集束定向EFP成型与侵彻性能研究

纪刘奇,罗 健,李建伟,任 良

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

集束定向EFP成型与侵彻性能研究

纪刘奇,罗 健,李建伟,任 良

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

针对高速、厚壁巡航导弹及反舰导弹无法通过传统的破片及MEFP战斗部有效击穿/击爆的工程难题,文中提出一种新型集束定向EFP战斗部结构,选用侵彻能力较强的钽-2.5钨合金药型罩,通过点起爆方式在一定空间内形成飞散的集束EFP,采用非线性动力学软件AUTODYN-3D进行数值模拟,得到不同位置药型罩所形成EFP毁伤元的形状、速度以及飞散规律,并通过试验进行验证。试验中集束定向EFP飞散角与数值模拟结果基本吻合,验证了该战斗部设计的可行性,集束定向EFP战斗部具有良好的应用前景,可为我国防空反导弹药和反轻型装甲弹药高效毁伤战斗部提供指导。

集束定向EFP;钽-2.5钨合金;数值仿真;试验验证

0 引言

空中作战已成为现代战争的主要模式,空中打击也成为被最广泛使用的军事手段,随着巡航导弹、反舰导弹等武器战场突防能力和破坏力的不断增强,制空权在整个战争中的地位越来越高,防空作战成为各国空中安全的重要任务。

集束EFP战斗部通过对药型罩结构和起爆方式的设计,能够在一定空间内形成多个飞散的高速大质量侵彻体,从而有效提高对目标的命中概率和毁伤能力,同时,利用侵彻体对炸距不敏感的特点,提高了对较远距离目标的毁伤威力,克服了一般预制破片难以击穿/击爆远距离目标的缺点。现阶段集束EFP战斗部的研究主要应用在智能雷等方面,如美国的Anti-Helicopter Mine武器系统(简称AHM)采用声/红外双重传感器,在其起爆后,装药驱动形成具有大质量、高速度集束EFP,可以对直升机实施有效的打击[1]。国内集束EFP的研究主要集中在端面MEFP上,如南京理工大学王晓明等在反直升机智能雷和集束火箭平台中对集束EFP战斗部开展了大量工作,如采用多点同时起爆、药型罩预制开槽等方法,提高了集束EFP的成型和飞散性能[2-3]。中北大学尹建平等基于反直升机智能雷武器平台,对端面、侧面集束EFP进行了数值仿真和试验研究[4-6]。

文中提出一种新型集束定向EFP战斗部,通过数值模拟,得到该战斗部各EFP毁伤元成型、速度分布及变化规律,为了验证新型集束EFP战斗部的性能,开展了试验研究,试验结果与数值模拟结果基本吻合,能够在一定空间内按照预定设计形成飞散的高速大质量侵彻体,即集束定向EFP,能有效提高对目标的命中概率和毁伤能力,为我国防空反导弹药和反轻型装甲弹药配备高效毁伤战斗部提供技术支撑。

1 数值模拟

1.1 计算模型的建立

图1为新型集束定向EFP战斗部结构图,通过合理的起爆方式,装药起爆后驱动战斗部靠近目标侧的药型罩压垮变形,形成具有一定速度和飞散角的集束EFP毁伤元。装药口径为100 mm,壳体厚度为5 mm,药型罩为球缺型结构,厚度为3 mm,药型罩规则分布如图1所示。

图1 集束定向EFP战斗部结构

图2为集束定向EFP战斗部计算模型,起爆点位置为药型罩对立侧中心位置,采用单点起爆方式。由于集束定向EFP战斗部模型较大,且具有对称性,因此建立1/4模型对其进行计算,采用自编程序建立网格模型,然后导入非线性动力学分析软件AUTODYN-3D赋予材料进行计算。

图2 集束定向EFP战斗部计算模型

1.2 材料参数的选取

计算模型中装药为JO-8炸药,状态方程为JWL,材料参数列于表1中。药型罩材料为钽-2.5钨合金,材料参数列于表2中。壳体选用2A12硬铝,两种材料均采用Johnson-Cook材料本构方程和Gruneisen状态方程。

表1 JO-8材料参数参数参数值ρ/(g·cm-3)1.83D/(m·s-1)8480Pcj/GPa34.2表2 钽2.5钨合金材料参数参数参数值ρ/(g·cm-3)16.67G/MPa48.6E/GPa122

1.3 数值模拟结果分析

图3为数值模拟结果,由计算结果可知,药型罩受到炸药爆轰压力和爆轰产物的冲击和推动作用,产生压垮变形和翻转,由于头尾存在速度差,集束EFP在飞行过程中仍有所拉长,呈流星状,主体部分成型完整,基本为准球形结构,满足设计要求。

图3 集束定向EFP成型结果

图4为集束定向EFP成型速度随时间的变化曲线,为便于分析,参考图2,将药型罩从左到右,从上到下依次编号为1～6。由各EFP成型速度历程曲线可知,1～4号药型罩在装药起爆后50 μs时刻速度基本稳定,5～6号药型罩在装药起爆后速度先增加后减小,在100 μs时刻之后虽有波动,但基本稳定。此外,各EFP距离起爆点越近,速度越高;而距离起爆点越远,EFP成型速度越低。250 μs时刻5号药型罩形成的EFP速度最大为2 250 m/s,每一排EFP的速度大小和速度变化趋势基本一致。

图4 集束EFP速度随时间的变化曲线

图5和图6分别为集束定向EFP沿战斗部轴向和切向飞散角随时间的变化曲线,由于计算模型为1/4模型,轴向飞散角仅对1、2、4号药型罩形成的EFP进行分析,切向飞散角仅对1、2、4、5、6号药型罩形成的EFP进行分析,分析可知:

