m/s)。图5为药型罩破片群在140μs时刻的轴向速度vz分布图(单位:cm/μs)。

图5　药型罩破片群轴向速度分布数值仿真结果

3复合破片场成型靶效实验

为进一步验证该成型技术方案的可行性,在数值仿真的基础上,开展了战斗部静爆打靶实验。实验弹体结构参数如前所述,弹体实物如图6所示。其中,端盖的圆盘部分主要用于弹体的悬吊。起爆方式为主装药上端面中心单点起爆。

实验时炸高设为1m。参考数值仿真结果中破片场的径向散布范围,采用尺寸为1 000mm×1 000mm×10mm的45#钢板作为效应靶板。靶板平置于地面,通过靶架将弹体悬吊于靶板上方,弹体垂直向下,弹体中心与靶板中心对正。实验现场弹靶布局如图7所示。

图6　实验弹体实物

图7　实验现场弹靶布局

实验回收的靶板如图8所示。在复合破片场的作用下,靶板严重毁伤。整个破片落点场呈规则圆形分布,密度均匀,无明显的覆盖盲区。靶板中心区的破片落点基本均为贯穿,且越靠近瞄准中心,靶板落点的侵深越深。根据靶板上穿孔或弹坑的形状,以及落点边缘有无残留紫铜痕迹,可以判断对应的破片为预制破片或药型罩破片。观察发现,药型罩破片主要分布在破片场中心区域,而预制破片分布于外围。这些现象均与数值仿真结果比较一致。

图8　实验回收的靶板

落区中心为药型罩破片落点,落点穿孔或弹坑形状不规则。贯穿靶板的有效药型罩破片有34枚,其中最小穿孔直径3mm,最大穿孔直径50mm。药型罩破片群中有效破片落点区直径为205mm,径向散布角约为11.7°。

落区外围为预制破片落点,落点穿孔或弹坑形状呈规则圆形。有效预制破片落点区直径为430mm,径向散布角约22.5°。而数值仿真结果统计中破片最大径向散布角为32°,散布角在0～22.5°之间的破片数占87%。出现这个偏差的原因是,数值仿真中统计了所有破片单元节点的数据,而实验中仅统计了有效破片数,即侵深在6mm以上的破片数量,外围一些侵深较浅的破片数未统计在内。预制破片群中有20枚贯穿10mm靶板,主要分布在直径为205～260mm的圆环区域,其余未贯穿。约92枚预制破片落点侵深8～10mm,主要分布在直径为260～375mm的圆环区域。约41枚预制破片落点侵深6～8mm,主要分布在直径为375～430mm的圆环区域。

4结论

提出了药型罩破片群与预制破片群相结合的复合破片场成型技术, 并得到了数值仿真和靶效实验

的初步验证。形成的破片场中心区域为药型罩破片群,外环区域为预制破片群。破片场中的破片密度均匀,散布角达22.5°。该复合破片场成型技术可应用于巡飞弹战斗部。

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