排布角对新型组合式MEFP战斗部影响研究

陈 闯，杨 丽，董晓亮



排布角对新型组合式MEFP战斗部影响研究

陈 闯1，杨 丽1，董晓亮2

（1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁 沈阳，110159；2.南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京，210094）

为提升弹药战斗部的毁伤效能，设计了一种新型组合式多爆炸成型弹丸（MEFP）战斗部，将战斗部的成型模块分为3圈，对各圈装药进行了编号；数值模拟分析了排布角对MEFP速度、成型形貌和飞散角的影响规律。研究表明：随着排布角的增加，2号装药形成的EFP弹丸轴向速度、长径比、尾裙差均减小，而径向速度和飞散角逐渐增大；3号装药形成的EFP弹丸轴向速度、径向速度、长径比、尾裙差和飞散角均逐渐减小；4号装药形成的EFP弹丸轴向速度、径向速度、长径比逐渐减小，而尾裙差和飞散角逐渐增大。当排布角为15°时，形成的EFP虽然轴向速度、径向速度小于其他结构，但是在形成的EFP形貌和飞散角方面有较大的优势。

爆炸力学；MEFP；排布角；数值模拟；成型

MEFP战斗部技术是在20世纪后期逐步发展起来的新型战斗部技术，MEFP战斗部可以产生多个密实的爆炸成型弹丸，有效攻击高速运动的目标。Blache等[1]为一种径向排布多个 EFP 战斗部设计了专用的起爆装置来保证同时起爆，并形成飞行方向相同的EFP弹丸。Fong等[2]设计了一种作战灵活、各个组件可以快速安装在一起的轻型MEFP战斗部。

随着MEFP技术在国外的不断发展，20个世纪90年初国内学者也陆续展开这方面的研究工作。王猛等[3]设计了一种能够在一次爆炸作用下形成3枚EFP弹丸的战斗部。周翔等[4]数值模拟研究了一种利用子装药结构的多枚爆炸成型弹丸成型过程。赵长啸等[5]针对整体式MEFP战斗部参数与起爆方式的关系做了相应的研究。本文在EFP研究工作的基础之上，为了进一步扩大 EFP 的毁伤面积和毁伤能力，研制了一种新型组合式MEFP战斗部，分析了排布方式对新型MEFP成型的影响。

1 方案设计

本文先对单一EFP战斗部结构进行优化，对优化后的EFP进行侵彻试验，使单一EFP满足侵彻指标要求；在此基础上，对新型组合式MEFP进行结构优化。

1.1 EFP的仿真与实验

以前期研究的EFP成型装药为基础，进行缩比研究，并进行二次优化，得到φ30mm口径的药型罩结构，如图1所示。药型罩采用弧锥结合罩，其中曲率半径为 28mm，罩锥角为140°，罩壁厚为1.70mm。仿真得到的EFP形态如图2所示。从图2中可以看出，EFP的形状较佳，能够满足飞行稳定的需求。

图1 EFP成型装药结构

图2 EFP成型形状

对设计的φ30mm的成型装药在大炸高条件下进行侵彻试验，试验表明设计的药型罩能够侵彻50倍炸高下的15mm厚的钢板。图3为EFP侵彻15mm厚靶板的试验结果。从图3中可以看出，爆炸形成的EFP能够穿透15mm厚的45钢靶板，满足所要求的威力指标。

图3 侵彻靶板效果图

1.2 新型MEFP战斗部的结构设计

新型MEFP战斗部成型模块分为3圈，1枚成型装药位于MEFP结构的中心，第2圈有6枚分布在中心战斗部的周围，第3圈平均分布12枚成型装药，第3圈相邻两个装药和中心装药的夹角为30°。图4中，中心装药圆心为A，第2圈中心装药圆心为B，第3圈装药圆心为C（0≤∠CAB≤15°），定义∠CAB为排布角。

图4 新型MEFP战斗部结构

以每2.5°为一种结构方案，得到排布角为0°、2.5°、5.0°、7.5°、10.0°、12.5°、15°的7种方案。

2 仿真模型和计算方法

选取三分之一结构部分建立仿真模型，由于数值模拟计算中涉及炸药的爆轰过程，若采用拉格朗日网格进行计算，会发生网格畸变，这将不利于计算的进行。为了避免上述问题的出现，采用ALE方法对MEFP成型进行模拟。其中空气、炸药罩采用单点多物质Euler算法，填充物材料、药型罩均采用Lagrange算法。计算模型中选择8701炸药，采用JWL状态方程。药型罩材料采用紫铜，选用Johnson-Cook材料模型。空气密度为1.25×10-3g/cm3，使用空材料模型。填充物材料为尼龙，其中尼龙密度为0.9g/cm3，使用弹塑性材料模型。在数值仿真过程中需要多次进行重启动：在计算至60μs时，由于EFP基本形成，填充物对形成的EFP的影响已经微乎其微，故在60μs时将填充物材料PART删除。再利用小型重启动，计算至100μs，此时形成的EFP基本定型，且头尾速度趋于一致。图5为有限元模型。

图5 有限元模型

3 数值模拟结果及分析

3.1 MEFP的成型过程

图6所示为排布角=0°时，新型MEFP的形成过程。由图6可以看出，各个装药起爆后大约4μs时，各个药型罩开始被压垮、变形向前运动，同时由于多点起爆存在多个爆轰波，爆轰波之间相互影响，使第2层、第3层药型罩径向受力不均匀而存在径向速度。当=60μs时，MEFP基本形成，由于存在一定的速度差，运行过程中将逐渐拉长，但基本保持完整，同时由于第2层、第3层的EFP弹丸具有不同的径向速度而逐渐发散。

