中心管三点同步起爆方式对杀伤战斗部毁伤威力的影响

付 伟，栗保华，曹玉武



中心管三点同步起爆方式对杀伤战斗部毁伤威力的影响

付 伟，栗保华，曹玉武

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

对杀伤战斗部在中心管三点同步起爆方式下的毁伤威力进行数值仿真研究及验证试验。结果表明：相同装药结构战斗部条件下，相对于两端点同步起爆方式，采用中心管三点同步起爆方式的破片初速峰值降低10.1%，破片初速最小值提高8.1%，爆轰能量沿轴向得到匀化分布；且破片的飞散角提高32.0%，打击范围增大。静爆试验结果验证了其对毁伤威力的影响。

三点同步起爆；破片；战斗部；数值仿真

杀伤战斗部毁伤威力不仅与炸药类型、破片结构等有关，同时与起爆方式有相当重要的关系。对于一定的装药结构，采取适当的起爆方式，可改变破片所受到驱动力的作用方式，使其打击动能和范围等发生明显变化[1]。根据起爆网络与战斗部的相对位置，起爆方式主要有端面起爆[2-4]、中心起爆[5-6]、偏心起爆[7-8]等。当战斗部要实现垂直战斗部轴线方向的特定毁伤时，常采用中心管起爆方式。国外Robert R. Durrell[6]等人提出了一种两端同步起爆网络装置，可实现当战斗部飞临目标正下或者侧面时，通过中心管两端点同步起爆（以下简称两端点起爆），将大部分毁伤元定向到目标的方向。这种将大量毁伤元集中在一个狭窄区域的起爆方式，给引信适时起爆带来了难度。刘鹏[9]对战斗部两端起爆的仿真计算表明该起爆方式下破片速度沿轴线方向呈抛物线形。这是由于战斗部总能量一定，中心两点起爆方式使爆轰能量在中心界面汇聚加强，并提高了该处附近破片初速；距离中心界面越远，毁伤能量下降越明显。

根据上述分析，中心管两点起爆可造成大量毁伤能量集中于战斗部中心界面附近的狭窄区域形成过毁伤，而两端毁伤能量相对较低的情况。因此，本文提出了中心管三点同步起爆方式（以下简称中心管三点起爆），并通过数值仿真和试验研究，验证了中心管三点起爆方式匀化战斗部侧向毁伤能量的作用。

1 中心管三点起爆战斗部仿真计算

杀伤战斗部破片初速及压力分布随起爆方式不同有较大差别。本文针对相同结构战斗部在中心管三点和两端点起爆方式下的毁伤性能进行计算对比，包括压力分布、破片初速和飞散方向。

1.1 计算方法

战斗部破片初速的数值仿真采用ANSYS/ LS-DYNA进行。计算方法采用三维多物质流固耦合MMALE算法。

1.2 计算模型及网格

计算模型如图1所示，尺寸φ300mm×390mm，由壳体、前、后盖、破片、主装药、起爆点、空气7部分组成。

图1 仿真计算模型

壳体、前盖和后盖采用45#钢；预制破片为边长8mm的立方破片，材料为45#钢；主装药为B炸药。中心管三点起爆模型起爆点位于战斗部两端面和中心界面，两端点起爆模型起爆点位于战斗部两端面。由于模型为轴对称结构，取模型的1/4进行三维建模，并在对称面和其他边界设置相应的约束条件。在破片初速数值仿真中，炸药采用JWL状态方程，空气采用线性多项式状态方程，金属材料采用Johnson-Cook模型[10]。对两种工况起爆后的冲击波超压和破片飞散情况进行计算。对图1中A、B、C、D、E处（等间距）共5个位置的破片进行初速分析。

1.3 计算结果及分析

1.3.1 压力和破片的分布

如图2~4所示为两种起爆方式下压力和破片随时间的变化，所形成的压力分布和破片飞散形态有各自的特点。

图2 10μs的等压线图

图3 15μs的等压线图

图4 100μs的等压线图

如图2所示，起爆后10μs，中心管三点起爆方式下爆轰波相对两端点起爆较早相遇，相遇位置为相邻两起爆点间的中界面。由于3个起爆点，所以形成2个较高的压力峰；两端点起爆方式下的爆轰波此时在装药中传递未相遇，为2个球面波。由于爆轰波仍在主装药中传递，两种工况下壳体均未破裂，破片未飞散。如图3所示，起爆后15μs，中心管三点起爆方式下形成的2个压力峰沿着垂直轴线的方向向前推移，与破片相遇。两端点起爆方式下，两端形成的球面波此时相遇在中界面，形成1个较高的压力峰，此时破片未飞散。如图4所示，起爆后100μs，中心管三点起爆下爆轰波有2个压力峰，位于沿战斗部轴线前、后1/3段处，中心界面处超压略低于2个压力峰。破片呈中间扁平的抛物线形分布；两端点起爆方式下，冲击波超压仍然为1个压力峰，位于战斗部中心界面处，破片呈中间较尖的抛物线形分布。

1.3.2 破片初速计算

选取计算模型中从头到尾等间距5个点（A、B、C、D、E）处的破片计算初速，两种起爆方式下的破片速度——时间曲线如图5~6所示。

如图5~6可得，100μs时各破片的速度均已稳定并达到最大。计算模型中的各点破片速度仿真结果见表1。

表1 破片初速仿真结果

Tab.1 Simulation results of fragments’ initial velocity

如图5~6和表1可得：中心管三点起爆下，初速最大点位于相邻两起爆点的中心界面处，为1 841.1m/s，初速最小点位于端面，为1 418.2m/s，最大与最小速度差为422m/s。两端点起爆下，初速最高处为中心界面C点（2 047.1m/s），然后是B、D处，初速最小处是在端面（1 311.4m/s），最大与最小速度差为736m/s。中心管三点起爆相比两端点起爆，破片最大初速下降了206.0m/s，约10.1%，最小初速上升了106.8m/s，约8.1%，两速度差距减小，速度得到匀化。

