超高速聚能碎片成型的影响因素分析

骆建华，檀艳朝，唐生勇，郭锐，刘荣忠



超高速聚能碎片成型的影响因素分析

骆建华1，檀艳朝2，唐生勇3，郭锐1，刘荣忠1

（1. 南京理工大学 机械学院，南京 210094；2. 河南红阳机械厂，南阳 473003； 3. 上海航天技术研究院，上海 201109）

为了研究超高速聚能驱动装置结构参数对超高速碎片成型的影响，以装置截断体以及药型罩的6个主要尺寸为优化对象，以成型超高速碎片的质量与速度为指标，应用正交设计法设计仿真方案。运用非线性显式动力学软件AUTODYN-2D对超高速碎片的形成进行数值仿真，并对仿真结果进行参数分析。结果表明：对碎片成型速度影响较大的依次为药型罩锥角、截断体小孔厚度、药型罩厚度；对碎片质量影响较大的依次为药型罩锥角、药型罩厚度、截断体小孔厚度。最终根据最优化设计方案得到了速度为11.2km/s、质量为1.452g的超高速碎片。

超高速碎片；成型；数值模拟；正交设计

0 引言

随着人类的空间活动逐渐频繁，日益增多的空间碎片对轨道上的航天器安全构成了严重威胁[1]。这些碎片平均速度达到10km/s，具有极强的毁伤能力。在空间碎片防护中，目前对于微小的碎片还未有较为可行的预警防护措施，主要依靠航天器自身结构设计被动抵御。因此，在地面模拟超高速碎片侵彻航天器防护结构的实验具有重要意义。现有的超高速碎片驱动技术中，最常用的有二级轻气炮[2-3]、电炮（含电磁炮）加载技术[4-5]等，产生的碎片速度一般在7km/s左右；电磁炮加速装置虽能产生15km/s的超高速粒子，但是存在着大电流和电流通过轨道时的耗能问题，几乎不可能将密实颗粒加速到10km/s以上。聚能碎片驱动装置结构简单、成本低，可以将碎片加速到10km/s以上。因此通过聚能效应驱动碎片被认为是最具有应用潜力和前途的发射技术。赵峰[6]通过试验和理论分析证实了炸药强爆轰驱动高速金属飞片是可行的。Walker[7]实现了将重0.5～1g的铝碎片加速到(11.2±0.2)km/s。

本文为研究驱动装置结构参数对超高速碎片成型的影响，利用AUTODYN二维仿真模拟碎片产生过程，并设计正交试验方案进行仿真。

1 工作原理及问题描述

1.1 爆轰模型

如图1所示的超高速碎片驱动技术方案[8]，通过聚能效应产生超高速射流，在射流头部通过截断体后，截断体在爆轰压力的作用下向内压合，将形成的射流头部截断，初步得到速度在10km/s以上、质量约为1g的超高速碎片。同时为了得到尾随物质较少的碎片，在驱动装置前方设置二次截断装置（挡板），在碎片通过挡板时，炸药起爆驱动挡板向轴向压合，从而挡住跟随在碎片后方的物质。上述2次起爆之间有一个时间间隔，由导爆索控制。以药型罩与截断体的结构尺寸为研究对象，设定药型罩的锥角为、厚度为，截断体厚度为、小孔孔径为0、大孔与小孔直径之差为1、小孔厚度为。对这6个结构参数进行优化设计，研究它们对碎片成型的影响。装置的其他基本几何参数为：装置整体直径84mm，装药直径56mm，装药长径比3.3，壳体底部厚度42mm，药型罩弧顶圆半径5mm，弧锥交界处距中心线3mm，参见图1。

图1 超高速碎片驱动装置

驱动装置6个结构参数的变化范围分别是，：28°～36°；：1.8～2.2mm；：24～32mm；：3～7mm；0：6.6～7.4mm；1：1～5mm。采用正交设计表L25(56)安排仿真方案，共需对25组模型进行仿真计算，仿真因素水平如表1所示。

表1 仿真计算因素水平表

1.2 数值模拟

使用非线性显式动力学软件 AUTODYN 对正交设计表内的各方案进行仿真。由于研究的装药结构为轴对称结构，可以对模型进行一定的假设，将三维空间问题转化为二维平面问题，即可采用AUTODYN-2D进行数值仿真。因聚能射流形成是大变形、高压、高应变率的问题，所以采用Euler求解器求解。假设：

1）装药结构为严格轴对称结构；

2）炸药、药型罩、壳体与截断体均为连续介质材料；

3）整个爆炸过程为绝热过程。

装置中装药为奥克托金（HMX）炸药，在仿真过程中采用JWL状态方程描述，

式中：为爆轰产物压力；为爆轰波传播速度；0为炸药具有的比内能；、、1、2和均为材料参数。式中参数的具体取值和物态参数值如表2所示，其中为炸药密度。

表2 奥克托金（HMX）炸药材料模型的主要参数

截断体材料为TU2紫铜，壳体与挡板材料选用45#钢，药型罩为铝材料。这3种金属材料状态方程均选用Shock状态模型，本构方程为Johnson- Cook，材料的冲击波速度和物质点运动速度可以根据线性关系式近似拟合，