图6 MEFP成型图

3.2 排布方式对MEFP速度的影响

EFP的速度是影响侵深的主要因素，在EFP不断裂的情况下，EFP速度越高，侵彻性能就越高。图7为排布角与MEFP轴向速度的关系曲线。由图7可见，1号装药形成的EFP轴向速度随着排布方式的变化基本不变；2号、3号、4号装药形成的EFP轴向速度受排布方式影响较大，随着排布角的增加不断减小。

图8 为排布角与MEFP径向速度的关系曲线。由图8可以看出，2号装药形成的EFP径向速度随着排布角的增加而增加；3号、4号装药形成的EFP径向速度随着排布角的增加而减小，在排布角=15°时，各个EFP达到最小的径向速度。

图7 MEFP轴向速度随排布角的变化曲线

图8 MEFP径向速度随排布角的变化曲线

3.3 排布方式对MEFP形貌的影响

EFP的长径比是影响EFP侵彻能力的主要因素，长径比的增大将有利于增加EFP弹丸的侵彻能力。图9为MEFP长径比随排布角的变化曲线。

图9 MEFP长径比随排布角的变化曲线

图9中1号装药形成的EFP弹丸长径比随着排布角的增加无明显变化；2号、3号、4号装药形成的EFP弹丸随着排布角的增加逐渐减小。

由于MEFP在成型过程中会产生多个爆轰波，爆轰波之间的作用使EFP尾裙成型不对称，图10给出了尾裙差的定义，为形成的EFP尾裙差。尾裙差越小，形成的EFP截面越规则，形成形状越好，气动性能越好。图11给出了尾裙差随排布角的变化规律。其中2号、3号装药形成的EFP尾裙差随排布角的增加而减小；4号装药形成的EFP的尾裙差随着排布角的增加而增加。在排布角=15°时，EFP尾裙差最小，EFP的成型形状最好。

图10 尾裙差示意图

图11 MEFP尾裙差随排布角的变化曲线

3.4 排布方式对MEFP飞散角的影响

由于MEFP在成型过程中会产生多个爆轰波，爆轰波相撞产生的影响是出现较大飞散角的主要原因。飞散角的示意图如图12所示。图13为100μs时MEFP的飞散角。

图12 飞散角示意图

图13 MEFP飞散角随排布角的变化曲线

由图13可以看出，2号、4号装药形成的EFP弹丸随排布角的增加而增加；3号装药形成的EFP弹丸随排布角的增加而减小；在排布角=15°时，3号装药、4号装药形成的EFP弹丸具有相同的飞散角。当排布角=15°时，形成的MEFP分布均匀。

综上所述：当排布角=15°时，形成的EFP虽然轴向速度、径向速度均小于其他结构，但是在形成的EFP形貌和飞散角方面有较大的优势；EFP落点分布均匀。

4 结论

（1）在单一EFP的基础上，设计了新型组合式MEFP战斗部，新设计的MEFP战斗部可以形成19枚高速EFP弹丸。（2）中心EFP弹丸的轴向速度、长径比基本不受排布角的影响。随着排布角的增加，2号装药形成的EFP弹丸轴向速度、长径比、尾裙差均减小，径向速度和飞散角逐渐增大；3号装药形成的EFP弹丸轴向速度、径向速度、长径比、尾裙差和飞散角均逐渐减小；4号装药形成的EFP弹丸轴向速度、径向速度、长径比逐渐减小，尾裙差和飞散角逐渐增大。（3）排布角为15°时，形成的EFP虽然轴向速度、径向速度小于其他结构，但是在形成的EFP形貌和飞散角方面有较大的优势。

[1] Blache A,Weimann K.Multi-EFP-charge for light weight armor defeat[C]//18th International Symposium on Ballistics. San Antonio : TX. Institute for Advanced Technology, 1999.

[2] Fong R, Ng W, Tang W, et al. Multiple explosively formed penetrator (MEFP) warhead technology development [C]//19th International Symposium of Ballistics. Interlaken, Switzerland: International Ballistics Committee, 2001.

[3] 王猛, 黄德武,罗荣梅.整体多枚爆炸成型弹丸战斗部试验研究及数值模拟[J].兵工学报,2010,31(4):453-457.

[4] 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.

The Influence of Arrangement Angle on the New Combined MEFP Warhead

CHEN Chuang1，YANG Li1，DONG Xiao-liang2

(1.School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang, 110159；2. ZNDY of Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing，210094)

In order to improve the damage efficiency of the ammunition warhead, a new combined multi-explosive molded projectile (MEFP) warhead was designed, the forming module of the warhead was divided into three circles, each ring has been numbered. The influence of arrangement angle on MEFP speed, forming morphology and dispersion angle were numerical studied. The results show that with the increase of the arrangement angle, the axial velocity, length-diameter ratio and tail-skirt difference of EFP projectile formed by No.2 charge decrease, and the radial velocity and dispersion angle gradually increase. For No.3 charge, all parameters decrease with the increase of arrangement angle. The axial velocity, radial velocity and aspect ratio of EFP projectile formed by No.4 load decrease gradually, while tail skirt difference and dispersion angle gradually increase. When the arrangement angle is 15 °, the EFP formed has smaller axial velocity and radial velocity than other structures, but it has a great advantage in the formation of EFP morphology and dispersion angle.

Mechanics of explosion；Multiple explosively formed projectile；Arrangement angle；Numerical simulation；Formation

1003-1480（2018）02-0040-04

TJ410.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.011

2018-01-05

陈闯（1987-），男，讲师，主要从事爆炸力学与冲击动力学研究。

辽宁省自然科学基金指导计划项目（201602650）；沈阳理工大学博士后科研启动基金资助（1010148000805）；沈阳理工大学博士科研启动基金资助（2016BS05）。