1.3.3 飞散角

战斗部破片飞散方向角为破片速度方向与其轴向的夹角。战斗部的破片飞散角为其两端破片飞散方向角之差，破片飞散方向角为两端破片飞散方向角之平均值。表2为战斗部的破片飞散角仿真计算结果。

表2 破片的飞散角仿真结果

Tab.2 Simulation results of fragments dispersion angle

从表2中可以看出：中心管三点起爆与两端点起爆下，飞散角分别为14.19°、10.75°，相比增大了3.44°，提高约32.0%。可见通过中心管三点起爆，可增大破片飞散角，解决破片过于集中在中心界面附近的狭窄区域情况；并且破片飞散方向角与两端点起爆方式大致相同，均接近垂直于战斗部轴线。

1.3.4 计算结果分析

从仿真结果可以看出，中心管三点起爆对战斗部毁伤性能有以下影响：（a）破片初速：中心管三点起爆相比两端点起爆方式，破片最大初速下降，最小初速上升，两速度差距减小，即中心管三点起爆下，毁伤能量沿战斗部轴向匀化，使得能量不会过分集中于中心界面，而导致两端能量偏低，增大了有效杀伤区域。（b）压力分布：相同结构战斗部在中心管三点起爆方式下，相比两端点起爆，较早地发生爆轰波碰撞汇聚，形成2个增强的压力峰，位于沿战斗部轴线前、后1/3段处，中心界面处超压略低于2个压力峰。而两端点起爆下，两端冲击波碰撞于中心界面处，使得能量集中于此处，爆轰波压力曲线呈中间较尖的抛物线形。（c）破片飞散形态：根据爆轰压力分布的特点，中心管三点起爆下破片飞散形态为中段扁平的抛物线形；两端点起爆时呈中间较尖的抛物线形分布。（d）飞散角：由于中心管三点起爆相对两端点起爆多了1个中心起爆点，使得飞散角增大32.0%，提高了战斗部的毁伤区域。战斗部破片飞散方向角基本相同，均接近垂直于战斗部轴线。

2 中心管三点起爆战斗部静爆试验

2.1 试验样弹

试验样弹具有相同的装药结构，数量2发。其中1发在中心管内装配中心管三点起爆网络装置，另外1发装配中心管两端点起爆组件，如图7所示。

2.2 靶场布设

靶场按杀伤战斗部静爆试验常规方法布设，由样弹、网靶、测速系统等组成，如图8所示。样弹水平放置在爆心弹架上，中心轴线距地面1.5m。图9为试验现场布局示意图。其中测速靶距爆心30m，共14个；网靶为14目硬铁丝网，布设在160～200°范围内，用来测试飞散角，且与测速靶不干涉。

图8 试验样弹

图9 战斗部试验现场布局

2.3 试验结果及分析

试验后根据实测的破片速度、飞散角等进行分析。通过破片速度随距离衰减计算公式[11]可得破片的初速，结果见表3。由于战斗部为轴对称结构，并结合图9的试验布局，对战斗部两侧对应位置处破片初速取平均值进行分析。由表3可知：（1）中心管三点起爆下最大破片初速为1 803.9m/s，相比两端点起爆的2 070.3m/s，降低了12.9%；最小破片初速1 512.2m/s，相比两端点起爆的1 359.8m/s提高了11.2%，与仿真计算结果相近。（2）中心管三点起爆下，沿着战斗部轴线方向的破片速度变化相对两端点起爆下的变化较平缓。

表3 破片的初速

Tab.3 Experimental results of fragments’ initial velocity

试验后对网靶穿孔统计，得出破片飞散角，如表4所示。

表4 破片飞散角试验结果

Tab.4 Experimental results of fragments dispersion angle

由表4可知：相对两端点起爆，中心管三点起爆方式破片飞散角提高了29.7%，战斗部的破片飞散方向角都在基本垂直战斗部轴线的方向。

3 结论

（1）仿真模型与试验结果相差不大，建立的仿真模型正确；（2）相对两端点起爆，中心管三点起爆方式时战斗部毁伤能量沿着轴线匀化，最大破片初速略降低，最小破片初速得到提高，有效地解决毁伤能量在中心界面过毁伤、而两端面较低的问题。（3）战斗部在中心管三点起爆方式下，可提高破片的飞散角，增大杀伤范围。

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Influence of Three-Point Synchronous Initiation Method on the Damage Effect of Warhead with Central Tube

FU Wei, LI Bao-hua, CAO Yu-wu

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065）

The damage efficient of the preformed fragments warhead with central tube, which was initiated by three-point initiation, was studied by numerical simulation and verification test. The results showed that, by comparison with the double-point initiation, the method of three-point initiation made the fastest fragments’ initial velocity reduced 10.1%, and the slowest raised 8.1%, the warhead’s energy could be uniform distributed along the axle. Due to the fragments’ dispersion angle increased 32.0%，the range of the damage is increased. Therefore, one three-point initiating circuit was designed and demonstrated by warhead explosion experiment.

Three-point synchronous initiation；Fragment；Warhead；Numerical simulation

1003-1480（2018）02-0001-04

TJ450.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.001

2017-12-20

付伟（1983-），男，工程师，主要从事战斗部技术研究。