=1+1； (2)

表3 金属材料参数

2 仿真结果分析与优化

2.1 仿真结果

影响碎片成型效果的主要为碎片的质量及速度，根据仿真结果得到每个方案的碎片速度与质量（见表4）。

表4 超高速碎片质量与速度

表4（续）

为了分析装置各结构参数对碎片质量与速度的影响，得到全部6个参数的极差分析对比图（见图2）。由图可见：随着药型罩锥角和厚度的增加，得到的碎片质量减小，速度降低；小孔厚度与碎片成型关系不大；小孔孔径与碎片成型质量成正比关系，与碎片速度关系不大；碎片质量与速度随孔径差变化规律不明显；随着截断体厚度增加，碎片的质量先减小后增加，而碎片速度先增加后减小。

图2 各结构参数极差分析对比

基于碎片质量与速度，分别对以上几种影响因素进行极差分析，结果见表5和表6。

表5 碎片质量影响因素的极差分析结果

表6 碎片速度影响因素的极差分析结果

由表5可知，影响碎片质量的因素从大到小依次为药型罩锥角、小孔厚度、药型罩厚度、孔径差、小孔孔径、截断体厚度。由表6可知，影响碎片质量的主要因素从大到小主要有药型罩锥角、药型罩厚度、截断体厚度等。

2.2 优化方案

通过分析结果得到超高速碎片驱动装置最优方案参数如表7所示。

表7 驱动装置最优方案参数组合表

对方案进行仿真计算，结果见图3。可以看到：在12μs时爆轰波到达药型罩顶部，开始对药型罩作用，药型罩在爆轰压力的驱动下形成射流；在18μs时射流头部到达截断体，截断体对射流头部进行截断；在25μs时射流头部通过截断体，初步形成所需的超高速碎片；27μs时，爆轰波对超高速碎片的作用已经很小（为了仿真方便，删除装药部分网格）；在40μs时，射流头部到达二次截断装置，挡板驱动炸药起爆；50μs时，二次截断装置拦截了碎片后方的跟随物质，得到了干净的超高速碎片。

图4是最终获取的超高速聚能碎片结构尺寸，可以看出，得到的碎片为较规则的圆锥型碎片，长度为35mm，最大直径为9.5mm，成型速度为11.2km/s，碎片质量为1.452g。

图4 最终成型的碎片

3 结束语

根据以上仿真分析结果可以知道，对碎片成型影响最大的是药型罩的锥角，其次是药型罩厚度。利用炸药驱动挡板可以很好地挡住碎片后的跟随物质，得到较为干净的碎片。较难控制的是驱动炸药的起爆时间：必须在超高速碎片通过挡板装置后，才能起爆炸药驱动挡板对碎片后方的跟随物质进行拦截，而不会对碎片的飞行速度造成影响。

根据优化方案得到速度在10km/s以上、质量约1g的超高速碎片，达到了模拟超高速碎片对飞行器防护结构进行侵彻试验的条件，且碎片后跟随物质被挡板很好地拦截，得到的碎片较为干净。

[1] 徐全军, 白帆, 伍睿星. 占据式聚能装药射流形成的数值模拟及试验研究[J]. 爆破器材, 2011, 40(3): 11-13

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[5] 马伟明, 鲁军勇. 电磁发射技术[J]. 国防科技大学学报, 2016, 38(6): 1-5

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LI Z L, XU Q J, JIANG N, et al. Design and research of laboratory hypervelocity debris launcher based on speed charge[J]. Explosive Materials, 2012, 41(5): 5-8

（编辑：张艳艳）

The factors influencing the speed and the mass of convergent hypervelocity debris

LUO Jianhua1, TAN Yanchao2, TANG Shengyong3, GUO Rui1, LIU Rongzhong1

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. Hongyang Machinery Factory of He’nan, Nanyang 473003, China; 3. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

In order to study the impact of ultra-high-speed convergent drive parameters on the shapes of hypervelocity debris, we take the six main dimensions of the truncated body and the trichrome as the optimization objects, and the mass quality and the speed of the hypervelocity debris as the indicators, to construct a simulation scheme using the he orthogonal design method. The nonlinear explicit dynamics software AUTODYN is applied to simulate the formation of hypervelocity debris, with the simulation results optimized with parameter analyses. It is shown that the major influential factors on the forming speed of the chips are, in descending order, the cone angle of the trichrome, the thickness of the truncated hole, and the thickness of the trochanter; while those on the mass of the chip are the trochanter angle, the thickness of the trochanter, and the truncated hole thickness. In the end, a hypervelocity debris sample with a speed of 11.2 km/s and a mass of 1.452 g is obtained according to the optimal design.

hypervelocity debris; shaping; numerical simulation; orthogonal design

TP69; V211.73

A

1673-1379(2018)02-0148-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2018.02.008

骆建华（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为侵彻与毁伤；E-mail: 15205192650@163.com。指导教师：郭锐（1980—），男，博士学位，副教授，主要研究方向为兵器科学与技术；E-mail: guoruid@163.com。

2017-11-08；

2018-03-24