1)集束EFP轴向飞散角在装药起爆后持续增大,在200 μs时刻以后基本稳定;2)距离起爆点越远,飞散角越大,4号药型罩形成的EFP轴向飞散角最大为12.84°;3)集束EFP切向飞散角速度在装药起爆后200 μs时刻基本稳定;4)距离起爆点越近,切向飞散角越小,2、4、6号药型罩形成的EFP切向飞散角基本一致,1、5号药型罩形成的EFP切向飞散角基本一致,2号药型罩形成的EFP切向飞散角最大为11.76°。

图5 集束EFP轴向飞散角随时间的变化曲线

图6 集束EFP切向飞散角随时间的变化曲线

2 静爆试验验证

2.1 试验场地布置

图7为试验场地布置图,为了获取集束EFP飞散角及成型形态,基于现有条件进行试验场地布置,采用4块钢靶板竖直并行排列,并用靶架固定作为目标靶板,战斗部正对靶板放置于支撑装置上,其杀伤元中心对准靶板中心,在靶板前1 m处布置纱网靶用于捕捉形成的集束EFP的形态。

2.2 试验结果分析

由于纱网靶距离战斗部较近,战斗部起爆后,冲击波先于集束定向EFP到达纱网,纱网在冲击波的作用下大面积碎裂,未能捕捉集束EFP成型形态。但从后置的钢靶板的开孔状态可得出集束EFP的飞散及侵彻性能,目标钢靶板及其支架上共形成21个穿透的弹孔,直径约为Φ30 mm,1-5弹孔与1-6弹孔水平距离约为20 mm,1-4弹孔与1-6弹孔垂直距离约为18 mm,目标靶板中弹孔多于集束定向EFP数量,认为EFP有部分发生断裂,通过分析可知,应有2发EFP发生断裂。通过计算集束EFP轴向飞散角为12.95°,切向飞散角为11.26°,与数值模拟结果基本吻合。

图7 试验场地布置图

图8 集束定向EFP侵彻钢靶板状态

3 结论

通过数值模拟和试验研究,可以得出如下结论:

1)文中所设计的集束定向EFP战斗部能够在一定空间内按照预定形成飞散的集束EFP,并且成型完整,250 μs时刻所形成集束EFP的速度达到2 250 m/s,钽-2.5钨合金材料EFP具有较强的侵彻能力,尤其是针对反舰导弹,与传统防空破片战斗部相比,集束定向EFP战斗部具有较大优势。

2)通过数值模拟可知,集束EFP按照一定的飞散角飞行,并且速度及飞散角呈现一定规律:

①集束EFP在速度和成型状态基本稳定后,各EFP越靠近起爆点,速度越高,而离起爆点越远,速度越低,并且每一排的速度大小和速度变化基本一致;

②集束EFP轴向和切向飞散角在装药起爆后持续增大,在200 μs时刻以后基本稳定,距离起爆点越远,飞散角越大。

3)试验中2发EFP发生断裂,分析原因为EFP速度梯度较大,拉伸过长导致断裂,而试验中飞散角结果与数值模拟结果基本吻合。根据不同的打击目标及实际工程需求, 可合理选择起爆方式, 控制集束EFP成型后的飞散方向及角度,从而提高对巡航导弹及反舰导弹目标的命中概率和毁伤能力。

文中提出的新型集束定向EFP战斗部结构具有良好的应用前景,可为我国防空反导弹药和反轻型装甲弹药配备高效毁伤战斗部提供指导。

[1] BERNER C, FLECK V. Pleat and asymmetry effects on the aerodynamics of explosively formed penetrators [C]∥18th International Symposium on Ballistics. San Antonio, TX Institute for Advanced Technology, The University of Texas at Austin Southwest Research Institute, 1999: 11-19.

[2] 王晓鸣, 李文彬, 赵国志. 智能雷多自锻破片战斗部试验研究 [J]. 弹道学报, 2002, 14(3): 81-84.

[3] 周翔, 龙源, 余道强, 等. 多弹头爆炸成形弹丸数值仿真及发散角影响因素 [J]. 兵工学报, 2006, 27(1): 23-26.

[4] 尹建平, 常变红, 王志军. 多爆炸成型弹丸设计参数对智能雷毁伤概率的影响 [J]. 弹道学报, 2007, 19(2): 58-61.

[5] 范斌, 王志军, 王辉. 多爆炸成形弹丸成型过程的数值模拟 [J]. 弹箭与制导学报, 2010, 30(1): 124-126.

[6] 尹建平. 多爆炸成型弹丸战斗部技术 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2012.

Study on Forming and Penetration Performance of Cluster Directional EFP

JI Liuqi,LUO Jian,LI Jianwei,REN Liang

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

Aiming at the engineering problem that high speed, thick wall cruise missiles and anti-ship missiles could not pass the traditional fragments and destroying cruise and the effective breakdown and blow of MEFP warhead, a new cluster directional EFP warhead structure was proposed in this paper. With tantalum-2.5 tungsten alloy liner which had outstanding penetration ability, through point initiation method, the flying EFP cluster was formed in a certain space, nonlinear dynamic analysis software AUTODYN-3D was used to simulate, and the shape, velocity and scattering law of EFP damage element at different positions were obtained and it was verified by experiment. The scattering angle of cluster directional EFP was consistent with the numerical simulation results in experiment, which validated the feasibility of the warhead design. Cluster directional EFP warhead had good application prospect, which could provide guidance for air defense anti missile ammunition and anti light armor ammunition high efficiency damage warhead.

cluster directional EFP；tantalum-2.5 tungsten alloy；numerical simulation；experimental validation

2016-12-15

纪刘奇(1983-),男,河南商丘人,工程师,硕士,研究方向:战斗部技术。

TJ410.3

A